CN204434363U - 浮动式生态水净化系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种浮动式生态水净化系统。该浮动式生态水净化系统包括：双层浮力框架，包括：上层框架；下层框架，与上层框架通过连接部固定连接；表层净化区，由在上层框架上的全部或部分区域填充净水填料构成；底层净化区，由在下层框架上的全部或部分区域填充净水填料构成；在工作状态时，上层框架浮于水面以上，表层净化区的净水填料上种植有挺水植物；下层框架位于水面以下，底层净化区的净水填料上种植有沉水植物。本实用新型增加了下层框架和沉水植物，在消除底泥造成的内源性污染，藻华防控和水质改善及促进水生态恢复等方面具有重大的作用。

Description

浮动式生态水净化系统

技术领域

本实用新型涉及一种地表水水体净化处理与生态修复技术领域，尤其涉及一种浮动式生态水净化系统。

背景技术

近年来，随着经济的发展，我国多数城市修建了污水处理厂和再生水厂，污水处理项目的建设为改善水环境发挥了重大作用。但问题也随之而来，污水处理厂尾水排放形式主要是集中排放，由于尾水排放口设置不合理(如过于集中)，排放污水初始稀释倍数低。对比《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，若按最高排放要求的一级A标准，城镇处理污水厂尾水仍属于劣Ⅴ类水集中式排放，污染负荷远超受纳河流或湖泊的纳污能力，从而导致河湖水系水体富营养化与夏季水华暴发等问题。

目前我国对城市河道、湖泊治理理念逐步由工程治理向生物修复和生态修复转变，常规的关键技术主要包括一体化水体处理设施、生物接触氧化、人工湿地、生态浮床、河道曝气等。但是一体化水体处理设施、人工湿地等旁路净化技术需要占用大量的岸上土地资源，运行维护费用较高；生态浮床、河道曝气等原位净化技术由于是单一生态技术，应用具有局限性，而且对自然水体流动造成了扰动，影响了水体生态系统与生态多样性的修复。因而亟需一种低运行成本的有机集成化程度高的原位复合水体净化关键技术净化受污染的河流或湖泊。

参考文献1(专利公开号：CN 103723820A)公开了一种太阳能曝气增氧-植物床载带生物膜装置。如图1所示，该装置的中间水平位置设置有强浮力载体5。太阳能电池板1设置在强浮力载体5上面的中央部位，并通过下面的支撑连接装置3和气泵4相连接。气泵4的出气口与曝气管7相连接，曝气管7垂直穿过强浮力载体5并与水平设置在该装置下方的布气管8相连通，用于均匀布气。在强浮力载体5的下面垂直设置有填料6。填料6连接成串，均匀悬挂于强浮力载体5的下面。强浮力载体5的下面 还设置有锚定物9，以保证装置的稳定性。

在太阳能电池板1、支撑连接装置3和气泵4的周围种植有挺水植物2。挺水植物为具有良好水体净化效果和景观效果的挺水植物，如美人蕉、芦苇、水葱、香蒲等。在强浮力载体上栽种适宜的挺水植物，可以利用植物根系的筛滤、吸收和吸附等作用，去除水中的污染物质，如氮、磷等营养元素，并富集和转化重金属，同时，挺水植物的种植可以美化河道环境。

参考文献2(专利公开号：CN 104150600A)提供了一种太阳能曝气水葫芦生态浮岛。如图2所示，该太阳能曝气水葫芦生态浮岛包括：太阳能电池板1、竹筒框架2、竹条网格3、竹篮4，轻质多孔悬浮陶粒5、曝气泵6、漂浮板7和曝气头8。竹篮4吻合悬挂于竹筒框架上，轻质多孔悬浮陶粒5置于无底竹篮4中。

将该太阳能曝气水葫芦生态浮岛置于待处理水体中，在竹条网格3上固定种植水葫芦。轻质多孔悬浮陶粒5为水中微生物提供良好的载体，加强了对土著微生物的固定作用，使其生长繁殖迅速，形成生物膜，对水体污染物净化起到很大的促进作用。同时，多孔悬浮陶粒更有利于根际微生物的附着，微生物将污染物分解为小分子无机物易为植物所吸收利用，形成良好的根据微生态，对植物生长有促进作用。水葫芦、陶粒和微生物的协同作用强化了生态浮岛去除水中污染物的能力。

然而，当污染物质进入水体后，经过被水体中物的吸附、絮凝、沉淀以及生物吸收等多种方式最终沉积到底泥中并且逐渐积累，因此底泥被看作是水体中各污染物质的重要储存场所。在不断的积累富集下，底泥中主要含有有机物、氮、磷、重金属等污染物物质。底泥与上覆水之间不停地进行着物质交换，底泥中的污染物通过解吸附、溶解、生物分解等作用，重新被释放到上覆水中，产生内源污染。上述的两种水净化系统的有效成分均集中于水表或浅水区，距离底泥和上覆水较远，从而对于该内源污染的净化效率较差。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本实用新型提供了一种浮动式生态水净化系统，以加强对水生态系统中内源性污染的净化效率。

(二)技术方案

本实用新型浮动式生态水净化系统包括：双层浮力框架10，包括：上层框架11；下层框架12，与所述上层框架11通过连接部13固定连接；表层净化区30，由在所述上层框架11上的全部或部分区域填充净水填料31构成；底层净化区40，由在所述下层框架12上的全部或部分区域填充净水填料41构成；在工作状态时，所述上层框架11浮于水面以上，所述表层净化区的净水填料31上种植有挺水植物32；所述下层框架12位于水面以下，所述底层净化区的净水填料41上种植有沉水植物42。

优选地，本实用新型浮动式生态水净化系统还包括：动水复氧装置50，固定于所述上层框架11和所述下层框架12之间；在工作状态时，所述动水复氧装置50带动周边水体循环流动。

优选地，本实用新型浮动式生态水净化系统中，动水复氧装置50包括：导流桶52；叶轮51，安装于所述导流桶52内；其中，所述导流桶52轴向方向与水平面夹角介于20°至90°之间。

优选地，本实用新型浮动式生态水净化系统中，所述导流桶52轴向方向与水平面夹角介于30°至60°之间。

优选地，本实用新型浮动式生态水净化系统中，所述双层浮力框架10左右对称设计，所述动水复氧装置50设置于所述上层框架11的正下方。

优选地，本实用新型浮动式生态水净化系统还包括：太阳能电池板模组20，固定于所述上层框架11的上方，为所述动力复氧装置50供电。

优选地，本实用新型浮动式生态水净化系统中，所述太阳能电池模组20布置于所述上层框架11的中部区域的上方，该中部区域两侧的区域填充净水填料31，构成所述表层净化区30。

优选地，本实用新型浮动式生态水净化系统中，所述太阳能电池板模组20为一整块太阳能电池板或是多块太阳能电池板拼接而成；其为水平设置、与水平面呈一角度设置，或偏折成一定形状设置。

优选地，本实用新型浮动式生态水净化系统还包括：复合微生物菌剂，固化于所述挺水植物32、沉水植物42的根系与净水填料31、41中。

优选地，本实用新型浮动式生态水净化系统中，所述复合微生物菌剂含有硝化细菌、反硝化细菌、有机物降解菌和/或酶。

优选地，本实用新型浮动式生态水净化系统中，所述浮力框架10还包括：一个或多个浮力件14，固定于所述上层框架11上，使所述浮动式生态水厂不沉底；

优选地，本实用新型浮动式生态水净化系统中，所述净水填料31、41采用高分子复合纤维制备，其比表面积介于1:200-1:10000之间，孔隙率介于80-99％之间。

优选地，本实用新型浮动式生态水净化系统中，所述沉水植物42选自于以下植物中的一种或多种：眼子菜和狐尾藻；所述挺水植物32选自于以下植物中的一种或多种：美人蕉、芦苇、水葱和香蒲。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本实用新型浮动式生态水净化系统具有以下有益效果：

(1)增加了下层框架和沉水植物，在消除底泥造成的内源性污染，藻华防控和水质改善及促进水生态恢复等方面具有重大的作用；

(2)动水复氧设备为微生物提供适宜的好氧、兼氧、厌氧环境条件，同时改善水体的流动性，不仅提高了系统的污染物去除效率，并且扩大浮动式生态水净化系统的作用范围；

(3)采用了清洁能源太阳能，无二次污染；净水填料上的挺水植物和沉水植物仅需在冬季前进行收割，运行维护方便。

附图说明

图1为现有技术1太阳能曝气增氧-植物床载带生物膜装置的结构示意图；

图2为现有技术2太阳能曝气水葫芦生态浮岛的结构示意图；

图3A为根据本实用新型实施例浮动式生态水净化系统的结构示意图；

图3B为图3A所示浮动式生态水净化系统的俯视图。

【主要元件】

10-双层框架； 

11-上层框架；               12-下层框架；

13-连接部；                 14-浮力件；

20-太阳能电池板；

30-表层净化区； 

31-净水填料；             32-挺水植物；

40-底层净化区； 

41-净水填料；             42-沉水植物；

50-动水复氧装置；

51-叶轮；                 52-导流桶。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本实用新型的保护范围。

本实用新型提供了一种原位净化受污染河流、湖泊、水库等水体的浮动式生态水净化系统，以有效去除污染水体的内源污染。

在本实用新型的一个示例性实施例中，提供了一种浮动式生态水净化系统。图3A为根据本实用新型实施例浮动式生态水净化系统的结构示意图。图3B为图3A所示浮动式生态水净化系统的俯视图。如图3A和图3B所示，本实施例浮动式生态水净化系统包括：双层浮力框架10、太阳能电池板模组20、表层净化区30、底层净化区40和动水复氧装置50构成。

以下对本实施例浮动式生态水净化系统的各个部分进行详细说明。

本实施例中，双层浮力框架10采用304以上等级的不锈钢焊接而成，作为整个浮动式生态水净化系统的承载体。该双层浮力框架10包括：上层框架11；下层框架12，通过连接部13与上层框架11固定连接；以及一个或多个浮力件(14)，固定于所述上层框架(11)上，用于使所述浮动式生态水厂不沉底。

为了制造方便，该双层浮力框架10中，上层框架11和下层框架12均呈长方形，其尺寸视所在水域水道的宽度而定。此外，浮力件14设置的位置也可以根据需要进行调整，而不限于图3A和图3B所示的方式。

请参照图3A和图3B，上层框架11分为两个区域-中部区域和两侧区域。在中部区域的上方，固定有太阳能电池板20。两侧的区域填充净水填料31构成表层净化区30，用于种植挺水植物32。需要说明的是，在实际使用时，该两侧区域大致与水面平齐，安装太阳能电池板20区域比两侧区域要高出约0～60cm。

本实施例中，在上层框架11中部区域的上方通过支架固定一整块方形的太阳能电池板，作为太阳能电池板模组20。该太阳能电池板的输出功率介于600w～9kw之间，用于为动水复氧装置50提供电能。而在本实用新型其他实施例中，可以根据实际情况来设置太阳能电池板的数量、形状、尺寸、位置和朝向，例如，需要根据水循环复氧装置50的功率来选择太阳能电池板的数量和规格，或将太阳能电池板20固定于上层框架11的一侧。此外，还可以将太阳能电池板与水平面呈一预设角度设置，或偏折成一预设形状设置，如参考文献1那样。

在上层框架11的两侧区域填充有净水填料31。在净水填料31上部，种植挺水植物32。该挺水植物伸出水面以上，其品种无特定要求，优选选用本体品种，例如美人蕉、芦苇、水葱、香蒲等。

在下层框架12底部填充净水填料41，构成底层净化区。在该底层净化区种植沉水植物42，品种无特定要求，优选选用本地品种。常用的沉水植物品种有：眼子菜、狐尾藻等。种植的挺水植物32和沉水植物42可有效的吸收水体中的氨氮、磷等多种污染物。

本实施例中，填充于上层框架11和下层框架12中的净水填料(31、41)主要采用高分子复合纤维制备，其比表面积介于1:200-1:10000之间，孔隙率介于80-99％之间，为微生物附着、挺水植物、沉水植物种植提供载体。

尤其需要注意的是，本实施例在下层框架12上填充净水填料41，构成底层净化区40。在该底层净化区40种植沉水植物42。该底层净化区对去除水体污染与水体生态系统修复具有以下三方面的作用：

1.削减底泥造成的内源污染

在浮动式生态水净化系统的底层净化区中，沉水植物为微生物提供天然的载体，水体中的微生物附着于沉水植物上，形成微生物膜。在目标水体中，沉水植物和附着的生物膜与内源污染物充分接触，通过植物的同化吸收、微生物的呼吸作用分解以及相应微生物在好氧、缺氧条件下的硝化、反硝化以及聚磷等作用，达到对底泥释放的有机物、氮、磷等污染物的有效去除。除此之外，沉水植物对内源污染中的重金属污染物也有较好的去除作用。重金属与有机物等污染物不同，很难被微生物降解，只能通过植物或微生物的吸收作用从环境中去除。很多种类的沉水植物都是当地水域的优势物种，其根部、叶部具有较高的蓄积重金属的能力。沉水植物吸附重金属离子，这些被吸附的重金属离子在沉水植物体内以螯合态等可溶形式存在，从而大大降低水体中重金属离子浓度。

2.藻华防控及水质改善

现如今，国内水体中富营养化问题严重，水体中氮、磷含量严重超标。富营养化导致藻类大量生长，严重危害水体的生态系统健康，所以降低水体中氮、磷含量，控制藻类生长成为迫切需要解决的水环境问题。

在浮动式生态水净化系统的底层净化区中，沉水植物及附着的微生物可通过植物吸收、微生物硝化与反硝化作用、聚磷作用等有效去除水体中氮、磷污染物，降低污染物浓度。沉水植物在降低水体中氮、磷等污染物的同时，也减少了水体中可为藻类提供氮、磷、矿物质等养料的数量，限制了藻类生长的条件，抑制了藻类的生长。研究表明，除了沉水植物对藻类氮、磷养料去除外，沉水植物可向水中分泌抑制藻类生长的化感物质，同样对藻类产生很大的抑制作用，最终达到水质净化的作用。

3.完善水生态结构、促进水生态系统修复

浮动式生态水净化系统中的底层净化区可构建稳定的生境平台，构建以微生物为起点的食物链，能够为沉水植物、鱼类、贝类等提供长期稳定的栖息环境，形成以浮动式生态水净化系统中底层净化区为基础的水生态系统，完善水体生态系统的结构与功能，促进水体生态系统恢复。

复合微生物菌剂被固化在挺水植物32、沉水植物42的根系与净水填料(31、41)中，用于在周边制造适宜的好氧、兼氧、厌氧环境中，高效 去除水体中的污染物。该复合微生物菌剂含有硝化细菌、反硝化细菌、有机物降解菌和/或酶等，是从自然界提取并驯化，具有高效分解有机物、氨氮、总氮等污染物的特性。

本实施例中，挺水植物32、沉水植物42及其根系，净水填料(31和41)和复合微生物菌剂共同完成对污染物的去除，并且，挺水植物和沉水植物仅需在冬季前进行收割即可，运行维护成本低。

动水复氧装置50固定于上层框架11和下层框架12之间，包括：导流桶52与安装于导流桶内的叶轮51。在太阳能面板电能驱动下，动水复氧装置50的叶轮51运转，带动周边水体循环流动。

本实施例浮动式生态水净化系统应用于不同水深的水体时，导流桶的安装角度根据不同水深进行调整。导流桶安装角度范围为：导流桶轴向方向与水平面夹角介于20°至90°之间，优选角度介于30°至60°之间，具体安装角度根据水体水深调整：当水深较浅时，采用小安装角度；当水深较深时，采用大安装角度，从而避免产生过大的垂直流扰动水体底泥层。

叶轮转动扰动周围水体，对叶轮后方的水体形成较大压强，对叶轮前方的水体形成较小压强，水体在压强差的作用下，以较大的速度流经进导流桶，从叶轮后方流向叶轮前方，并以较大的速度流出导流桶。由于导流桶的倾斜安装角度，流出导流桶的水流推动周围水体形成水平辐射流与垂直循环流。其中：

(1)水平辐射流：叶轮推动水体向水平方向的前方流动，并向两侧发散，形成水平辐射流，如图3B所示。该水平辐射流的水流通过两侧的表层净化区的净水填料31与挺水植物32进行净化处理；

(2)垂直循环流：叶轮推动水体向斜上方流动，触及水体后折返向下流动，进而形成垂直方向上的垂直循环流，如图3A所示。该垂直循环流使周边区域底层水体流经底层净化区的沉水植物42与净水填料41并处理后循环至水体表层，通过表层净化区30的净水填料31与挺水植物32进一步净化处理，表层水体同样经过循环净化处理。

通过水平辐射流与垂直循环流的共同作用，使不同深度的水体得到有效循环，保证了表层净化区与底层净化区的水体流动，水体中的污染物与植物和生物膜的充分接触，最终达到净水效果，保证了浮动式生态水净化 系统的高效性。

本实施例中，动水复氧装置50的循环通量为120-680m³/h，动水距离或作用范围为155-800m。

需要说明的是，本实施例中，叶轮和导流桶用于实现带动水体循环流动，形成水平辐射流和垂直循环流的功能。而在本实用新型其他实施例中，可以省略导流桶，也可以采用叶轮+气泵的方式，同样能够实现本实用新型。本领域技术人员很清楚该叶轮和导流桶的设置方式，此处不再详细说明。

通过动水复氧装置50，可以为浮动式生态水净化系统周边制造出适宜的好氧、兼氧、厌氧环境，并改善水体的流动性，为水体提供适宜的溶解氧与流动性环境，促进了水体生态系统在结构与功能上进行自我修复并稳定维持水质净化效果。

本实施例应用于受污染的地表水体与生态系统受损的地表水体，其应用的水体要求水深在0.5-5.5m，其运行环境温度范围为-20℃-45℃，抗风力极值风速<45.56m/s，其运行水体水质要求：pH范围6-9，SS 10-250mg/L，水体溶解氧浓度>2mg/L，且水体中不含对植物和微生物的毒性污染物，其使用寿命一般大于15年。

应用实例表明，本实施例可以控制的主要污染物包括：BOD(生化需氧量)、氨氮、总氮、SS(固体悬浮物)和藻类。其中，BOD去除率大于70％；总氮和SS去除率均大于80％；叶绿素去除率>35％。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本实用新型浮动式生态水净化系统有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)上层框架11和下层框架12的形状和尺寸可以根据需要进行调整，表层净化区的位置和设置区域可以根据需要进行调整；

(2)太阳能电池板20的数量、形状、尺寸、位置和朝向可以根据需要进行调整，或者，也可以不设置太阳能电池板，而由外界或蓄电池为动水复氧装置供电；

(3)表层净化区与底层净化区的净水填料的尺寸可以根据需要进行调整；

(4)挺水植物与沉水植物品种可根据不同应用地域的气候条件进行调整。

综上所述，本实用新型将浮动湿地技术、太阳能水循环技术、高效微生物技术进行集成并有机组合，可应用于解决河、湖库以及再生水、污水厂退水受纳水体污染物负荷高、透明度低、生态系统受损、易暴发蓝藻水华与黑臭等问题，具有良好的应用前景。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种浮动式生态水净化系统，其特征在于，包括：

双层浮力框架(10)，包括：上层框架(11)；下层框架(12)，与所述上层框架(11)通过连接部(13)固定连接；

表层净化区(30)，由在所述上层框架(11)上的全部或部分区域填充净水填料(31)构成；

底层净化区(40)，由在所述下层框架(12)上的全部或部分区域填充净水填料(41)构成；

在工作状态时，所述上层框架(11)浮于水面以上，所述表层净化区的净水填料(31)上种植有挺水植物(32)；所述下层框架(12)位于水面以下，所述底层净化区的净水填料(41)上种植有沉水植物(42)。

2.根据权利要求1所述的浮动式生态水净化系统，其特征在于，还包括：

动水复氧装置(50)，固定于所述上层框架(11)和所述下层框架(12)之间；

在工作状态时，所述动水复氧装置(50)带动周边水体循环流动。

3.根据权利要求2所述的浮动式生态水净化系统，其特征在于，所述动水复氧装置(50)包括：

导流桶(52)；

叶轮(51)，安装于所述导流桶(52)内；

其中，所述导流桶(52)轴向方向与水平面夹角介于20°至90°之间。

4.根据权利要求3所述的浮动式生态水净化系统，其特征在于，所述导流桶(52)轴向方向与水平面夹角介于30°至60°之间。

5.根据权利要求2所述的浮动式生态水净化系统，其特征在于，所述双层浮力框架(10)左右对称设计，所述动水复氧装置(50)设置于所述上层框架(11)的正下方。

6.根据权利要求2所述的浮动式生态水净化系统，其特征在于，还包括：

太阳能电池板模组(20)，固定于所述上层框架(11)的上方，为所述动力复氧装置(50)供电。

7.根据权利要求6所述的浮动式生态水净化系统，其特征在于，所述太阳能电池模组(20)布置于所述上层框架(11)的中部区域的上方，该中部区域两侧的区域填充净水填料(31)，构成所述表层净化区(30)。

8.根据权利要求6所述的浮动式生态水净化系统，其特征在于，所述太阳能电池板模组(20)为一整块太阳能电池板或是多块太阳能电池板拼接而成；其为水平设置、与水平面呈一预设角度设置，或偏折成一预设形状设置。

9.根据权利要求1所述的浮动式生态水净化系统，其特征在于，还包括：

复合微生物菌剂，固化于所述挺水植物(32)、沉水植物(42)的根系与净水填料(31、41)中。

10.根据权利要求9所述的浮动式生态水净化系统，其特征在于，所述复合微生物菌剂含有硝化细菌、反硝化细菌、有机物降解菌和/或酶。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的浮动式生态水净化系统，其特征在于，所述双层浮力框架(10)还包括：

一个或多个浮力件(14)，固定于所述上层框架(11)上，使所述浮动式生态水厂不沉底。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的浮动式生态水净化系统，其特征在于，所述净水填料(31、41)采用高分子复合纤维制备，其比表面积介于1∶200-1∶10000之间，孔隙率介于80-99％之间。

13.根据权利要求1至10中任一项所述的浮动式生态水净化系统，其特征在于：

所述沉水植物(42)选自于以下植物中的一种或多种：眼子菜和狐尾藻；

所述挺水植物(32)选自于以下植物中的一种或多种：美人蕉、芦苇、水葱和香蒲。