CN212450811U - 用于湖库水体原位治理的移动式碳纤维生物膜净化系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于湖库水体原位治理的移动式碳纤维生物膜净化系统，包括碳纤维生物膜净化装置、微纳米曝气装置、水质在线监测装置、可移动漂浮平台、自主导航装置和动力推进装置；所述碳纤维生物膜净化装置和微纳米曝气装置固定于可移动漂浮平台底部；水质在线监测装置固定于可移动漂浮平台前端，用于实时监测待治理水域的污染特征，自主导航装置和动力推进装置用于控制可移动漂浮平台在治理水域按照预先设定的路线往复移动。本实用新型可有效改善湖库水质，净化湖库水质，提升生态景观功能，具有高效、智能、便捷和成本低等特点。

Description

用于湖库水体原位治理的移动式碳纤维生物膜净化系统

技术领域

本实用新型属于湖库生态治理领域，具体涉及一种可有效治理湖库水体富营养化、改善水域水质的用于湖库水体原位治理的移动式碳纤维生物膜净化系统。

背景技术

随着城市化进程加快、人口增加，大量城市生活污水直接排入湖库，导致水体污染、水生态破坏，湖库水体呈黑臭或富营养化状态。尤其是在江南平原水网密集地区，湖库水域面积大、水体流动性较差、污染来源广、水生态系统相对简单，水环境容量小且自净能力差。湖库水环境日趋恶化，生物多样性遭到破坏，严重影响城市整体水环境以及周边居民生活质量，制约经济发展。因此，改善污染湖库的水质状况成为亟需解决的现实问题。

在众多治理方式中，生物物理技术倍受重视和关注。生物方法比物理方法需要更长治理周期，但具有无耗能，便于管理，无二次污染等优点。生物载体是实现生物治理和修复的基础，选取适宜的生物载体对于环境治理和修复效果至关重要。目前，碳纤维作为生物膜载体修复水体环境已在国内外开展大量研究和试验，表明碳纤维可作为生物膜的优良载体，可有效控制湖库水质污染和实现水资源良性循环。日本小岛昭教授首先发现把碳纤维浸没于污染河水的水槽后，水体透明度增高，生物需氧量降低，水质得到净化。马兆坤研究发现碳纤维是一种生物相容性好、固着化速度快、固着量大、耐微生物分解及化学腐蚀、再生能力强、成本相对较低的优异微生物固着化载体。李兰利用碳纤维对武汉东湖水体进行为期2年的净化试验结果表明，碳纤维不仅能吸附、去除、生物降解各类污染物质，还能够筑造完整生态链，恢复生态多样性。

利用碳纤维生物膜进行水质净化的中国专利“一种景观河道水质净化的生态浮岛(申请号：201320839605.0)”提供了一种将生态浮岛技术、生物膜技术及微生物投加技术整合于生态浮岛上的水环境治理技术，即生态浮岛上方种植水生植物，生态浮岛下方悬挂碳纤维(微生物膜载体)和微生物菌剂投加装置，该技术能够增强悬浮物的截留效果，还具有脱氮、消减有机污染物的功能。但根据现有的碳纤维定位静止净化试验结果表明，该技术的水质净化效率较低，碳纤维定位静止净化需要大面积布设碳纤维，若将劣Ⅴ类水提升至Ⅳ类水，碳纤维的布设面积需占湖泊面积的三分之一以上，一方面治理成本较高，另一方面影响水体美观和水面通航等。

实用新型专利“河道黑臭水原位治理的移动式生态浮床(申请号：201821217889.9)”公开了一种用于河道黑臭水原位治理的移动式生态浮床，相对于定位静止处理显著提高水质净化效率，但存在以下问题：(1)单束碳纤维的上端直接悬挂于生态浮床底部，碳纤维下端捆绑重物，在实际应用过程中，随生态浮床移动，单束碳纤维之间易随意摆动、互相缠绕，造成生物膜脱落，从而降低水质净化效率；(2)直接向水体中投加微生物菌剂，可促进碳纤维上微生物挂膜，然而，实践表明仅有少部分微生物菌剂挂膜于碳纤维上，大部分菌剂因沉入水中而没有起到强化碳纤维挂膜作用，造成资源浪费，增加额外成本；(3)生态浮床通过推流装置在水体中移动，需要人工控制，无法做到无人值守，需耗费大量人力物力。

因此，针对湖库水体原位治理的现实需求以及现有碳纤维水质净化技术装置存在的不足，优化设计用于湖库水体原位治理的移动式碳纤维生物膜净化系统，并解决在实际应用过程中存在的以上问题，对于湖库水体治理具有重要的应用价值。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的上述问题，提供一种用于湖库水体原位治理的移动式碳纤维生物膜净化系统，可有效改善湖库水质，净化湖库水质，提升生态景观功能。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种用于湖库水体原位治理的移动式碳纤维生物膜净化系统，包括碳纤维生物膜净化装置、微纳米曝气装置、水质在线监测装置、可移动漂浮平台、自主导航装置和动力推进装置；所述碳纤维生物膜净化装置和微纳米曝气装置固定于可移动漂浮平台底部；水质在线监测装置固定于可移动漂浮平台前端，用于实时监测待治理水域的污染特征，自主导航装置和动力推进装置用于控制可移动漂浮平台在治理水域按照预先设定的路线往复移动。

进一步的，所述碳纤维生物膜净化装置包括中空框架，中空框架的顶面和底面对应设有多个上支架和下支架，上支架和下支架之间固定多个单束碳纤维，通过上支架和下支架将单束碳纤维的上下两端固定。

进一步的，所述单束碳纤维的材料为酚醛基活性碳纤维、聚丙烯腈基活性碳纤维、黏胶基活性碳纤维、沥青基活性碳纤维中任意一种。

进一步的，所述单束碳纤维构型为刷子型、水草型、蜈蚣型、条带型中任意一种。

进一步的，所述单束碳纤维的长度为50～100cm；相邻两束碳纤维之间的间距为20～50cm。

进一步的，水体净化之前，首先将碳纤维生物膜净化装置中的碳纤维在特定微生物菌剂培养液中进行预挂膜，直至碳纤维上生物膜成熟。

进一步的，所述可移动漂浮平台的外观形状为长方形、正方形、圆形或三角形中的任意一种，并可多组拼装。

进一步的，所述微纳米曝气装置位于碳纤维生物膜净化装置正下方，用于为好氧微生物代谢和繁殖提供充足氧气，微纳米曝气装置包括空压机、输气管和曝气管，空压机置于可移动漂浮平台4的船舱内部，空压机的出气口通过输气管与曝气管连通，曝气管置于碳纤维生物膜净化装置底部，曝气管上设置有若干微纳米级的曝气孔，通过调节空压机的曝气量和曝气时间，使碳纤维生物膜附近的溶解氧保持在6.0～9.0mg/L之间。

进一步的，所述水质在线监测装置中包括水温、溶解氧、pH、氧化还原电位、总氮、总磷水质监测探头。

进一步的，所述微纳米曝气装置、水质在线监测装置、自主导航装置和动力推进装置通过充电蓄电池、太阳能电池、柴油发电机中任意一种获得电力。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型将碳纤维生物膜净化装置模块化，可组合、可拼接，能够满足不同污染程度水体的治理需求。碳纤维生物膜净化装置中碳纤维的上下两端固定，有效解决了在移动过程中，单束碳纤维之间易互相缠绕，生物膜脱落，从而造成碳纤维上生物量和生物活性降低的问题。本实用新型人在南方某典型湖泊开展的生态修复实验结果表明：与直接将碳纤维的上端悬挂于移动平台相比，单位质量碳纤维上微生物量提高约35％，微生物活性提高约28％。

(2)本实用新型通过将碳纤维进行预挂膜处理，以及将生物膜净化技术与微纳米曝气技术组合，显著提高水质净化效率。本实用新型人开展的典型湖泊生态修复实验结果表明：与直接向水体中投加微生物菌剂促进碳纤维上微生物挂膜相比，使用单位质量微生物菌剂预处理后的碳纤维生物膜对水体中总氮的去除率提高约22％，总磷的去除率提高约14％。通过增加微纳米曝气，碳纤维生物膜对水体中总氮的去除率提高约25％。

(3)本实用新型增加自主导航装置，通过预先设置可移动漂浮平台的移动路线，使移动式碳纤维生物膜净化系统按照预先设定的路线循环往复移动，根据治理需要和生物膜净化效率，控制移动速率，并全天候运行，从而做到无人值守，有效减少人力和物力。

附图说明

图1为用于湖库水体原位治理的移动式碳纤维生物膜净化系统的一个实施例的结构示意图；

图2为本实用新型中碳纤维生物膜净化装置的立体结构图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实用新型提供一种用于湖库水体原位治理的移动式碳纤维生物膜净化系统，其中一个实施例的结构如图1所示，包括碳纤维生物膜净化装置1、微纳米曝气装置2、水质在线监测装置3、可移动漂浮平台4、安装于可移动漂浮平台4的自主导航装置5、动力推进装置6，可移动漂浮平台4的外观形状为长方形、正方形、圆形或三角形中的任意一种，并可多组拼装。

所述碳纤维生物膜净化装置1和微纳米曝气装置2固定于可移动漂浮平台4底部，其中，碳纤维生物膜净化装置1模块化，可组合、可拼接，能够满足不同污染程度水体的治理需求。

如图2所示，所述碳纤维生物膜净化装置1包括中空框架11，中空框架11的顶面和底面对应设有多个上支架12和下支架13，上支架12和下支架13之间固定多个单束碳纤维14，中空框架11、上支架12和下支架13采用不锈钢材质制作，通过上支架12和下支架13将单束碳纤维14的上下两端固定，多个单束碳纤维14按等间隔均匀布设。每组碳纤维生物膜净化装置相互独立，根据治理需要，可进行组合或拼接。

在投放入待治理水体之前，首先将碳纤维生物膜净化装置1在微生物菌剂培养液中进行预挂膜处理，碳纤维上生物膜挂膜成熟后，将碳纤维生物膜净化装置1固定于可移动漂浮平台4底部。

其中，所述单束碳纤维14的材料为酚醛基活性碳纤维、聚丙烯腈基活性碳纤维、黏胶基活性碳纤维、沥青基活性碳纤维等任意一种，构型为刷子型、水草型、蜈蚣型、条带型等任意一种，单束碳纤维14的长度为50～100cm；相邻两束碳纤维之间的间距为20～50cm。

所述碳纤维挂膜时采用的微生物菌剂为硝化细菌、反硝化细菌、聚磷菌、枯草芽孢杆菌、光合细菌、酵母菌、乳酸菌、类球红细菌、植物乳杆菌、放线菌、真菌中的一种或者两种及以上复合而成。

所述微纳米曝气装置2位于碳纤维生物膜净化装置1正下方，用于为好氧微生物代谢和繁殖提供充足氧气，提高生物膜净化效率。所述微纳米曝气装置2包括空压机、输气管和曝气管，其中空压机置于可移动漂浮平台4的船舱内部，空压机的出气口通过输气管与曝气管连通，曝气管置于碳纤维生物膜净化装置1底部，曝气管上设置有若干微纳米级的曝气孔，空压机、输气管和曝气管可拆卸连接。通过调节空压机的曝气量和曝气时间，使碳纤维生物膜附近的溶解氧保持在6.0～9.0mg/L之间。

所述水质在线监测装置3固定于可移动漂浮平台4前端，水质在线监测装置3中包括水温、溶解氧、pH、氧化还原电位、总氮、总磷等水质参数监测探头，水质参数监测探头浸没于水面以下。所述水质在线监测装置3通过实时监测待治理水域的污染特征，为确定需要投放的碳纤维数量，以及碳纤维预挂膜时采用的挂膜微生物菌剂种类提供依据。

所述自主导航装置5和动力推进装置6用于控制可移动漂浮平台4在治理水体中按照设定路线移动，并带动碳纤维生物膜净化装置1、微纳米曝气装置2和水质在线监测装置3在水体中移动，根据治理需要可控制移动速率，并全天候运行。

所述微纳米曝气装置2、水质在线监测装置3、自主导航装置5和动力推进装置6可通过充电蓄电池、太阳能电池、柴油发电机等任意一种获得电力。

使用本实用新型进行湖库水体原位治理的方法，采用上述净化装置进行，所述方法包括如下步骤：

1、在待治理水域每隔200m设置1个水质监测点，应用可漂浮移动平台4上搭载的水质在线监测装置3在线实时监测水体中水温、溶解氧、pH、氧化还原电位、总氮、总磷等水质参数，从而确定待治理水域水体污染特征；

2、根据待治理水域水体污染特征，确定碳纤维生物膜净化装置1中碳纤维的适宜布设量，同时选取针对性微生物菌剂，对拟投放的碳纤维进行预挂膜，根据碳纤维上微生物量和微生物活性的检测结果，预挂膜3～10d，经前期实验研究表明，平均挂膜7天后，碳纤维上微生物量和微生物活性达到最高，在预挂膜过程中进行曝气，保持溶解氧在7.0mg/L以上；

3、将预先挂膜成熟的碳纤维生物膜净化装置1固定于可移动漂浮平台4底部，根据待治理水域水体污染程度，确定碳纤维生物膜净化装置1的使用量；微纳米曝气装置2的曝气管位于碳纤维生物膜净化装置1下方，根据水质在线监测装置3实时监测的水体溶解氧含量，调节微纳米曝气装置2的曝气量和曝气时间，使碳纤维生物膜附近的溶解氧保持在6.0～9.0mg/L之间；

4、通过自主导航装置5预先设定可移动漂浮平台4的移动路线，通过动力推进装置6带动可移动漂浮平台4在水体中移动，移动速度为0.1～0.5m/s之间。根据水质在线监测装置3实时监测的水体总氮、总磷等营养盐含量，调节可移动漂浮平台4的移动速率和自主导航装置5的往返路线，使碳纤维生物膜的水质净化效率达到最高。

5、可移动漂浮平台4上搭载的电源电量低于20％时，进行充电或者更换电池，持续进行移动式水质净化。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于湖库水体原位治理的移动式碳纤维生物膜净化系统，其特征在于：包括碳纤维生物膜净化装置(1)、微纳米曝气装置(2)、水质在线监测装置(3)、可移动漂浮平台(4)、自主导航装置(5)和动力推进装置(6)；所述碳纤维生物膜净化装置(1)和微纳米曝气装置(2)固定于可移动漂浮平台(4)底部；水质在线监测装置(3)固定于可移动漂浮平台(4)前端，用于实时监测待治理水域的污染特征，自主导航装置(5)和动力推进装置(6)用于控制可移动漂浮平台(4)在治理水域按照预先设定的路线往复移动。

2.根据权利要求1所述的用于湖库水体原位治理的移动式碳纤维生物膜净化系统，其特征在于：所述碳纤维生物膜净化装置(1)包括中空框架(11)，中空框架(11)的顶面和底面对应设有多个上支架(12)和下支架(13)，上支架(12)和下支架(13)之间固定多个单束碳纤维(14)，通过上支架(12)和下支架(13)将单束碳纤维(14)的上下两端固定。

3.根据权利要求2所述的用于湖库水体原位治理的移动式碳纤维生物膜净化系统，其特征在于：所述单束碳纤维(14)的材料为酚醛基活性碳纤维、聚丙烯腈基活性碳纤维、黏胶基活性碳纤维、沥青基活性碳纤维中任意一种。

4.根据权利要求2所述的用于湖库水体原位治理的移动式碳纤维生物膜净化系统，其特征在于：所述单束碳纤维(14)构型为刷子型、水草型、蜈蚣型、条带型中任意一种。

5.根据权利要求2所述的用于湖库水体原位治理的移动式碳纤维生物膜净化系统，其特征在于：所述单束碳纤维(14)的长度为50～100cm；相邻两束碳纤维之间的间距为20～50cm。

6.根据权利要求1所述的用于湖库水体原位治理的移动式碳纤维生物膜净化系统，其特征在于：水体净化之前，首先将碳纤维生物膜净化装置(1)中的碳纤维在特定微生物菌剂培养液中进行预挂膜，直至碳纤维上生物膜成熟。

7.根据权利要求1所述的用于湖库水体原位治理的移动式碳纤维生物膜净化系统，其特征在于：所述可移动漂浮平台(4)的外观形状为长方形、正方形、圆形或三角形中的任意一种，并可多组拼装。

8.根据权利要求1所述的用于湖库水体原位治理的移动式碳纤维生物膜净化系统，其特征在于：所述微纳米曝气装置(2)位于碳纤维生物膜净化装置(1)正下方，用于为好氧微生物代谢和繁殖提供充足氧气，微纳米曝气装置(2)包括空压机、输气管和曝气管，空压机置于可移动漂浮平台(4)的船舱内部，空压机的出气口通过输气管与曝气管连通，曝气管置于碳纤维生物膜净化装置(1)底部，曝气管上设置有若干微纳米级的曝气孔，通过调节空压机的曝气量和曝气时间，使碳纤维生物膜附近的溶解氧保持在6.0～9.0mg/L之间。

9.根据权利要求1所述的用于湖库水体原位治理的移动式碳纤维生物膜净化系统，其特征在于：所述水质在线监测装置(3)中包括水温、溶解氧、pH、氧化还原电位、总氮、总磷水质监测探头。

10.根据权利要求1所述的用于湖库水体原位治理的移动式碳纤维生物膜净化系统，其特征在于：所述微纳米曝气装置(2)、水质在线监测装置(3)、自主导航装置(5)和动力推进装置(6)通过充电蓄电池、太阳能电池、柴油发电机中任意一种获得电力。

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