新型生態浮島及使用該生態浮島的水體修複方法與流程

2023-07-23 14:07:03

本發明涉及一種新型生態浮島及使用該生態浮島的水體修複方法。

背景技術：

隨著經濟的發展，湖泊等水體富營養化是當今世界面臨的重大環境問題。湖庫水體營養化使水質惡化，誘發「水質性」缺水危機，降低水資源綜合利用效率和安全供水保障能力。對於富營養化的水體，各國家和地區採用不同的物理、化學、生物方法進行治理，在一定程度上修復了營養化的水體。研究表明，生態修複方法得到了普遍的認可。人工浮島作為水體原位修復技術中的一種，相比於其它的生物修復技術有顯著的優點。浮島利用植物吸收作用和微生物的淨化作用修復水體，對富營養化水質的有較好的淨化作用。

已知，研究人員研發了新型曝氣填料浮島，該浮島主要依靠填料的生物膜淨化，不依賴植物，管理方便，提高了浮島的淨化效果。另外，研究人員還研究了湖泊水體營養物質的移出方法和裝置，該裝置包括浮床，浮床中間有槽形水流渠道；浮床在水體中行走時，水流從渠道穿過，通過向水流中投放加絮凝劑、攪拌、形成絮體，通過磁分離系統進行吸附絮體，並清除。

然而，目前在治理水體富營養化的方法中，存在運行維護複雜、處理工藝繁瑣、節能性差、成本較高、不能持續有效的問題，因而難於實現低價低碳持續高效、廣譜、生態治汙。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明提供一種新型生態浮島，所述生態浮島包括：

曝氣浮體裝置、載置於所述曝氣浮體裝置的上方的動力裝置、與所述曝氣浮體裝置相連接的水體輸送裝置以及與所述水體輸送裝置相連接的營養分解吸收裝置，其中，所述曝氣浮體裝置包括設有縮頸部的曝氣單元。

作為一種改進所述曝氣浮體裝置包括多個所述曝氣單元，多個所述曝氣單元通過連接形成氣體通路和水路通路，所述曝氣單元包括用於提供浮力的浮體。

作為一種改進，所述縮頸部的橫截面面積自下而上逐漸變小。

作為一種改進，所述水體輸送裝置包括進水延長管和出水延長管的水路管網，所述進水延長管的管口和所述出水延長管的管口設置在需要修復的水體位置。

作為一種改進，所述曝氣單元還包括設有排液插件的排液部，所述排液插件具有多個獨立空間。

作為一種改進，所述多個獨立空間由經過橫截面中心的多條線分隔而成、或者由兩組平行線相互交叉分隔形成。

本發明提供了一種使用本發明的生態浮島的水體修複方法，所述水體修複方法包括：

曝氣增氧步驟，通過曝氣浮體裝置進行曝氣增氧處理；

造流步驟，將需要修復的水體通過包括進水延長管和出水延長管的水體輸送裝置提升進入所述曝氣浮體裝置，使所述進水延長管的管口與所述出水延長管的管口之間的水域水體形成約束的對流，以實現造流；

水體營養物質分解吸收步驟，通過水體輸送裝置將所述曝氣浮體裝置處理後的水體輸送至營養分解吸收裝置中，所述營養分解吸收裝置包括使用綠植對該水體的營養物質進行分解、吸收；

水體修復步驟，將經綠植分解、吸收之後的水體再輸送至需要修復的水體，實現進出水分離的水體定點修復。

作為一種改進，所述曝氣浮體單元和所述營養分解吸收裝置通過所述水體輸送裝置來輸送水體。

作為一種改進，，所述水體輸送裝置的水路管網中的管路包括通過多個所述曝氣單元在立體空間的多個方向上相互組合而形成的水路通路。

作為一種改進通過動力裝置為所述曝氣浮體裝置的曝氣增氧過程提供動力，所述曝氣浮體裝置內部和外界水體之間形成水位差為所述水體輸送裝置的水體輸送過程提供動力。

本發明的有益效果是：

(1)本發明的生態浮島具有造流、增氧、營養物質分解吸收、定點修復的功能，能夠以太陽能及風能為動力，適用於湖泊、水庫及大型河道的水體修復；

(2)本發明的生態浮島為組合式安裝，方便快捷，可按照現場要求，組合為多種形式及結構；

(3)本發明的生態浮島因組合而形成能氣體通路和水路通路，能夠以微小動力實現區域水域的增氧、造流及定點修復；

(4)本發明處理單位水量所需的動力小，所需的太陽能板面積更小，便於開發大規模水域水體治理裝置。同等功率下處理水量大，具有節能效果；

(5)本發明的內部結構，有利於水中的硫化氫、氨氣等有毒有害氣體排出，能夠調節水體中的溶解氣體平衡，並提高氣體溶解效率和供氧效率；

(6)本發明可作為具有曝氣功能的浮體使用，可用於建設浮動式碼頭、水面電站等，使水面工程建築具有水體修復的功能。

附圖說明

圖1為示出了本發明的新型生態浮島的立體示意圖。

圖2為示出了本發明的太陽能曝氣浮島的剖面立體示意圖。

圖3為第一實施方式的曝氣單元的內部結構示意圖。

圖4為第一實施方式的曝氣單元的立體示意圖。

圖5為第二實施方式的曝氣單元的內部結構示意圖。

圖6為第二實施方式的曝氣單元的立體示意圖。

圖7為本發明的曝氣單元的排液插件的截面示意圖，其中，圖7的(a)為排液插件的第一種形式的圓形截面，圖7的(b)為排液插件的第二種形式的圓形截面，圖7的(c)為排液插件的第一種形式的多邊形截面，圖7的(d)為排液插件的第二種形式的多邊形截面。

圖中，1.新型生態浮島；2.曝氣浮體裝置；3.營養分解吸收裝置；4.動力裝置；5.水體輸送裝置；6.延長管；7.太陽能電池板；8.風力發電機；9.控制櫃；10.氣體供給部；21.曝氣單元；22.進水口；23.進氣口；24.曝氣部；25.縮頸部；26.排液部；27.橫管；28.排氣口；29.集水管；30.出水口；31.浮體；61.進水延長管；62.出水延長管；111a.上部陽面鑲嵌；111b.上部陰面鑲嵌孔；112a、113a、114a、211a、212a、213a、214a、215a、216a、217a、218a陽面嵌套；112b、113b、114b、211b、212b、213b、214b、215b、216b、217b、218b陰面嵌套孔；221a.上側橫向陽面嵌套；222a.下側橫向陽面嵌套；221b.上側橫向陰面嵌套孔；222b.下側橫向陰面嵌套孔。

具體實施方式

以下將參照圖1至圖7對本發明進行詳細說明。

實施例1

如圖1所示，本發明的新型生態浮島1包括曝氣浮體裝置2、載置於曝氣浮體裝置2的上方的動力裝置4、與曝氣浮體裝置2相連接的水體輸送裝置5以及與水體輸送裝置5相連接的營養分解吸收裝置3。其中，曝氣浮體裝置2包括曝氣單元21，並且曝氣浮體裝置2包括多個曝氣單元21，該多個曝氣單元21通過管路嵌套的方式組合一起，由此形成了水路通路和氣體通路；動力裝置4包括包括載置於曝氣浮體裝置2的上方的太陽能電池板7、風力發電機8、控制櫃9，動力裝置4為曝氣浮體裝置2的曝氣增氧過程提供動力。另外，複數個曝氣浮體裝置2構成的浮島可以直接作為太陽能電池板7和風力發電機8的水上支撐平臺，由於曝氣浮體裝置2包括用於提供浮力的浮體31，因此，無需額外配備浮體，太陽能電池板7和風力發電機8用於水面發電，電力通過控制櫃9用於生態浮島對水體的修復過程；水體輸送裝置5包括與曝氣單元21相連通的進水延長管61以及與曝氣單元21相連通的出水延長管62，水體輸送裝置5包括水路管網，該水路管網包括進水延長管61和出水延伸管62，並且該水路管網是由橫向、縱向或其它方向的多個管例如以嵌套的方式連接在一起而形成的，由此實現無縫對接。另外，多個曝氣單元21之間相互連接形成水路通路和氣體通路。本發明的新型生態浮島1利用水體輸送裝置5實現定點修復，並且將水體底層的含有營養物質的水體、即需要修復的水體經曝氣單元21增氧之後輸送至營養分解吸收裝置3、即水面綠植的根部，使綠植對營養物質進行分解、吸收。在本實施方式中，生態浮島1可以為太陽能曝氣浮島或風光互補曝氣浮島等。

圖2為太陽能曝氣浮島的剖面立體示意圖。以太陽能曝氣浮島為例對本發明的生態浮島1進行詳細說明。如圖2所示，太陽能曝氣浮島1包括曝氣浮體裝置2、即由多個曝氣單元21組合式連接在一起的組合式曝氣單元，在組合式曝氣單元的上表面設有太陽能電池板7以及與曝氣單元21的進氣口23連接的氣體供給部10，該氣體供給部10為風機或空氣壓縮機等，在組合式曝氣單元的內部包括曝氣管路以及通過連接形成的水路通路和氣體通路，組合式曝氣單元與位於組合式曝氣單元的外部的水體輸送裝置5相連通。另外，曝氣單元21包括用於給整個曝氣單元21提供浮力的浮體31，因此，組合式曝氣單元能夠浮在水面。在本實施方式中，太陽能曝氣浮島1包括營養分解吸收裝置3，營養分解吸收裝置3可以設置在組合式曝氣單元之間、即曝氣浮體裝置2的內部或者設置在曝氣浮體裝置2的內部，並且營養分解吸收裝置3可以是水培裝置或者懸掛於水路管網的諸如人工草等的纖維填料，還可以是其它類型的營養吸收裝置。另外，太陽能電池板7能夠水面發電，並將電力用於曝氣單元21的曝氣造流過程以及用於對營養分解吸收裝置3的供水。控制櫃9通過對進水管和出水管與延長管6的進出位置及深度的設置，曝氣浮體裝置2的內部和外界水體之間形成水位差為水體輸送裝置5的水體輸送過程提供動力，進而推動水域內水體的流動，改善水體橫向及縱向的擴散與對流，最終實現深層或表層的水體定點修復。

第一實施方式

以下單向方型曝氣單元為示例，對本發明的生態浮島進行詳細說明。如圖3、圖4和圖7所示，與傳統的圓形橫截面不同，在第一實施方式中，曝氣單元21的橫截面為四邊形，例如矩形。曝氣單元21包括：進水口22，其位於曝氣單元21下部的一側面；進氣口23，其位於進水口22的上方，並且該進氣口23通過氣體分配器與風機相連；曝氣部24，其位於進氣口23的上方並與進氣口23連接，並且該曝氣部24設置有曝氣器；縮頸部25，位於曝氣部24的上側，並且該縮頸部25的橫截面面積自下而上逐漸變小；排液部26，其位於縮頸部25的上方，並且該排液部26設置有排液插件；排液插件的內部具有多個獨立空間，從排液插件的橫截面來看，該多個獨立空間例如由經過橫截面中心的多條線分隔而成、或者由兩組平行線相互交叉分隔形成，該橫截面例如為圓形、多邊形等，具體參見圖7，這些形式的截面僅用於說明，而不能理解為對排液插件的截面的限制，由此排液插件能夠增強氣泡與氣泡之間相互擠壓，並減小氣泡與氣泡之間的間隔以便於排液；具有該這結構的排液插件使氣泡在固定路徑上升，氣泡上升的速度增加，並且有利於有效提高水中的氧氣溶解度；橫管27，其與排氣口28連通，並且該橫管27用於將氣泡輸送至集水管29；排氣口28，其位於該曝氣單元21的上端面，並且該排氣口28用於排出氣體；集水管29，其位於排氣口28的下方，在集水管29中匯集了氣泡以及連同隨氣泡運動的液體，在重力作用下形成氣液分離；出水口30，其將集水管29中分離出的液體排出；以及浮體(在本實施方式中為浮筒部)31，其用於提供該曝氣單元21的水面浮力，該浮筒部31的橫截面形狀可以為圓形、方形或者不規則形狀並且由實心或空心的輕質材料構成。

多個曝氣單元或者多個組合式曝氣單元通過連接形成曝氣浮體裝置2。通過曝氣單元21在例如10-50cm的水深處曝氣，能夠使出水口30和進水口22之間的水域水體形成對流。具體地，曝氣浮體裝置2的進水管口和出水管口分別連接橫向、縱向或其它方向的延長管6，延長管6包括進水延長管61和出水延長管62，具體地，橫向延長管的長度為例如20-30m，而縱向延伸管的長度為例如20-50m，由此實現區域內的定點修復，從而改善大面積的水體。此外，進水延長管61的管口和出水延伸管62的管口均設置在水體中需要修復水體的位置，例如遠離或靠近曝氣浮體裝置2的進水口22和出水口30的位置。當曝氣單元21曝氣時，帶動水體從集水管29排出，由此在集水管29和外界水體之間形成水位差，利用重力和大氣壓力將深處或遠處的水體(即，需要修復的水體)自動地吸入曝氣單元21，實現了深處或遠處的水體曝氣過程，使進水延長管61的管口與出水延長管62的管口之間形成約束的對流，即利用微小動力來區域內的水體增氧、造流及定點修復水體。因此，節能化實現了水體定點修復。應注意，多個曝氣單元21的連接方式例如在進水口22處沿進水口的中心軸線方向形成進水管路。另外，多個曝氣單元21例如沿進氣口23的中心軸線方向連接，由進氣口23連接成完整氣體通路，其中，進氣通路中設置有曝氣管。在上述連接方式中，多個曝氣單元21同樣地沿出水口30的中心軸線方向形成排氣管路。綜上，多個曝氣單元1通過進氣口3、進水口2、出水口10在立體空間的多個方向上進行組合，形成氣體通路、水路通路，由此形成具有水路通路和氣體通路的模塊化浮體曝氣裝置。另外，本發明的曝氣單元1包括用於提供浮體的浮體11，在使用中無需額外提供浮體，由此提高了節能性。

另外，為了多個曝氣單元21之間的連接，曝氣單元21還在左右兩側中一側設有上部陽面鑲嵌111a，而在另一側設有上部陰面鑲嵌孔111b(在本實施方式中，在左側設有上部陽面鑲嵌111a，而在右側設有上部陰面鑲嵌孔111b)。然而，也可以在左側設有上部陰面鑲嵌孔111b，而在右側設有上部陽面鑲嵌111a。在出水口30的第一外表面側設有陽面鑲嵌112a或陰面鑲嵌孔112b，而在出水口30的第二外表面側設有陰面鑲嵌孔112b或陽面鑲嵌112a。同樣地，在進水口22的第一外表面側設有陽面鑲嵌113a或陰面鑲嵌孔113b，而在進水口22的第二外表面側設有陰面鑲嵌孔113b或陽面鑲嵌113a。同樣地，在進氣口23的第一外表面側設有陽面鑲嵌114a或陰面鑲嵌孔114b，而在進氣口23的第二外表面側設有陰面鑲嵌孔114b或陽面鑲嵌114a。通過上述陽面嵌套和上述陰面嵌套孔例如以嵌套的方式進行連接以實現無縫連接。

在本實施方式中，在進水管路、出水管路、進水延長管61、出水延長管62以及氣體通路中，各管之間以嵌套的方式連接。應注意，多個曝氣單元21還可以根據需要而使用其它的連接方式。不同連接方式形成的曝氣浮體裝置2內部的進水管路和出水管路，而與曝氣浮體裝置2的進水口22和出水口30相連通的進水延長管61和出水延長管62進一步形成水路管網，由此形成水體輸送裝置5。

另外，在發明中，曝氣單元21設置有如圖3、圖4和圖7所示縮頸部25，該縮頸部25與設置有排液插件的排液部26連通，並且該縮頸部25提高了排液效果。當混合氣液經過縮頸部25時，氣泡和水之間處於高含氣率狀態，氣泡之間相互擠壓，可以迅速減小氣泡之間液膜厚度，提高氣液之間的傳質速度，同時通過調節曝氣單元21與外界水體之間的水位差來調整出水量。具體地，當曝氣管中氣泡上升時，氣泡連同隨其上升的液體上升至縮頸部上端，經由橫管27進入集水管29，例如硫化氫、氨氣、氧氣等的氣體通過氣體分配機處理之後，硫化氫、氨氣等經由排氣口28排出，曝氣後的富氧水因重力作用而下降至出水口30，並通過出水管路排至水體厭氧層或其它需要修復的水體位置，對該水體進行修復，控制和消減水體的內生汙染源。由於縮頸部25，使混合氣液的通過面積變小，在氣泡和水處於排液狀態時，減少了氣泡周圍尚未進行充分氣液傳質的液體的量，提高了曝氣之後液體內的氧氣的溶解濃度。因此，本發明的內部結構，有利於水中的硫化氫、氨氣等有毒有害氣體排出，能夠調節水體中的溶解氣體平衡，並提高氣體溶解效率和高供氧效率。

應注意，在第一實施方式中，進氣口23和出水口30以中心軸線相互平行的方式設置，而進氣口23與進水口22以中心軸線相互垂直的方式設置。另外，在曝氣單元21內氣體和水體的輸送都是單向的。

第二實施方式

在第二實施方式中，以設有進氣口23和進水口22的外表面的一側稱為第一外表面側，而與第一外表面側相反的一側的外表面側稱為第二外表面側。另外，與第一實施方式相同的組件或部件以相同的附圖標記表示。省略了與第一實施方式相同的部分的說明。

與第一實施方式的區別在於，在第二實施方式的曝氣單元21中，如圖5、圖6和圖7所示，曝氣單元21的結構相對於紙面左右方向對稱，進水口22和進氣口23以中心軸線平行的方式設置在曝氣單元21的下部的外表面上，由此氣體和水體的輸出方向是雙向的，即，輸出路徑為兩種。與第一實施方式中的縮頸部不同，第二實施方式的縮頸部25可以根據使用條件而進行對應調整，例如縮頸部25的截面形狀可以為矩形、圓形或其它形狀，具體參見圖7。一方面，曝氣單元21的四個角部在第一側外表面設有四個陽面嵌套211a、212a、213a、214a，兩個出水口30在第一側外表面側均設有陽面嵌套215a、216a，並且進氣口23和進水口22在第一側外表面側同樣地設有陽面嵌套217a、218a。另一方面，曝氣單元21的四個角部在與第二側外表面設有四個分別與陽面嵌套211a、212a、213a、214a相對應的陰面嵌套孔211b、212b、213b、214b，兩個出水口30在第二側外表面均設有陰面嵌套孔215b、216b，並且進氣口23和進水口22在第二側外表面同樣地設有陰面嵌套孔217b、218b。此外，在曝氣單元21的上端面和下端面均以與紙面上下方向對稱的方式設置有兩個螺栓定位孔(圖中未示出)，並且在曝氣單元21的左右兩側中一側設有上側橫向陽面嵌套221a和下側橫向陽面嵌套222a，而在另一側設有上側橫向陰面嵌套孔221b和下側橫向陰面嵌套孔222b。陽面嵌套和陰面嵌套孔以及螺栓定位孔用於多個曝氣單元21之間的連接。

應注意，上述實施方式僅用於說明本發明，本發明並非旨在以任何形式限於這些示例。

由於本發明的曝氣單元21的曝氣部24處於較淺的水深處，氣體進入曝氣單元21時克服水深壓力較小，所需動力小，例如，一千瓦時處理量為700-1000立方米，在20℃條件下進行清水實驗，試驗數據顯示出水含氧量由0ppm提升至6.6ppm，因此，相對於傳統的曝氣單元具有顯著的節能效果。

實施例2

在本發明中，具有實施例1的曝氣浮體裝置2的生態浮島與營養分解吸收裝置3連接。如圖1和圖2所示，曝氣浮體裝置2的外部設有水體輸送裝置5，水體輸送裝置5包括具有進水延長管61和出水延長管62的水路管網。利用曝氣單元21將水體底層經厭氧分解後含有大量植物營養的水提升至上層，再經過曝氣增氧之後輸送至綠植，並且提供營養分解吸收裝置3中營養液循環的動力。

本發明的新型生態浮島還包括營養分解吸收裝置3，而圖1和圖2中示出了本發明的營養分解吸收裝置3。營養分解吸收裝置3例如為平板式水培裝置，並且營養分解吸收裝置3包括與水體輸送裝置5相連接的水培板。經過曝氣浮體裝置2增氧之後的水，通過水體輸送裝置5輸送至水培板上的綠植，經過綠植對該水體吸收分解之後，再輸送至需要修復的水體中來修復水體。

本發明的新型生態浮島還包括水體輸送裝置5，圖1和圖2中示出了本發明的水體輸送裝置5布置方式，如圖1所示，水體輸送裝置5的出水管路至出水延長管62之間的水路管網設置於曝氣浮體裝置2的外部，營養分解吸收裝置3設置在該部分水路管網的上方。如圖2所示，水體輸送裝置5的出水管路至出水延長管62之間的水路管網設置於曝氣浮體裝置2的內部，曝氣浮體裝置2為框架結構，並且該部分水路管網加強了曝氣浮體裝置2的結構強度，營養分解吸收裝置3同樣設置於該部分水路管網的上方。

綜上，本發明通過曝氣浮體裝置2、營養分解吸收裝置3以及水體輸送裝置5的組合，結合風電及太陽能作為動力裝置，構成了多種結構形式的新型生態浮島1，實現了調節水體中的溶解氣體的平衡，吸收分解水中的營養物質，以微小動力完成大區域的水體造流、供氧、定點修復的功能。另外，本發明處理單位水量所需的動力小，所需的太陽能板面積更小，便於開發大規模水域水體治理裝置。同等功率下處理水量大，具有節能效果。另外，本發明可作為具有曝氣功能的浮體使用，可用於建設浮動式碼頭、水面電站等，使水面工程建築具有水體修復的功能。

實施例3

本發明提供一種利用新型生態浮島的水體修複方法，該水體修複方法包括：

曝氣增氧步驟，通過生態浮島中的曝氣浮體裝置及動力裝置將水體底層的水吸入，經過曝氣浮體裝置進行曝氣增氧處理；

造流步驟，將水中需要修復的水體通過包括進水延長管和出水延長管的水體輸送裝置提升進入所述曝氣浮體裝置，使所述進水延長管的管口與所述出水延長管的管口之間的水域水體形成約束的對流，以實現造流；

水體營養物質分解吸收步驟，將曝氣浮體裝置處理後的水供給至營養分解吸收裝置，該營養分解吸收裝置包括使用綠植對水體的營養物質進行分解和吸收。

水體修復步驟，將經過營養分解吸收裝置中的綠植吸收營養物質之後的水體通過水體輸送裝置輸送至需要修復的水體中，以實現進出水分離的水體定點修復；

需要說明的是，本發明的營養分解吸收裝置也可以獨立使用對水體進行修復，並且還可以配合其他設備。應注意，上述實施例僅用於說明。

以上所述的僅是本發明的實施方式，在此應當指出，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明創造構思的前提下，還可以做出改進，但這些均屬於本發明的保護範圍。