CN114620902A - 一种用于富营养化水体净化的装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于富营养化水体净化的装置，属于环境保护与城市环境景观营造技术领域，装置包括从下到上依次设置的过滤曝气机构、支撑浮动机构、景观机构；过滤曝气机构，包括过滤箱，过滤箱内设有过滤曝气球，过滤曝气球通过中空管道与景观机构相连通，过滤曝气球内设有超声波发射棒；过滤箱的侧壁上设有进水孔、滤水孔；支撑浮动机构，设于过滤曝气机构的顶部，支撑浮动机构包括基座，基座内设有泡沫、真空泵、超声波发生器、蓄电池和控制器；景观机构，设于过滤箱的顶部。本发明所述装置主要用于富营养化水体的净化，不使用化学药剂，实现对富营养化水体标本兼治，无二次污染，安全可靠。

Description

一种用于富营养化水体净化的装置及其应用

技术领域

本发明属于环境保护与城市环境景观营造技术领域，尤其涉及一种用于富营养化水体净化的装置及其应用。

背景技术

水体在人类活动或自然过程的影响下，大量氮(N)、磷(P)等营养盐富集在湖泊、河流等水体中，导致水体富营养化，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖、水体溶解氧下降，鱼类和其他生物大量死亡，严重影响水环境质量、生态系统健康和水体景观效果，甚至造成严重的水污染事件，给人们的健康饮水安全带来严重隐患。水体富营养化由于涉及范围广、控制难度大和容易反复发生等原因，已成为环境保护与城市环境景观建造领域的治理难点。

目前，控制水体富营养化的主要方法包括污染源输入控制、生物修复、混凝沉淀、吸附法、离子交换吸附法、反渗透工艺或物理除藻等，上述方法对富营养化防治具有不同程度的成效。基于以上技术原理，研究人员研发了大量设备，如采用机械物理除藻、超声波除藻、吸附填料、生态浮床或药物制剂喷洒等方法降低水体富营养化的设备。

另外，水体微生物藻收集处理使用的主要方法包括离心分离、沉降、絮凝、过滤或超声波等。离心分离技术具有操作简单、无任何添加剂的优点，但大规模使用时，存在耗能高、设备维护成本高等缺点；对于细胞密度较小的微藻而言，不适宜使用沉降技术进行采收；絮凝技术包括化学、物理、生物絮凝三种絮凝方法，但絮凝剂的加入会造成水体污染，存在生物安全性等问题；机械过滤除藻，一般只考虑净化水质功能，而没有考虑放置在水体中的景观效果，且机械设备多采用不可再生能源作为动力，耗能高，增加社会碳排放量；采用超声波能够击破生物藻细胞壁，击破气胞，破坏活性酶,使其失活而死亡,从而达到防藻，但藻类死亡后氮、磷等营养盐又会再次释放到水体中，为其他微生物提供营养物质，导致再次发生水体富营养化或水华，不能标本兼治。

发明内容

本发明提供了一种用于富营养化水体净化的装置及其应用，可实现富营养化水体标本兼治。

本发明提出一种用于富营养化水体净化的装置，包括从下到上依次设置的过滤曝气机构、支撑浮动机构、景观机构；

所述过滤曝气机构，包括过滤箱，所述过滤箱内设有过滤曝气球，所述过滤曝气球通过中空管道与所述景观机构相连通，所述过滤曝气球内设有超声波发射棒；所述过滤箱的侧壁上设有进水孔、滤水孔；所述过滤箱内底部设有填料；所述过滤箱的底部外侧挂设有螺旋桨；

所述支撑浮动机构，设于所述过滤曝气机构的顶部，所述支撑浮动机构包括基座，所述基座内设有泡沫体、真空泵、超声波发生器、蓄电池和控制器；所述真空泵的一端通过管路指向所述过滤曝气球内，所述真空泵的另一端通过管路指向所述景观机构；所述超声波发生器与所述超声波发射棒通过电线连接；所述控制器分别与所述螺旋桨、所述真空泵、所述超声波发生器电连接，且所述控制器与遥控信号器电连接，所述遥控信号器与设于基座外的遥控器通过信号连接；蓄电池用于为真空泵、超声波发生器和螺旋桨提供动力源；

所述景观机构，设于所述过滤箱的顶部，所述景观机构包括花瓣状太阳能板、设于所述花瓣状太阳能板中心的至少一个花蕊状喷管；所述花蕊状喷管与所述过滤曝气球通过中空管道相连通，所述花瓣状太阳能板与所述蓄电池通过电线连接。

进一步地，所述过滤曝气球的球面设有至少一个用于曝气的通孔。

进一步地，所述进水孔位于滤水孔的上方，所述进水孔的孔径为15-50mm，所述滤水孔的孔径为2-14mm。

进一步地，所述填料为包括铁矿碎石、牡蛎壳和生物炭的复合填料。

进一步地，所述基座的上表面为太阳能板。

进一步地，所述基座可拆卸设于过滤箱上。

进一步地，当所述真空泵自过滤箱内水体向装置外空气方向进行抽水工作时，形成喷泉景观，同时将过滤箱外水体抽入曝气过滤箱内；当所述真空泵自装置外空气向过滤箱内水体方向进行注入空气工作时，过滤曝气球处产生曝气。

进一步地，所述景观机构还包括叶状板，所述叶状板设于所述花瓣状太阳能板的四周。

进一步地，所述花蕊状喷管的顶部设有喷孔。

本发明还提出上述任一项所述的装置在净化富营养化水体中的应用。

本发明具有以下优势：

本发明提出的富营养化水体净化的装置，包括景观机构、支撑浮动机构、过滤曝气机构等，各个机构之间密不可分，共同作用，从而发挥净化效果。景观机构，通过太阳能板为净化装置提供装置运行所需动力源，通过花蕊状喷管为装置提供曝气所需空气源。过滤曝气机构，在与真空泵配合作用下，当真空泵向过滤箱内注入空气时，通过过滤曝气球的曝气作用为含氮污染物的硝化反硝化处理提供条件，实现水体脱氮，同时可为水体增加溶解氧；当真空泵从过滤箱抽出水体至装置外时，实现喷泉景观的同时，还可实现装置外水体通过进水孔进入过滤箱进行过滤净化；填料可吸附转化去除水体中的磷和氮，并为微生物提供载体，强化脱氮除磷作用；过滤箱上的超声波发射棒可实现除藻。支撑浮动机构，通过基座内泡沫体，支撑装置漂浮于水面，基座还可承载净化装置内的部分部件。

本发明综合采取抽滤、曝气、填料、超声波等方式共同作用，不使用化学药剂，实现对富营养化水体标本兼治，无二次污染，安全可靠。并且，将水体净化与景观环境营造在装置中有机结合，在净化富营养化水体的同时又能实现良好的景观效应，发挥了环境保护和水体景观的双重功能效果。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例用于富营养化水体净化的装置结构示意图；

附图标记说明：

11-过滤箱；12-过滤曝气球；13-超声波发射棒；14-进水孔；15-滤水孔；16-螺旋桨；

21-基座；22-蓄电池；23-超声波发生器；24-真空泵；

31-花瓣状太阳能板；32-花蕊状喷管；33-叶状板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明一实施例提出一种用于富营养化水体净化的装置，包括从下到上依次设置的过滤曝气机构、支撑浮动机构、景观机构；

过滤曝气机构，包括过滤箱11，过滤箱11内设有过滤曝气球12，过滤曝气球12通过中空管道与景观机构相连通，过滤曝气球12内设有超声波发射棒13；过滤箱11的侧壁上设有进水孔14、滤水孔15；过滤箱11内底部设有填料；过滤箱11的底部外侧挂设有螺旋桨16；

支撑浮动机构，设于过滤曝气机构的顶部，支撑浮动机构包括基座21，基座21内设有泡沫体、真空泵24、超声波发生器23、蓄电池22和控制器；真空泵24的一端通过管路指向过滤曝气球12内，真空泵24的另一端通过管路指向景观机构；超声波发生器23与超声波发射棒13通过电线连接；控制器分别与螺旋桨16、真空泵24、超声波发生器23电连接，且控制器与遥控信号器电连接，遥控信号器与设于基座2外的遥控器通过信号连接；蓄电池22用于为真空泵24、超声波发生器23和螺旋桨16提供动力源；

景观机构，设于过滤箱11的顶部，景观机构包括花瓣状太阳能板31、设于花瓣状太阳能板中心的至少一个花蕊状喷管32；花蕊状喷管32与过滤曝气球12通过中空管道相连通，花瓣状太阳能板31与蓄电池22通过电线连接。

本发明实施例过滤曝气机构，借助过滤曝气球，采用间歇曝气的方式，营造好氧、缺氧、厌氧环境，促进水体中氮的硝化反硝化作用，达到脱氮作用，以及促进磷的形态转化，降低富营养化水体内氮磷浓度。填料中含有铁离子和钙离子，可用于吸附转化氮磷，生成沉淀固化物，从根本上降低了水中氮磷浓度。

具体而言，过滤箱11呈正方体形或长方体形。具体形状可以根据需要而定。

进一步地，过滤曝气球12的球面设有至少一个用于曝气的通孔。通孔的个数为1-1000个。具体可以根据需要而定。优选的，通孔的个数为80-100个。通孔的孔径大小为0.5-2mm。

进一步地，进水孔14位于滤水孔15的上方，进水孔14的孔径为15-50mm；滤水孔15的孔径为2-14mm。由于进水孔的孔径大于藻体的直径，进水孔主要起进水作用，但也可以阻止水体微生物藻之外的其他杂物进入过滤箱。而由于滤水孔的孔径小于进水孔，并置于进水孔下方，滤水孔主要用于过滤箱内水体向过滤箱外排出。

进一步地，填料为含铁和钙的复合填料。优选的，填料包括铁矿碎石、牡蛎壳和生物炭。更优选的，铁矿碎石、牡蛎壳、生物炭的质量比为(5-8)：(2-5)：(1-3)。填料在过滤箱中占据的容积低于过滤箱总容积的1/2。

本发明实施例中采用的复合填料，可用以吸附、转化水体中游离的氮磷物质和水华藻细胞死亡释放的氮磷物质。由于含有铁离子和钙离子，可与磷反应，形成沉淀物，以此固化水中磷元素，从根本上降低水中磷浓度，达到标本兼治的作用。同时，填料中生物炭不仅可吸附氮磷污染物，还可提高微生物活性和载体数量，从而促进脱氮除磷效果。

本发明实施例支撑浮动机构，包括基座，其内主要设有泡沫和其他装置运行所需设备包括真空泵、超声波发生器以及用于储能的蓄电池等，以确保装置漂浮于水上正常运行。

具体而言，基座可以呈正方体形或长方体形。例如，基座的高长宽尺寸为(0.1-0.3)m*(1-5)m*(1-5)m。具体基座的形状需要与过滤箱相适配。

具体而言，基座21的上表面为太阳能板，主要为了收集太阳能。基座的其他面的材质为聚氨酯(PUR)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)或酚醛树脂(PF)。

进一步地，基座21可拆卸设于过滤箱11上。具体地，过滤箱11的顶部为基座，基座与过滤箱11通过卡扣连接。过滤箱为无顶设置，主要为了便于装填料。当需要填装填料的时候，直接将基座从过滤箱上取下即可。

本发明实施例中，基座21内的泡沫体，用于将净化装置漂浮于水中。基座内放置泡沫体后剩余空间用于支撑放置其他装置运行所需设备。

本发明实施例中，所述真空泵24的一端通过管路指向所述过滤曝气球12内，所述真空泵24的另一端通过管路指向所述景观机构。具体而言，所述真空泵24的另一端通过中空管道指向所述景观机构的花蕊状喷管32，如此，便于喷泉景观的形成。真空泵的方向可以根据需要调换。当真空泵自水体向装置外空气方向抽水工作时，可将水体抽入曝气过滤箱内，形成喷泉景观；当真空泵自装置外空气向水体方向注入空气工作时，实现过滤曝气球处曝气。具体而言，通过自动化控制真空泵的作业方向，气流向上时，将水抽入景观机构的花蕊状喷管形成喷泉景观，气流向下则将空气抽入过滤箱内给水体曝气，增加水体内的溶解氧，促进水体硝化反硝化过程和脱氮，同时清除附着在过滤曝气球上的死亡藻类杂物。

本发明实施例中，基座21内设有超声波发生器23，与超声波发射棒13通过电线连接，用于带动超声波发射棒13工作。超声波发射棒可挂设在过滤曝气球内。利用超声波作用于液体产生的“空化”效应而产生的冲击波，击破水藻细胞壁和气胞，破坏活性酶，使其失活而死亡，从而达到防藻、除藻的目的。

本发明实施例中，基座21内的蓄电池21，用于储藏电能，一部分电能来源于花瓣状太阳能板，一部分电能来源于基座的上表面太阳能板。蓄电池的电能可为真空泵、超声波发生器以及螺旋桨等提供动力源。

本发明实施例中，基座21内控制器分别与螺旋桨16、真空泵24、超声波发生器23电连接。控制器可控制移动螺旋桨的移动与否、移动方向、移动快慢等，从而控制净化装置的移动方向、时间和速度。控制器还可控制真空泵工作与否及工作方向，从而控制曝气的间歇时间和进出水流方向。控制器还可控制超声波的工作时间等。本发明实施例最大限度实现了自动化控制，技术绿色环保、操作简单、维护方便、运行成本低、便于推广应用。具体地，本发明的净化装置放置在富营养化水体水面上，可通过遥控其在水中的位置、停留时间、过滤曝气时间、超声波工作时间等，来控制净化富营养化水体的效果。与控制器相连的遥控信号器也设置于基座内。遥控器设于基座外，主要为了便于操作人员进行操作。

本发明实施例景观机构，包括花瓣状太阳能板、叶状板、花蕊状喷管等，其将水质净化作用和观赏作用完整结合在一起，花蕊状喷管可产生喷泉效果，造型美观大方，放置并漂浮于水体中，提高水体的观赏度。

进一步地，花瓣状太阳能板为柔性晶硅板材质。优选的，花瓣状太阳能板为蓝色、粉色或红色的柔性晶硅板材质。本发明实施例可将太阳能转化为超声波、曝气和景观喷泉所需动能，实现了清洁能源利用，减少碳排放，降低了设备的运行成本。

进一步地，景观机构还包括叶状板33，叶状板33设于花瓣状太阳能板31的四周。叶状板为聚氨酯(PUR)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)或酚醛树脂(PF)中的一种材质。

进一步地，花蕊状喷管32的顶部设有喷孔。花蕊状喷管与过滤曝气球之间的管路为中空管道。真空泵24的另一端通过管路也是通过此中空管道指向景观机构的花蕊状喷管32。所述花蕊状喷管32的个数为3-50个。优选的，所述花蕊状喷管32的个数为5-10个。

本发明装置具体实施过程，包括如下步骤：

(1)将净化装置置于太阳光下照射，花瓣状太阳能板31以及基座21顶部的太阳能板吸收太阳光，使蓄电池22充电，为真空泵24、超声波发生器23、控制器、螺旋桨16提供动力源。打开过滤箱11，将填料置于过滤箱11内。

(2)将净化装置置于待处理富营养化的景观水体中，遥控器通过控制器控制超声波发生器23开启，并且，通过控制器控制真空泵24的工作时间和工作方向，例如，启动真空泵21，当真空泵24自水体向装置外空气方向抽水工作时，随着过滤箱11内水减少，过滤箱11外的富营养化的水体抽入过滤箱11，即含有藻类、氮磷等污染物的水通过进水孔14不断抽入过滤箱11内，从而实现藻体的过滤，且水体向外抽水时还可形成喷泉景观；变换真空泵21的工作方向，将空气注入过滤箱11内，增加过滤箱11内溶氧量，通过过滤曝气球12采用间歇曝气的方式，营造好氧、缺氧、厌氧环境，促进水体中氮的硝化反硝化作用，从根本上降低富营养化水体内氮浓度。含铁和钙的复合填料则主要用于与含磷污染物反应生成沉淀，去除水体中磷。超声波发射棒13可对藻体进行处理，达到除藻目的。

(3)待净化装置工作一段时间后，遥控器可通过控制器控制净化装置移动，实现不同位置水体的净化处理和景观效果。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于富营养化水体净化的装置，其特征在于，包括从下到上依次设置的过滤曝气机构、支撑浮动机构、景观机构；

所述过滤曝气机构，包括过滤箱(11)，所述过滤箱(11)内设有过滤曝气球(12)，所述过滤曝气球(12)通过中空管道与所述景观机构相连通，所述过滤曝气球(12)内设有超声波发射棒(13)；所述过滤箱(11)的侧壁上设有进水孔(14)、滤水孔(15)；所述过滤箱(11)内底部设有填料；所述过滤箱(11)的底部外侧挂设有螺旋桨(16)；

所述支撑浮动机构，设于所述过滤曝气机构的顶部，所述支撑浮动机构包括基座(21)，所述基座(21)内设有泡沫体、真空泵(24)、超声波发生器(23)、蓄电池(22)和控制器；所述真空泵(24)的一端通过管路指向所述过滤曝气球(12)内，所述真空泵(24)的另一端通过管路指向所述景观机构；所述超声波发生器(23)与所述超声波发射棒(13)通过电线连接；所述控制器分别与所述螺旋桨(16)、所述真空泵(24)、所述超声波发生器(23)电连接，且所述控制器与遥控信号器电连接，所述遥控信号器与设于基座(2)外的遥控器通过信号连接；蓄电池(22)用于为真空泵(24)、超声波发生器(23)和螺旋桨(16)提供动力源；

所述景观机构，设于所述过滤箱(11)的顶部，所述景观机构包括花瓣状太阳能板(31)、设于所述花瓣状太阳能板中心的至少一个花蕊状喷管(32)；所述花蕊状喷管(32)与所述过滤曝气球(12)通过中空管道相连通，所述花瓣状太阳能板(31)与所述蓄电池(22)通过电线连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述过滤曝气球(12)的球面设有至少一个用于曝气的通孔。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述进水孔(14)位于滤水孔(15)的上方，所述进水孔(14)的孔径为15-50mm，所述滤水孔(15)的孔径为2-14mm。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述填料为包括铁矿碎石、牡蛎壳和生物炭的复合填料。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述基座(21)的上表面为太阳能板。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述基座(21)可拆卸设于过滤箱(11)上。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

当所述真空泵(24)自过滤箱(11)内水体向装置外空气方向进行抽水工作时，形成喷泉景观，同时将过滤箱(11)外水体抽入曝气过滤箱(11)内；当所述真空泵(24)自装置外空气向过滤箱(11)内水体方向进行注入空气工作时，过滤曝气球(12)处产生曝气。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述景观机构还包括叶状板(33)，所述叶状板(33)设于所述花瓣状太阳能板(31)的四周。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述花蕊状喷管(32)的顶部设有喷孔。

10.权利要求1～9任一项所述的装置在净化富营养化水体中的应用。

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