一种湖泊脱氮造流装置及湖泊水体脱氮造流方法与流程

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种湖泊脱氮造流装置及湖泊水体脱氮造流方法。

背景技术：

我国湖泊数量众多、类型全、分布广，湖泊的形成演化不仅受流域自然环境因素及变化的影响，而且还受人类活动的干扰。近几十年来，湖泊流域河周边地区人口增长和经济快速发展，导致大量的TN、TP、COD等污染物进入湖泊，湖泊水环境污染不断加重。湖水出现发黑、发臭、水体富营养化的现象并不鲜见。

造流复氧是针对水体交换性差，水体溶解氧较低采取的物理手段，在消除水体黑臭方面效果尤为显著，同时兼具一定的造景功能。现行造流复氧设备包括潜水推流、扬水、射流、涌泉等多种形式。

例如，公开号为CN 102701453A的中国发明专利申请文献公开了一种提高农业面源生态塘处理系统脱氮效率的造流装置，为筒状结构，底部设有气室，气室的出口处设有隔板，气室的进气口经空气输送管连接空气压缩机，造流装置的顶部连接浮筒，底部连接沉子，垂直竖立于水中并保持位置固定。该发明通过底部通入的压缩空气形成的“气弹”，造成筒内水体自下而上循环流动，将生态塘中富含硝酸盐的水体带至底部泥水界面处。在泥水界面处，附着生长的反硝化菌能够利用底泥中富含的有机物，将水相中的硝酸盐还原成氮气从水体中脱除，从而提高生态塘系统的脱氮效率。

在湖泊造流过程中，最大的问题是如何保证整个湖泊处于循环流动状态，达到“流水不腐”效果。以往的造流增氧过程中，在湖泊底部放置增氧设备，此安装方法对底泥有明显的搅动效果，导致底泥物质释放进入湖体；现阶段造流设备去除水体污染物效果有限。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有湖泊治理中，湖泊不能造流，总氮不能削减，净水设备占地面积大、投资运行费用高的问题，提出一种治理效果好，成本低，实用性强的湖泊脱氮造流装置。

一种湖泊脱氮造流装置，包括：

浮体装置，该浮体装置包括平铺于湖泊水体中且呈螺旋状分布的浮管和位于浮管下方且对应缝合在浮管上的细目网，细目网内形成与浮管螺旋方向一致的旋流通道；

布水装置，向旋流通道内沿顺时针或逆时针方向布水；

提升装置，包括隔栅和位于隔栅内的提升泵，该提升泵的出水口接入所述布水装置；

填料装置，包括硝化填料框和反硝化填料框，在旋流通道内的水流流路上以硝化填料框和反硝化填料框顺序循环间隔分布。

本发明所述循环间隔分布是指在旋流通道内的水流流路上依次分布的填料框为至少一个硝化填料框、至少一个反硝化填料框、至少一个硝化填料框、至少一个反硝化填料框，以此类推，靠近进水处为硝化填料框，靠近出水处为反硝化填料框。

提升装置将河道水体泵入旋流通道内，水体沿顺时针或逆时针方向形成旋流，解决了湖泊造流问题，循环通过硝化填料和反硝化填料处理，造流同时进行生物脱氮，硝化填料框靠近布水装置的布水出口处设置，循环设置的硝化填料和反硝化填料增强脱氮效果。

本发明去除污染物原理：

在有氧气存在时，附着在聚氨酯填料区的亚硝酸菌把氨氧化为亚硝酸盐，其次由硝酸菌再把亚硝酸盐氧化为硝酸盐。反应产物硝态氮进入竹球填料区，附着在该区的反硝化细菌利用硝酸盐(NO₃^-)作为电子传递链(ETC)的最终电子受体，来完成物质能量交换，还原产物为氮气。该过程有效去除水体总氮。

优选地，还包括用于支撑所述浮体装置的支撑架。

进一步地，所述支撑架包括位于浮管上方呈十字交叉的上层中空管和位于浮管下方呈十字交叉的下层中空管，上层中空管与下层中空管交错布置，所述上层中空管和下层中空管在中心处固定连接，所述浮管的中心处锚定于湖底。所述浮管由PVC弧形中空管首尾连接而成，连接处采用弯头以及防水胶水连接固定，整体呈螺旋状，平铺于湖面上，两端封闭处理；进一步地，PVC弧形中空管每段长度为0.5～1m。

上层中空管和下层中空管的十字交叉处均焊接固定；上下两层中空管在中心处由尼龙绳固定；所有中空管与浮管接触处由尼龙绳固定。

更进一步地，浮管上、下方各设置两根中空管。所有中空管在水平投影面上互成45°夹角。

进一步地，湖底设置固定锚，浮管中心处通过尼龙绳与固定锚连接。所述尼龙绳预留15cm，防止湖泊水位上升，导致尼龙绳崩断。

优选地，所述旋流通道底部封闭、顶部敞口，所述细目网为150～200目细目网。PVC弧形中空管组合成螺旋状之后，细目网与PVC弧形中空管缝合。150～200目细目网挂膜后不透水，细目网内形成旋流通道且底部封闭，相邻细目网之间没有水体流通。旋流通道内水体流速控制在0.01～0.02m/s。

优选地，所述布水装置包括布水主管和与布水主管连通且对应伸入旋流通道的至少一层环形通道内的布水支管。

进一步优选地，所述布水主管位于水下0.5～0.6m处，所述布水支管倾斜设置且与布水主管所在水平面之间呈45°～60°夹角，布水支管的出水口位于布水主管所在水平面下方。

进一步地，所述布水主管与布水支管管径比为2:1。布水主管与布水支管之间通过异径三通连接。

进一步地，所述布水主管沿浮管螺旋的径向布置，入口端位于最外层浮管处、另一端延伸至浮管中心处，旋流通道的每层环形通道内均设有布水支管。

每层环形通道内均设置布水支管主要具有两个作用，第一为循环设置的硝化填料框提供氧气，第二为旋流水在水流进程上补充动力。

所述提升装置靠近旋流通道的出水口处设置。间隔距离以30～40cm为佳。

所述提升装置的隔栅选取斜纹编织250目×250目～300目×300目，所用材料为不锈钢，整体大小为35×15×(70～75)cm，下方无底。

所述提升泵选取大流量低扬程离心泵1.5kW/m².h～2.2kW/m².h，控制布水管水体流速为1.5m/s～3.5m/s，布水支管流速为1.0～1.3m/s。

优选地，沿所述布水主管延伸方向的每层环形通道内均设置硝化填料框，布水主管固定于对应硝化填料框上，布水支管位于对应的硝化填料框内。

进一步地，旋流通道内的流路上以每两个硝化填料框和两个反硝化填料框的顺序间隔循环。

更进一步优选地，所述硝化填料框内为聚氨酯填料，所述反硝化填料框内为竹球，所述硝化填料框和反硝化填料框位于旋流通道内、顶部与浮管之间可拆卸连接。

硝化填料和反硝化填料均安放于直径为70～90mm的塑料飘浮球内，所述塑料飘浮球置于网框内，形成所述硝化填料框和反硝化填料框。

所述硝化填料框和反硝化填料框的网框为30～40目网框，网框顶部位于水下0.15～0.25m处、网框底端位于水下0.6～0.8m处。

所述网框的顶面设置为可开合盖。

网框与浮管之间可拆卸连接，优选通过卡扣固定，卡扣带有与浮管相匹配的弧面，卡扣与网框之间通过螺丝和垫片固定。

优选地，所述浮管外圈种植景观植物。所述景观植物选取再力花、美人蕉，3～5根每丛，10～15丛每米，增加水体景观功能。

本发明还提供一种利用所述湖泊脱氮造流装置进行湖泊水体脱氮造流的方法，包括如下步骤：

格栅初步拦截后，提升泵将湖泊底层水体打入布水装置中，布水装置向旋流通道内布水，水体在旋流通道内以顺时针或逆时针方向旋流，循环经过硝化填料框和反硝化填料框，最终由旋流出口流出，旋流出口的部分出水进入格栅内由提升泵再次打入旋流通道内。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明中提升装置出水包括湖泊底层水和造流装置内的旋流出水，可使上下水层混合，湖泊整体流动，使缺氧的死水区，变为充分扰动的活水区。

(2)本发明种植的水生植物与湖岸植物相呼应，具有景观功能。

(3)本发明在湖泊造流过程中耗能极少，可日夜运行。

(4)本发明结构简单，操作方便，成本低廉，寿命长久。

(5)本发明浮体卡槽可拆卸设计，便于运输收纳。

(6)本发明可造流同时进行生物脱氮，通过进水管布设以及循环设置的硝化填料和反硝化填料来增强脱氮效果。填料区内部分脱氮细菌进入湖泊内，加强整体的脱氮作用。

(7)本发明兜底设计，可有效防止底泥由于水体扰动造成的污染物快速释放以及水体浊度上升等问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为支撑架示意图。

图3为剖面示意图。

图4为硝化填料框及反硝化填料框的网框结构示意图。

图5为卡扣与网框连接示意图。

图中所示附图标记如下：

1-格栅 2-提升泵 3-布水主管

31-布水支管 4-螺旋浮管 5-旋流通道

6-第一组硝化填料框 7-第二组硝化填料框 8-第一组反硝化填料框

9-第二组反硝化填料框 10-支撑架 11-出水口

12-细目网 13-尼龙绳 14-固定锚

61-网框 62-卡扣 63-螺丝和垫片

101-上层空心方管 102-下层空心方管。

具体实施方式

如图1～图5所示，一种湖泊脱氮造流装置，包括提升装置、布水装置、浮体装置、填料装置和支撑架。

浮体装置包括螺栓浮管4和细目网11，螺栓浮管4平铺于水面上，呈螺旋状分布，浮管由PVC弧形中空管首尾连接而成，连接处采用弯头以及防水胶水连接固定，整体呈螺旋状，平铺于湖面上，两端封闭处理；本实施方式中，PVC弧形中空管每段长度为0.5～1m，细目网11为150～200目细目网，PVC弧形中空管组合成螺旋状之后，细目网与PVC弧形中空管缝合。150～200目细目网挂膜后不透水，细目网内形成旋流通道5且底部封闭，相邻细目网之间没有水体流通，旋流通道内水体流速控制在0.01～0.02m/s，旋流通道的旋流方向与浮管的螺旋一致，即相邻两层浮管之间为旋流通道的一层环形通道。

浮管中心处的河底上设置固定锚14，浮管的中心处与固定锚之间通过尼龙绳13连接，尼龙绳预留一段15cm，防止湖泊水位上升，导致尼龙绳崩断。

用于支撑浮管漂浮于水面的支撑架10包括浮管上方呈十字交叉的上层中空方管101和位于浮管下方呈十字交叉的下层中空方管102，上层中空方管与下层中空方管交错布置，上层中空管和下层中空管的十字交叉处均焊接固定；上下两层中空管在中心处由尼龙绳固定；所有中空管与浮管接触处由尼龙绳固定。

本实施方式中，浮管上、下方各设置两根中空方管。所有方管在水平投影面上互成45°夹角。

布水装置包括布水主管3和与布水主管3连通且对应伸入旋流通道5的至少一层环形通道内的布水支管31，本实施方式中，每层环流通道内均设置布水支管，布水主管与布水支管管径比为2:1，布水主管与布水支管之间通过异径三通连接，布水主管沿浮管螺旋的径向布置(即由最外层浮管处延伸至浮管螺旋的中心处)，入口端位于最外层浮管处、另一端延伸至浮管中心处，布水主管3位于水下0.5～0.6m处，布水支管倾斜设置且与布水主管所在水平面之间呈45°～60°夹角，布水支管的出水口位于布水主管所在水平面下方。

提升装置靠近旋流通道的出水口处设置，提升装置包括隔栅1和位于隔栅内的提升泵2，提升泵的出水口通过水管接入布水主管的入水口，隔栅选取斜纹编织250目×250目～300目×300目，所用材料为不锈钢，整体大小为35×15×(70～75)cm，下方无底。提升泵选取大流量低扬程离心泵1.5kW/m².h～2.2kW/m².h，控制布水管水体流速为1.5m/s～3.5m/s，布水支管流速为1.0～1.3m/s。

填料装置包括硝化填料框和反硝化填料框，在旋流通道内的旋流流路上以硝化填料框和反硝化填料框的顺序间隔循环布置，硝化填料框内为聚氨酯填料，反硝化填料框内为竹球，硝化填料框和反硝化填料框的结构一致，包括网框61和卡扣62，卡扣与网框之间通过螺丝和垫片63固定，网框为30～40目网框，网框顶部位于水下0.15～0.25m处、网框底端位于水下0.6～0.8m处，卡扣与浮管扣合，卡扣上带有与浮管向匹配的弧形槽，通过卡扣扣合在浮管上，悬浮于对应的水流通道内。

硝化填料和反硝化填料均安放于直径为70～90mm的塑料飘浮球内，塑料飘浮球置于网框内，形成硝化填料框和反硝化填料框。

本实施方式中，沿布水主管布置一组硝化填料框，即第一组硝化填料框6，布水主管通过尼龙绳绑定在硝化填料框上，沿布水主管每个环形通道内均设有硝化填料框，布水支管对应伸入该组硝化填料框内，与第一组硝化填料框6沿螺旋径向中心线互成90度夹角处设置第二组硝化填料框7，同样的该处每层通道内均有硝化填料框，与第二组硝化填料框7沿螺旋径向中心线互成90度夹角处设置第一组反硝化填料框8，同样的该处每层通道内均有反硝化填料框，与第一组反硝化填料框8沿螺旋径向中心线互成90度夹角处设置第二组反硝化填料框9，同样的该处每层通道内均有反硝化填料框，旋流通道的出水口11靠近该处反硝化填料框。

浮管外圈种植景观植物。景观植物选取再力花、美人蕉，3～5根每丛，10～15丛每米，增加水体景观功能。

本发明的工作方式如下：

湖水由格栅初步拦截后再由提升泵打入布水装置中，布水主管和布水支管一起向每层环形通道内布水，使水流以顺时针方向或逆时针方向(本实施方式为顺时针方向)进行旋流，打入位于内层通道内的河水在旋流过程中反复流经硝化填料框和反硝化填料框，循环处理，每次循环经布水点时由布水支管喷出的水流补充动力和溶氧，反复经过硝化和反硝化处理后由出水口排出，位于最外层通道内的依次流经两个硝化填料框和两个反硝化填料框后就由出水口排出，由于出水口与提升泵相隔较近，先排出的水由重新混入湖水中由提升泵打入造流装置中，与提升泵提升的湖底水体混合，进一步进行生化脱氮。

实施例1

采用本发明装置对绍兴市上虞区后濠湖前后治理现状：

表1

表2

后濠湖长约400m，需治理段长328m(均宽约44m，水深约2.5m)，出水口在湖面的西南角，水面整体流向为由东向西，但是流量过小，几乎处于死水状态。目前每天约有500t生活污水排入河道。

在宽阔水域内安装湖泊造流装置，将挂膜成功的硝化与反硝化填料放入网框内。造流装置整体悬浮于污染河体的底泥上方，底部最低处为水下1米。选取低扬程高流量离心泵，控制流道内流速为0.02m/s。2个月后，水质有所改善，在PVC材质外圈种植聚草、铜钱草，4根每丛，10丛每米，增加水体景观功能。

由表1可知，后濠湖氨氮、总氮等严重超标，属劣Ⅴ类水质。表2为该湖采用上述实施例治理后6个月的各指标数据，氨氮削减77％、总氮削减58.5％；溶解氧明显提高。造流装置具有明显的脱氮效果与增氧效果。

以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。