一種利用自然風能提水促進水體流動和曝氣充氧的方法
2023-05-28 16:53:46
專利名稱：一種利用自然風能提水促進水體流動和曝氣充氧的方法
技術領域：
本發明涉及水環境改善與水生態修復及清潔能源利用領域，具體地說是一種利用自然風能提水促進水體流動和曝氣充氧的方法。
背景技術：
地表水體尤其是靜止或流動性差的封閉緩流水體汙染日趨嚴重，由於匯入汙染物總量遠遠超過水環境容量，許多中小河流水體汙染嚴重，湖泊水體富營養化加劇，而城市景觀水體一般具有水域面積小、易汙染、水環境容量小、水體自淨能力低等特點，水質安全與水生態健康難以得到有效保障。人工曝氣復氧技術的研究在國外已經開展了 40多年，在水質淨化研究中佔有重要位置，在德國的Fulda河、1Te 1 tow河和Emseher河和美國密西西比河 Miimesoda碼頭附近的河道安裝曝氣設備，取得了明顯的治理效果，有效地控制了水體異味的產生和藻類的過量繁殖。為迎接1986年亞運會和1988年夏季奧運會，在韓國水縈江河口釜山港灣的快艇區域安裝了 9臺的曝氣裝置，研究表明，曝氣能夠有效地改善水縈江河口快艇區域的水質，可以增加DO、削減COD、改善透明度、消除異味。曝氣復氧技術在我國應用較少，僅在北京的清河，重慶的桃花溪、上海的上澳塘等河段採用過河道曝氣技術。水體曝氣是氣液相間的一種複雜的傳質過程，曝氣的方式和設備選擇取決於多方面的因素汙染水體水質改善的要求(如消除黑臭、改善水質、恢復生態等)、外部條件 (包括水深、流速、河道斷面形狀、周邊環境條件等)、水體功能(如航運功能、景觀功能等) 、汙染源特徵(如長期汙染負荷、衝擊汙染負荷等)等。常用的曝氣方式有鼓風曝氣、機械曝氣、射流曝氣和無泡供氧等，實際應用水體充氧設備可分為純氧曝氣系統和空氣曝氣系統， 具體包括鼓風機一微孔布氣管曝氣系統、純氧一微孔管曝氣系統、純氧一混流增氧系統、 葉輪吸氣推流式曝氣器、水下射流曝氣設備、葉輪式增氧機等，汙染水體曝氣復氧工程中充氧設備的應用一般有如下兩種形式固定式充氧站和移動式充氧平臺。上述各種人工曝氣充氧設備優缺點明顯，其優點表現在充氧效率比較高、充氧效果都比較好，但普遍存在問題是動力消耗大、設備投資比較高、技術要求比較高、管理維護比較複雜。跌水曝氣系統是人工曝氣的另外一種形式，利用水在下落過程中與空氣中的氧氣接觸而實現復氧的，具有結構簡單、造價低、能耗小、曝氣效果穩定的優點，跌水曝氣系統中，氧氣向水中轉移發生在以下過程中(1)水在空氣中下落，與氧氣接觸；(2)下落的水遇到障礙物，發生流態的變化，引起對空氣的攜帶和裹夾；(3)與水面接觸後，使水體產生擾動，提高大氣復氧能力。常見的跌水曝氣系統為水利設施中常用的洩水建築物堰、間、壩等， 也可以藉助噴泉等動力提水系統來實現。堰、閘、壩跌水曝氣系統存在的問題包括建設投資比較高、改變河流生境、難以在湖泊中實現等，故不宜以曝氣充氧作為主導功能；噴泉等動力提水跌水曝氣系統的缺點主要是動力消耗大。故減少動力消耗、提高充氧效率、穩定充氧效果是人工曝氣系統廣泛推廣應用的前提。人工水力循環技術是近年來改善河湖水體質量的一種有效的工程措施，利用工程措施，調水改善水動力條件，具體操作是在防洪安全的前提下，通過水利工程的科學調度，啟動抽水泵(站)，調活城市河湖水體，增加水量，加快循環，加大稀釋和自淨能力，利用河湖的水動力特性進行水資源調度和利用河湖本身的自淨功能與生物的淨化功能改善水質。 人工水力循環是根據水動力學基本原理，給處理水體施加動力，使水體由靜變動，實現其緩慢而均勻的流動；通過流動形成的水體交換和稀釋，使水的體外處理淨化變為可能；流動所造成的表面更新為加快大氣復氧提供了條件，有利於增強水體的自淨能力，汙染物質氧化加快，改善水生生物的生存環境。引江濟湖就是人工水力循環的一種具體形式，並正在開展研究與推廣實施。早在 2001年9月的國務院太湖水汙染防治第三次會議上，時任國務院副總理的溫家寶同志就提出了「以動治靜、以清釋汙、以豐補枯、改善水質」的指示。太湖流域管理局在2002年1月就開展引江濟太調水試驗，繼而在2002年和2003年的枯水期實施了引江濟太調水工程； 同期杭州西湖實施了引錢塘江水入西湖的引水工程，南京的玄武湖也實施了引江濟湖工程等；近年來武漢東湖、安徽巢湖先後開展了引江濟湖調水試驗研究，目前相關的研究正在實施中。但水力循環技術的理論尚不完善，目前主要強調紊流稀釋、生物氧化在處理過程中的作用，而在其它如鈍化底泥、減緩底泥釋放磷等方面的作用理論研究不夠，且人工水力循環技術充氧效率低，生物氧化效果差。如果將人工水力循環技術與跌水曝氣技術有機結合，一方面，強制循環造成的流動促使水體表面更新，增加了紊動，從而改進了氧的傳遞和擴散有利於氧的傳遞和擴散，促進了水面復氧，提高了跌水曝氣充氧效率；另一方面，經過跌水復氧後的水體，在水力循環作用下不斷地交換、稀釋，使水體自淨能力得以提高。結合水力循環和曝氣復氧技術改善水體質量的研究，目前國外鮮有報導，國內有採用跌水曝氣、 水閘洩流、活水噴池相結合進行增氧和在山區滯流水域根據河道沿程特點設計梯級橡皮壩跌水增氧以及泵間結合調水的工程示例，對於消除城市河道水質異味、惡化效果良好，幾乎沒有二次汙染。但應用於間壩建設、運行管理的投資仍然比較高，並且水壩的建設會對河流生境帶來很大的影響，且如此的水力循環與曝氣復氧技術也很難用於無法建設水壩的湖泊水體。清潔能源一風能利用最常見的兩種方式是發電和提水，我國風力提水雖有悠久的歷史，並用於農田灌溉、海水製鹽、水產養殖、灘棘改造、人畜飲水、草場改良等提水作業， 有較好的經濟效益和社會效應。目前在風力提水機組的產品品種上，我國已基本形成南方型低揚程大流水機組和北方型高揚程小流量風力提水機組兩大系列，約有十幾種產品型號的風力提水機，主要用於福建、江蘇、天津、內蒙古、河北、山東等地。我國東南沿海地區風能資源較豐富，大部分地區年平均風速為4m/s左右。為滿足農田灌溉、水產養殖和鹽場製鹽等低揚程大流量提水作業需要，低揚程風力提水裝置被開發應用，用於提取地表水，其揚程一般為0. 5 3. 0m，流量為50 100 m3/h。內陸風能資源較好的區域在中國北部，如內蒙古、甘肅、青海等地年均風速4 6m/s，3 20m/s風速年累計4000 5000h，此類地區大多為草原牧區，人口分散，難通電網，因此，高揚程小流量深井風力提水機組被用來為牧民和牲畜提供飲水或小面積草場灌溉，對於改善當地牧民的生活、生產條件具有明顯的社會意義，其揚程一般為10 146 m之間，流量為0. 5 5 m3/h。我國適合風力提水的區域遼闊、作業眾多，因此發展風力提水是彌補當前農村、牧區能源不足的有效途徑之一。但風力提水的前提是風能資源和水資源，我國東南沿海、遼東和山東半島以及海上島嶼等地區，風能資源豐富，地表水源也豐富，是我國以抽提地表東為主的最佳風力提水區；內蒙、青海、甘肅和新疆北部河谷地帶，風能資源豐富，地下水源也豐富，是我國以抽提地下水為主的較佳風力提水區。風力提水工程選址時風能資源應具備以下條件年平均風速大於等於3. 5m/s、年有效風速小時數大於3000h、盛行風向的風頻應大於40%等，故風速是風力提水工程應用的限制因子。另外風力提水機的啟動風速也至關重要，一般情況下，風力提水機的啟動需要三級風(風速為4m/s)，大部分產品需要在風速 2. 5-3 m/s時啟動。從環境保護和資源合理利用的角度出發，風力提水技術在我國具有較大的潛在市場和廣闊的發展前景，但目前風力提水行業發展存在著應用數量不多、推廣進展緩慢等問題。
發明內容
針對上述領域的發展趨勢，本發明的目的是研究一種適合我國國情的應用於河湖水環境改善與水生態修復的清潔能源利用模式，解決技術複雜、動力消耗大、運行保障難、 管理要求高等問題。本發明的目的是研發一種新型的利用風能改善水環境質量和水動力條件的風力提水方法，既可以通過簡單的地表水體提升傳輸實現水體內或水體間的水力循環的目標， 也可以通過提升水體的不同級別的自然跌水或者噴泉跌水實現曝氣充氧的目標，能夠實現水力循環技術和跌水曝氣充氧技術的有機耦合，並能在耗能最少的情況下發揮耦合技術的最大優勢。本發明為一種利用自然風能提水促進水體流動和曝氣充氧的方法，採用低啟動風速風力提水設備，將自然風能轉化為機械能提水形成落差之後以不同的跌水方式作用於受納水體，改善水生態系統的健康狀態。所述低啟動風速為1. 6-2. 0m/so所述風力提水設備為成型提水風車產品。所述提水落差為1. 0-5. 0m。所述跌水方式包括自然跌水、噴泉跌水、單級跌水和多級跌水。所述受納水體包括河流、湖泊、水庫、池塘和城市景觀水體。所述改善水生態系統的健康狀態為促進水體流動和增加水體中的溶解氧。可以通過適當的景觀設計形成一定的水體景觀，在目前人類審美疲勞的現狀下， 在水環境治理與水生態修復工程中，在質量較差的水體附近，風力提水設備對區域景觀有一定的景觀美化作用。本發明具有如下優點
1.應用領域拓展，技術功能強化。將風力提水技術從傳統領域引入水環境保護領域， 同時實現水力循環與跌水曝氣充氧兩項技術的耦合功能。2.適用範圍廣，運行時間長。由於所用風力提水設備啟動風速低，可以在風能資源較差的區域推廣應用，而且一年內的保障運行時間更長。3.運行成本低。無需油、電等任何常規能源，提水成本極低，只要有風帶動風車的風輪轉動，風車便可永無止境地將水從深淺不一的水井、湖泊、水庫、河流、池塘裡抽送到任何需要的地方。4.運行管理簡單。風力提水設備安裝簡單，易於投入使用；自動化程度高、便於維護，每年僅需為齒輪箱更換一次潤滑油；經久耐用，維修方便，在正常使用和維護下，其使用壽命超過30年。5.技術可移植性強。既可以可以用於城市河流湖庫水體水環境質量改善工程，也可以在「老、少、邊、窮」及山區農村推廣應用；既可以作為單項技術，也可以與人工溼地或岸邊帶技術結合，應用地表水體環境改善與生態修復工程。6.景觀效果美好。本發明所採用的風力提水設備均屬於景觀型產品，無疑具有較高的景觀美學價值，能夠有效提升周邊環境品質。
圖1為一種利用自然風能提水促進水體流動和曝氣充氧的方法在某小區水景工程應用的平面布置示意圖2為一種利用自然風能提水促進水體流動和曝氣充氧的方法在魚塘應用的平面
布置圖。
具體實施例方式
下面通過實施例對本發明作進一步詳細說明。實施例1
如圖1所示，武漢某小區水景工程採用風力提水設備提取河水進入小區人工溝渠和人工湖，經過循環後溢流回取水河流。取水河流的水質常年為V類，作為小區水景工程的水源；小區水景由人工河道和人工湖組成，人工溝渠和人工湖內種植有挺水植物和浮水植物， 採用生態岸坡，水面面積約20000m2，水流路徑長約2km ；風力提水設備的設計提水高度為 4m,出水的跌水高度為0. 5m。這個原本旨在營造與自然環境相協調的生態型社區的水景工程，不僅實現了建築布局與水體景觀的充分融合，而且改善了水質。通過近一年的監測結果表明，風車提水進入小區景觀水體循環後溢流出水水質優於河流的進水水質，特別在中間的人工溝渠水質有時可達到IV類，進水區的溶解氧明顯高於取水河流和出水區的溶解氧， 另外小區水體的溢流出水作為河流的補給水源水質達標。風力提水不僅實現了景觀水體的水循環，而且增加了水體的溶解氧，提高了水體的自淨能力。該風力提水設備累計運行時間超過3000h/a，運行成本不超過5000元/年。實施例2
如圖2所示，武漢東西湖某魚塘，面積約4500m2，採用風車提水改善魚塘水環境，提水風車從魚塘一邊提水輸送至另一邊，以兩級跌水的形式回流，跌水高度超過lm，增加對塘水溶解氧的補充，同時為防止短流和死角，設置了一條導流牆，促進養魚塘水體氧濃度的均勻，最終使養魚塘水體整體上有一個細微流動，同時得到外界氧源的不斷補充。經過近兩年的運行，魚塘水體質量得到明顯的改善，死魚現象大大減少，魚塘年產量增加15%左右，漁民收益相應提升。關於低啟動風速的風力提水設備，鐵人風車(武漢)有限公司生產出售的全套系列產品，可在小於二級風的1.6-2. Om/s風速實現啟動，具有風暴自動保護功能，最大提水高度400m，最大提水流量可達500m3/h。廠家信息可通過internet查詢。
權利要求
1.一種利用自然風能提水促進水體流動和曝氣充氧的方法，其特徵在於採用低啟動風速風力提水設備，將自然風能轉化為機械能提水形成落差之後以不同的跌水方式作用於受納水體，改善水生態系統的健康狀態。
2.根據權利要求1所述的利用自然風能提水促進水體流動和曝氣充氧的方法，其特徵在於所述低啟動風速為1. 6-2. Om/s。
3.根據權利要求1所述的利用自然風能提水促進水體流動和曝氣充氧的方法，其特徵在於所述所述風力提水設備為成型提水風車產品。
4.根據權利要求1所述的利用自然風能提水促進水體流動和曝氣充氧的方法，其特徵在於所述提水落差為1. 0-5. Om。
5.根據權利要求1所述的利用自然風能提水促進水體流動和曝氣充氧的方法，其特徵在於所述跌水方式包括自然跌水、噴泉跌水、單級跌水和多級跌水。
6.根據權利要求1所述的利用自然風能提水促進水體流動和曝氣充氧的方法，其特徵在於所述受納水體包括河流、湖泊、水庫、池塘和城市景觀水體。
7.根據權利要求1所述的利用自然風能提水促進水體流動和曝氣充氧的方法，其特徵在於所述改善水生態系統的健康狀態為促進水體的流動和增加水體中的溶解氧。
全文摘要
本發明為「一種利用自然風能提水促進水體流動和曝氣充氧的方法」，採用低啟動風速風力提水設備，將自然風能轉化為機械能提水形成落差之後以不同的跌水方式作用於受納水體，改善水生態系統的健康狀態。本發明既可以通過簡單的地表水體提升傳輸實現水體內或水體間的水力循環和水體流動的目標，也可以通過提升水體的不同級別的自然跌水或者噴泉跌水實現曝氣充氧的目標，能夠實現水力循環技術和跌水曝氣充氧技術的有機耦合，並能在耗能最少的情況下發揮耦合技術的最大優勢。本發明將風力提水技術從傳統領域引入水環境保護領域，具有適用範圍廣、運行時間長、運行成本低廉、運行管理簡單、技術可移植性強、景觀效果好、綜合效益好等特點。
文檔編號C02F7/00GK102167410SQ20111005241
公開日2011年8月31日 申請日期2011年3月4日 優先權日2011年3月4日
發明者葉閩, 尹煒, 李德旺, 李迎喜, 裘巧俊, 雷阿林 申請人:長江水資源保護科學研究所