CN212924578U - 一种黑臭水体的智慧梯级原位治理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于黑臭水体治理技术领域，具体提供了一种黑臭水体的智慧梯级原位治理系统，包括云平台智慧控制模块及多个单级治理模块，所述单级治理模块包括供电模块、在线监测模块、单载控制模块、专性供氧模块、兼性供氧模块、固定化微生物模块、浮动载体模块及锚固模块。通过所有单级治理模块的各在线监测模块对水体进行实时的立体的监测得到性能指标；对性能指标进行大数据的分析以及云端大数据的诊断，实时调整所有单级治理模块的曝气量，并周期性的调整单级治理模块的数量和密度以及固定化微生物模块填料种类和数量。可以高效的治理水体，且效果保证率高，占地面积减小，成本低，稳定可靠，能耗低且采用清洁能源，具有环境亲和力。

Description

一种黑臭水体的智慧梯级原位治理系统

技术领域

本实用新型属于黑臭水体治理技术领域，具体涉及一种黑臭水体的智慧梯级原位治理系统。

背景技术

水体黑臭是一种生物化学现象，当水体遭受严重有机污染时，有机物的好氧分解使水体中耗氧速率大于复氧速率，造成水体缺氧，致使有机物降解不完全、速度减缓，厌氧生物降解过程生成硫化氢、胺、氨、硫醇等发臭物质，同时形成FeS、MnS等黑色物质，使水体发生黑臭。水体黑臭是严重的水污染现象，使水体完全丧失使用功能，并影响景观以及人类生活和健康。我国黑臭水产生主要是由于大量污染物(工业、农业、生活污染等)排入及流域生态环境的破坏和不利的水文条件的改变，使得河流、湖泊水质变差，水体自净能力和河流、湖泊生态模块恢复力降低或丧失而造成的。城市黑臭水体是百姓反映强烈的水环境问题，不仅损害了城市人居环境，也严重影响城市形象。

黑臭水体治理相当复杂，是一个模块性的工程，需要有模块化、生态化和智慧化的特点。目前有很多技术存在模块化程度低、生态不够友好以及控制模块落后的问题。如专利号为ZL 200920111100.6的专利“一种城市黑臭河水的原位净化装置”，该装置使用微孔曝气管来为水体充氧，由于微孔曝气管会产生较大气泡，会产生气溶胶漂浮于空气中，从而污染环境，环境不够友好。如专利号为ZL 201510681396.5的专利“一种河湖污染水体原位修复模块”，该装置采用了投加微生物菌剂的方式来增加水体的微生物，这样存在微生物菌剂投加量大，且随水流失后需要连续不断投加的问题，运行费用巨大。同时，该装置整体裸露在外部，环境优化度很低。而且最大的问题在于该装置为单一的曝气和投加菌种的方式，且仅为单级处理，无法形成多级多维度的水域型治理，更无法达到和整个黑臭水体外部模块的协同智慧化的治理。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术中黑臭水体治理成本高且生态友好度低的问题。

为此，本实用新型提供了一种黑臭水体的智慧梯级原位治理系统，包括云平台智慧控制模块及多个单级治理模块，所述单级治理模块包括供电模块、在线监测模块、单载控制模块、专性供氧模块、兼性供氧模块、固定化微生物模块、浮动载体模块及锚固模块；

所述供电模块用于为在线监测模块、单载控制模块和专性供氧模块提供电能；所述在线监测模块用于实时监测水体的性能指标；所述单载控制模块用于接收所述云平台智慧控制模块的反馈信号控制供电模块和专性供氧模块；所述专性供氧模块用于为固定化微生物模块和水体提供氧气；所述兼性供氧模块用于为水体内的微生物和原生动物群落提供生长的载体；所述固定化微生物模块用于将高效的菌种固化在微生物固定化填料中，且通过微生物包埋的方式形成生物膜处理部分；所述浮动载体模块用于承载固定所述供电模块、在线监测模块、单载控制模块、云平台智慧控制模块、专性供氧模块、兼性供氧模块及固定化微生物模块；所述锚固模块用于将所述浮动载体模块固定于水体上。

优选地，所述供电模块同时设置移动式供电模块和固定式供电模块，移动式供电模块采用太阳能供电、风力供电或水力供电等，固定式供电模块采用预留外部固定电源接口的形式，在具备外部固定电源供电的情况下，将外部固定电源接入固定式供电模块进行供电，在不具备外部固定电源供电的情况下，则采用移动式供电模块进行供电。

优选地，所述性能指标包括COD、NH₃-N和DO的含量。

优选地，所述专性供氧模块包括微纳米发生器、连接管道和微纳米曝气管，其中微纳米曝气管位于水面以下。

优选地，所述兼性供氧模块包括挺水植物和多孔种植浮岛，所述挺水植物种植在多孔种植浮岛上，所述多孔种植浮岛采用抗紫外线型的PE材质，其由面包圈型的浮体和分体种植篮组成，为挺水植物提供生长的载体；挺水植物通过光合作用经其根系向水体供氧，同时挺水植物的根系为微生物和原生动物群落提供生长的载体。

优选地，所述固定化微生物模块采用微生物包埋多种类的专性菌种。

优选地，所述单载控制模块采用PLC进行控制。

优选地，供电模块、在线监测模块及专性供氧模块均与所述单载控制模块有线通信连接，所述单载控制模块与所述云平台智慧控制模块无线通信连接。

本实用新型的有益效果：本实用新型提供的这种黑臭水体的智慧梯级原位治理系统，包括云平台智慧控制模块及多个单级治理模块，所述单级治理模块包括供电模块、在线监测模块、单载控制模块、专性供氧模块、兼性供氧模块、固定化微生物模块、浮动载体模块及锚固模块。通过所有单级治理模块的各在线监测模块对水体进行实时的立体的监测得到性能指标；对性能指标进行大数据的分析以及云端大数据的诊断，实时调整所有单级治理模块的曝气量，并周期性的调整单级治理模块的数量和密度以及固定化微生物模块填料种类和数量。可以高效的治理水体，且效果保证率高，占地面积减小，能耗低且采用清洁能源，成本低，稳定可靠；且具有很高的环境亲和力，可以改善景观，恢复生态，绿化环境。

以下将结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

附图说明

图1是本实用新型黑臭水体的智慧梯级原位治理系统的系统组成示意图。

附图标记说明：供电模块1，在线监测模块2，单载控制模块3，云平台智慧控制模块4，专性供氧模块5，兼性供氧模块6，固定化微生物模块7，浮动载体模块8，锚固模块9。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本实用新型实施例提供了一种黑臭水体的智慧梯级原位治理系统，如图1所示，包括云平台智慧控制模块4及多个单级治理模块，所述单级治理模块包括供电模块1、在线监测模块2、单载控制模块3、专性供氧模块5、兼性供氧模块6、固定化微生物模块7、浮动载体模块8及锚固模块9；

所述供电模块1用于为在线监测模块2、单载控制模块3和专性供氧模块5提供电能；所述在线监测模块2用于实时监测水体的性能指标；所述单载控制模块3用于接收所述云平台智慧控制模块4的反馈信号控制供电模块1和专性供氧模块5；所述专性供氧模块5用于为固定化微生物模块7和水体提供氧气；所述兼性供氧模块6用于为水体内的微生物和原生动物群落提供生长的载体；所述固定化微生物模块7用于将高效的菌种固化在微生物固定化填料中，且通过微生物包埋的方式形成生物膜处理部分；所述浮动载体模块8用于承载固定所述供电模块1、在线监测模块2、单载控制模块3、云平台智慧控制模块4、专性供氧模块5、兼性供氧模块6及固定化微生物模块7；所述锚固模块9用于将所述浮动载体模块8固定于水体上。

通过智慧梯级原位治理模块来治理黑臭水体，做到治理的模块化、生态化和智慧化。通过云平台智慧控制模块4与外部的整套黑臭水体治理模块进行智慧化的协同，可以高效的、开放式的治理水体。采用多梯级、多维度的模块控制，可以根据黑臭水体的平面空间对多个单级治理模块采用面状和带状布置，形成网状空间，单级治理模块为网中的节点，根据黑臭水体不同区域污染程度来灵活布置单级治理模块的密度，以此来适应不同种类的工况。同时采用物理、植物、生物等多个维度进行处理，处理效率高，效果保证率高。模块中绝大部分的组成部分均采用植物模块，具有很高的环境亲和力，可以改善景观，恢复生态，美化环境。

优选的方案，专性供氧模块5由微纳米发生器、连接管道和微纳米曝气管组成，为固定化微生物模块7和水体提供氧气。

优选的方案，供电模块1同时设置移动式供电模块1和固定式供电模块1，移动式供电模块1采用太阳能供电、风力供电或水力供电等，这样可以适应不同的应用场景。

优选的方案，在线监测模块2根据工艺需要设置相应水质监测指标，并将监测数据实时传输至单载控制模块3中，再上传至云平台智慧控制模块4，主要的监测指标为COD、NH₃-N和DO。

优选的方案，单载控制模块3采用PLC进行控制，可以独立的对其所在的单级治理模块上的供电模块1和专性供氧模块5进行控制，同时可以并入云平台智慧控制模块4进行梯级的，区域型的联动控制。

各个模块具体的工作原理如下：

(1)供电模块1：供电模块1固定在浮动载体模块8之上，位于水面以上。同时设置移动式的供电模块和固定式的供电模块。根据不同黑臭水体周边电源的情况，如周边有满足负荷要求的电源，且河道或湖泊面积较小，适合采用固定电源供电。由岸边固定电源铺设电缆接入供电模块1预留的接线端子。大量的黑臭水体在偏远的郊区，或者河面或湖面面积较大，不适合采用固定供电方式，则采用移动式的供电模块，可以采用太阳能供电、风力发电供电、水力发电供电等，其中太阳能供电采用太阳能电池板供电，可以适应绝大多数的工况环境，风力发电供电和水力发电供电则视当地风力和水力情况而选配。

(2)在线监测模块2：在线监测模块2固定在浮动载体模块8之下，位于水面以下。根据不同黑臭水体治理的工艺需要设置相应水质监测指标，将在线监测模块2设置在单级治理模块的迎水端，用来实施监测会流经其所在单级治理模块的水质，可以在单级治理模块内进行实施调整。同时，通过单载控制模块经无线网将监测数据实时传输至云平台智慧控制模块。黑臭水体治理中主要的监测指标为COD、NH3-N、ORP、DO。

(3)单载控制模块3：单载控制模块3固定在浮动载体模块8之上，位于水面以上。采用成熟应用的PLC控制模块进行控制，可以根据其所在的单级治理模块上所带的在线监测模块2的数据进行独立的控制，主要控制通过控制供电模块1和专性供氧模块5来控制曝气量，同时可以并入云平台智慧控制模块4，以进行区域性的或流域性的联动控制。

(4)云平台智慧控制模块4：云平台智慧控制模块4位于互联网的云端，同时也在控制室设置控制中心。其由云平台和黑臭水体治理模块的控制中心组成，所有单级治理模块上的水质监测数据和运行数据通过无线网传输并存储在云平台上。一方面，采用物联网技术和智慧算法技术，通过单载控制模块对梯级治理模块中的所有单级治理模块进行模块内的智慧控制，分为单级控制、多级控制、区域控制、流域控制等层级。另一方面，通过与模块外的相关联的其他模块及大数据进行交互，如水体所有排口的在线监测数据、截污工程的实施情况、水体底泥治理情况、上下游水体的水质和流量、天气气候等数据，黑臭水体治理是一个模块性的工程，本模块采用开放式、可协同式的方式，与其他黑臭水体治理模块进行协同治理，达到最佳的治理效果。

(5)专性供氧模块5：专性供氧模块5固定在浮动载体模块8之上，由微纳米发生器、连接管道和微纳米曝气管组成。其中微纳米发生器位于水上，微纳米曝气管位于水下。采用微纳米曝气方式，气泡大小为0.1～1微米之间，这样可以避免产生气溶胶污染环境。曝气器采用盘管的形式，这样可以增加单位面积的曝气量。

(6)兼性供氧模块6：兼性供氧模块6固定在浮动载体模块8之上，同时也漂浮于水面上。其中的多孔种植浮岛采用抗紫外线型的PE材质，由面包圈型的浮体和分体种植篮组成，大小以300×300mm为宜。浮岛为挺水植物提供生长的载体，挺水植物的根系位于水下。挺水植物主要采用耐污能力强、枝叶繁茂、根系发达、抗病能力强的挺水植物，如芦苇、美人蕉、菖蒲、再力花等。通过植物根系向水体释放氧气。兼性供氧模块6和专性供氧模块5互为协同，在水体需氧量较低时，可以仅采用兼性供氧模块6进行供氧，而在水体需氧量较大或气候不适宜植物生长时，则可以采用专性供氧模块5进行供氧。兼性供氧模块6除具有供氧的功能外，同时还具备美化环境和去除水中污染物质的作用。通过植物的选配，与水体整体的景观相协调，同时可以对其他的设备进行遮挡和装饰，使装置与环境融为一体。植物通过根系可以直接从水体中吸收大量的污染物质，同时植物的根系还是微生物生长繁殖的优良载体。

(7)固定化微生物模块7：固定化微生物模块7固定在浮动载体模块8之上，位于水面以下。其为本模块中提供微生物的主要来源。采用的微生物包埋技术可以根据水体治理特点，包埋不同种类的专性菌种，如COD好氧降解菌、NH₃-N自养硝化菌、TN脱氮菌等，成为一个微生物工厂。微生物工厂主要通过利用水体的营养物质进行微生物的增殖，再将增殖的微生物释放到水体中，以此来增加水体内净化微生物的数量，而微生物工厂内包埋的微生物则仅有微量的损耗，不会有随水流损失，具有长效的治理效果。这样可以在水体土著微生物自净能力较弱的情况下，大大的增加水体的净化能力。仿植物根系填料为生物膜提供生长载体，采用在模块外预挂膜后植入需处理的水体中进行处理，该填料需要具有亲水性，易于微生物的附着。同时具有良好的韧性。

(8)浮动载体模块8：浮动载体模块8由浮筒和连接件组成，浮筒采用抗紫外线的PE材质制作，连接件采用304不锈钢材质。浮动载体模块8主要用于将上述各项子模块按照一定的工艺方案进行组合和固定，并漂浮在水面之上。

(9)锚固模块9：锚固模块9由绳索和锚栓组成，于将浮动载体模块固定于水体上的一定区域内，绳索采用304材质钢丝绳。视水体水域宽度，如水域较窄，可以采用岸边固定的方式，如水域较宽，可以采用河床固定的方式。

(10)单个单级治理模块由供电模块1、在线监测模块2、单载控制模块3、专性供氧模块5、兼性供氧模块6、固定化微生物模块7、浮动载体模块8、锚固模块9组成，形成一个处理单元，形成模块化。根据治理需要的不同，需要设置多个单级治理模块，与云平台智慧控制模块一起组成整个智能梯级原位治理模块。

(11)通过所有单级治理模块的在线监测模块对水体进行实时的立体的监测，通过大量监测数据的分析以及云端大数据的诊断，采用物联网技术和智慧算法技术，实时调整所有单级治理模块的曝气量，周期性的调整单级治理模块的数量和密度以及固定化微生物模块填料种类和数量，以达到多维度、梯级式的对黑臭水体进行治理。

本实用新型实施例还提供了一种黑臭水体的智慧梯级原位治理方法，包括以下步骤：

S1：通过所有单级治理模块的各在线监测模块对水体进行实时的立体的监测得到性能指标；

S2：对性能指标进行大数据的分析以及云端大数据的诊断，实时调整所有单级治理模块的曝气量，并周期性的调整单级治理模块的数量和密度以及固定化微生物模块填料种类和数量。

本实用新型的有益效果如下：

(1)本黑臭水体的智慧梯级原位治理模块治理黑臭水体做到了模块化、生态化和智慧化，在通过云平台智慧控制模块与外部的整套黑臭水体治理模块进行智慧化的协同，可以高效的治理水体，达到地表Ⅲ类水和地表Ⅱ类水的水质。

(2)采用了多梯级、多维度的模块控制：可以根据黑臭水体的平面空间对多个单级治理模块采用面状和带状布置，其中湖面采用面状布置，河流采用带状布置，均可以形成网状空间，同时根据黑臭水体不同区域污染程度来灵活布置单级治理模块的密度。并且涉及到物理、植物、生物等多个维度，处理效率高，效果保证率高。

(3)占地面积减小：模块中90％以上的组成部分均采用环境亲和力高的植物模块，可以结合水体水景和水岸线的绿化构建来同步协同实施，基本不需要额外占用土地。

(4)能耗低且采用清洁能源：整个模块仅微纳米曝气有少量的耗电，且模块采用太阳能供电、风力供电和水力供电等方式，为清洁能源，同时无需投加任何药剂，这对于维护和运行费用将大大的节省。

(5)投资省：模块中无大型的设备和建构筑物，投资较省。

(6)运行维护费用低：仅需对植物进行一定的修整和维护，基本没有运行维护费用。

(7)稳定性好：设置了多梯级、多维度的模块控制，形成了网状的治理模块，同时采用了模块化设计，可以根据实时的水质情况动态模块化的调整单级治理模块的布置形式、密度、曝气强度、填料种类和数量等，以达到对水体的动态适应。

(8)环境友好型：模块中采用的曝气模块为微纳米曝气模块，不会产生气溶胶污染环境。模块中绝大部分的组成部分均采用植物模块，具有很高的环境亲和力，可以改善景观，恢复生态，绿化环境。

以上例举仅仅是对本实用新型的举例说明，并不构成对本实用新型的保护范围的限制，凡是与本实用新型相同或相似的设计均属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种黑臭水体的智慧梯级原位治理系统，其特征在于：包括云平台智慧控制模块及多个单级治理模块，所述单级治理模块包括供电模块、在线监测模块、单载控制模块、专性供氧模块、兼性供氧模块、固定化微生物模块、浮动载体模块及锚固模块；

所述供电模块用于为在线监测模块、单载控制模块和专性供氧模块提供电能；所述在线监测模块用于实时监测水体的性能指标；所述单载控制模块用于接收所述云平台智慧控制模块的反馈信号控制供电模块和专性供氧模块；所述专性供氧模块用于为固定化微生物模块和水体提供氧气；所述兼性供氧模块用于为水体内的微生物和原生动物群落提供生长的载体；所述固定化微生物模块用于将高效的菌种固化在微生物固定化填料中，且通过微生物包埋的方式形成生物膜处理部分；所述浮动载体模块用于承载固定所述供电模块、在线监测模块、单载控制模块、云平台智慧控制模块、专性供氧模块、兼性供氧模块及固定化微生物模块；所述锚固模块用于将所述浮动载体模块固定于水体上。

2.根据权利要求1所述的黑臭水体的智慧梯级原位治理系统，其特征在于：所述供电模块同时设置移动式供电模块和固定式供电模块，移动式供电模块采用太阳能供电、风力供电或水力供电，固定式供电模块采用预留外部固定电源接口的形式，在具备外部固定电源供电的情况下，将外部固定电源接入固定式供电模块进行供电，在不具备外部固定电源供电的情况下，则采用移动式供电模块进行供电。

3.根据权利要求1所述的黑臭水体的智慧梯级原位治理系统，其特征在于：所述性能指标包括COD、NH₃-N和DO的含量。

4.根据权利要求1所述的黑臭水体的智慧梯级原位治理系统，其特征在于：所述专性供氧模块包括微纳米发生器、连接管道和微纳米曝气管，其中微纳米曝气管位于水面以下。

5.根据权利要求1所述的黑臭水体的智慧梯级原位治理系统，其特征在于：所述兼性供氧模块包括挺水植物和多孔种植浮岛，所述挺水植物种植在多孔种植浮岛上，所述多孔种植浮岛采用抗紫外线型的PE材质，其由面包圈型的浮体和分体种植篮组成，为挺水植物提供生长的载体；挺水植物通过光合作用经其根系向水体供氧，同时挺水植物的根系为微生物和原生动物群落提供生长的载体。

6.根据权利要求1所述的黑臭水体的智慧梯级原位治理系统，其特征在于：所述固定化微生物模块采用微生物包埋多种类的专性菌种。

7.根据权利要求1所述的黑臭水体的智慧梯级原位治理系统，其特征在于：所述单载控制模块采用PLC进行控制。

8.根据权利要求1所述的黑臭水体的智慧梯级原位治理系统，其特征在于：供电模块、在线监测模块及专性供氧模块均与所述单载控制模块有线通信连接，所述单载控制模块与所述云平台智慧控制模块无线通信连接。

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