专利名称：一体化浮标式太阳能驱动造流曝气器及水体原位修复方法
技术领域：
本发明属于水处理领域，涉及对被污染水体进行修复行业中的曝气装置及其对富 营养水体的原位修复方法。
背景技术：
近年来，随着我国社会经济快速发展，水体污染物排放量逐年增加，城乡饮用水水 源地普遍受到不同程度的污染，且有加剧之势，严重威胁着人民的生命健康。我国小城镇大 多以中小型河流、湖库等地表水作为饮用水水源。因城镇工业废水、农村生活污水、生活垃 圾、畜禽养殖废物排放，农药化肥面源污染，已造成约1. 5万个小城镇水污染突出，1万多个 小城镇严重缺水，全国约78 %的城镇河段不宜作为饮用水源，城镇饮用水水源污染严重。特 别在蓝藻水华发生时节，水温在20°C以上、水体富营养化、较高的pH值、适宜的光照，使得 蓝藻大量繁殖，形成水华。时间一长，藻体大量死亡，产生大量有机物，分解散发出一股难闻 的恶臭味，污染空气，同时消耗水中溶解氧。另外，蓝藻具有细胞内毒素，当蓝藻细胞腐败分 解后，蓝藻毒素被释放到水体中，会造成鱼类大量死亡，而且蓝藻毒素是强烈的致癌物质， 直接威胁着人类的健康。现有的水源水治理技术包括原位处理和异位处理，具体包括栽种高等水生植物、 放养滤食性鱼类等生态方法；投加药剂、臭氧、紫外线和超声波杀藻等物理化学方法；引清 水稀释、底泥疏浚和人工曝气等工程措施。然而这些方法和措施中有些耗水、耗电量大，有 些时间长见效慢，有些效果不佳，存在着各自的缺点。同时现有各种人工曝气设备存在曝气 复氧功能单一、能耗高、动力损失大、难恢复污染水体自净功能、价格昂贵、设备庞大笨重等 问题，因此，需要开发一种能解决上述问题且适用于小城镇受污染水源水体修复的曝气充 氧一体化水体修复设备。目前采用人工曝气措施的工程几乎都采用日夜连续曝气的方式， 但一般白天由于浮游植物光合作用，水体中溶解氧含量较高，此时曝气充氧效果不明显，且 造成能源浪费；另一方面，根据文献报道，白天曝气复氧不但不能抑制藻类生长，相反还会 促进藻类生长，而夜间曝气则能使藻类生物量明显下降。因此，需要一种更好的小城镇受污 染水源水体修复的方法。同时，与本发明中的技术方案相比，中国专利200910047293. 8中 浮标式太阳能驱动造流曝气器的太阳能板为平置，既不利于接收阳光，降低了光能利用率， 也会造成鸟类和水禽在上面栖息，其粪便等更会覆盖太阳能板，进一步阻碍光能利用；另一 方面未加时间限制的曝气方式增加了能源需求，致使太阳能板面积必须够大才能满足供电 需求，同时其供电系统采用逆变器将直流电转变为交流电再供空压机使用，其有限的转化 效率进一步造成了能源的浪费，使装置体积庞大，不便于运输和应用；而白天富营养水体中 溶解氧充足，不需要人工曝气，反而会促进藻类生长，不能较好的达到改善水质的效果。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中问题，提供一种新型一体化浮标式太阳能驱动 造流曝气器及其原位修复水体的方法。适用于小城镇受污染水源水体的修复净化，在使用时不会产生二次污染，且其设计成能够漂浮在水面上的浮标式结构，不需占用土地面积，结 构紧凑，体积小，易于运输与安装。为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是一种新型一体化浮标式太阳能驱动造流曝气器，由太阳能电池系统、悬浮载体、导 流筒、曝气系统和定位系统组成。太阳能电池系统是设备运行的动力，悬浮载体为设备整体 提供浮力并承载太阳能电池系统，导流筒和曝气系统使水体高效充氧，定位系统避免设备 在水体中随意漂浮。太阳能电池系统的电池片铺设于悬浮载体上表面，其他部件(蓄电池、 控制器和微电脑时控开关)位于悬浮载体内；悬浮载体与导流筒一体连接；曝气系统的直 流空气泵也安装于悬浮载体内部，通过电线与太阳能电池系统相连接，曝气盘位于导流筒 内，并通过输气管与直流空气泵相连；定位系统与悬浮载体相接，其定位墩由绳索和悬浮载 体下方的定位环相接。太阳能电池系统包括太阳能电池、蓄电池、控制器和微电脑时控开关。太阳能电池 片铺设在金字塔形状的悬浮载体上，并在其表面覆上钢化玻璃。以上海地区(北纬31. 2。) 为例，载体四个侧面与底面的夹角设计为30°，底面边长为700mm。多晶硅太阳能电池片并 联构成太阳能电池后通过电线连接在控制器上。蓄电池和控制器安装于悬浮载体内。控制 器有三个输入接点和三个输出接点，通过电线分别与太阳能电池、蓄电池和微电脑时控开 关连接，控制电流只能从太阳能电池流向蓄电池，而不能逆流。载体内部还装有微电脑时控 开关，有两个输入接点和两个输出接点，分别与控制器和直流空气泵相连，控制直流空气泵 工作时间为夜间3-6小时。悬浮载体由两部分组成，中间相通，上半部份为圆柱形的空腔，直径为1000mm，高 为200mm ；下半部分为倒锥形，底面直径为750mm，高为200mm。导流筒上半部分为倒圆台形，上直径为1000mm，下直径为250mm，高为200mm，顶部 与悬浮载体连接，并设有多个出水口 ；下半部分为直径为250mm的可收缩软管，底部与曝气 盘相接，设有进水口。曝气系统包括直流空气泵、输气管和曝气盘。该直流空气泵可直接利用蓄电池中 的电能，不需要另加逆变器将直流电再转化为交流电，能提高电能利用率。该输气管为管径 DN12的塑胶管，连接直流空气泵和曝气盘。连接到两个放置在水体底部的定位墩，定位墩的 重量与悬浮在水面组件的重量相当。一种利用上述设备原位修复富营养水源水的方法1)首先测定需修复的小城镇富营养化水源水体中夜间溶解氧含量的变化；2)然后根据所测得的数据计算出该水体的耗氧速率，并确定最大耗氧速率所处时 刻T ；3)进一步设置太阳能驱动造流曝气器中的微电脑时控开关，将其工作时间设定为 T时刻前后1.5小时-3小时。4)最后将所述的太阳能驱动造流曝气器放入目标水体中，确定其安装好。由于采用了上述方案，本发明具有以下特点1、本发明采用太阳能作为能源，大大降低所需能源，只需很少的太阳能电池就可 以达到修复效果，在无二次污染的情况下有效实现驱动造流曝气充氧，有效地防治受污染 水体藻类爆发，修复水体并达到其具有自净功能。
2、本发明为浮标式结构浮在水面上，不需占用土地面积。3、本发明为一体化结构，结构紧凑，体积小，不仅易于运输与安装，而且较少需要 管理和维护。4、本发明太阳能电池部分为光滑金字塔形，能够避免鸟禽类在其上栖息，以及粪 便集落覆盖在太阳能电池上影响其接受阳光的可能，并在雨天可由雨水冲刷掉浮尘，保证 太阳能电池将太阳能转化为光能的效率。5、通过导流筒，将充氧的水输送到离设备较远的区域，使充氧水体的面积远远超 过设备的面积，实现了高效的充氧。6、采用夜间曝气的方式，不仅可以改善富营养化水体夜间溶解氧急剧下降的情 况，抑制水体缺氧导致的死亡藻细胞和其他有机物的厌氧分解，促进微生物好氧分解作用； 同时能加强水体中藻类的呼吸作用，加速其内源代谢，促进藻类死亡。
图1为新型一体化浮标式太阳能驱动造流曝气器的结构示意图。图2为新型一体化浮标式太阳能驱动造流曝气器立面尺寸图。图3为新型一体化浮标式太阳能驱动造流曝气器俯视尺寸图。图4为新型一体化浮标式太阳能驱动造流曝气器工作示意图。
具体实施例方式以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。本发明的曝气器设计为能够漂浮在水面上的浮标式设备，如图1所示，其中漂浮 在水面上的部分由支撑载体1、太阳能电池2、蓄电池3、控制器4、微电脑时控开关5、直流空 气泵6与悬浮载体圆柱空腔7组成；浸在水面以下的部分由悬浮载体倒锥空腔8、导流筒9、 曝气盘10、进气管11、定位绳索15和定位墩16组成。太阳能电池的支撑载体与悬浮载体夹 角为α (α取决于适用水体所处纬度，以便高效接受日照)，边长为700mm。设备悬浮载体 7、8为铝合金材料加工而成，7圆柱直径为1000mm，高为200mm，8倒锥底面直径为750mm，高 为200mm。蓄电池3、控制器4、微电脑时控开关5、直流空气泵6固定在支撑载体1的内部。 清洁能源多晶硅太阳能电池2是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价 值最高的部分，其作用是将太阳的辐射能转换为电能，送往蓄电池3中存储起来推动直流 空气泵6工作。蓄电池3额定电压为12V，额定电容为3.6AH。直流空气泵额定电压12V，额 定功率35W。控制器4有三个输入接点和三个输出接点，通过电线分别与太阳能电池2、蓄 电池3和微电脑时控开关5连接，控制电流只能从太阳能电池2流向蓄电池3，而不能逆流。 微电脑时控开关5有两个输入接点和两个输出接点，分别与控制器4和直流空气泵6相连， 控制直流空气泵6工作时间为夜间3-6小时。直流空气泵6可直接利用蓄电池3中的电能， 不需要另加逆变器将12V直流电再转化为220V交流电，能提高电能利用率。直流空气泵6 压缩空气通过输气管11与曝气盘10连接，输气管管径为DN12的塑胶管。导流筒上半部分 为倒圆台形，上直径为1000mm，下直径为250mm，高为200mm，顶部与悬浮载体连接，并设有 多个出水口 ；下半部分为直径为140mm的可收缩软管，底部与曝气盘相接，设有进水口。水上部分起到吸收太阳能量转化为电能并驱动直流空气泵6工作的作用。白天太阳能电池板2将太阳的辐射能转换为电能输送往蓄电池3中存储起来；夜晚直流空气泵6 利用蓄电池3中的电能工作。电能驱动直流空气泵6启动后，压缩空气通过曝气盘10释放 到水体中；释放到水体中的气泡由于浮力向上升，同时气泡中的氧气通过气泡壁溶解到水 中。气泡在上升过程中驱动充氧的水流从导流筒进水口向上流动，在导流筒9的导流作用 下，到达导流筒9顶部通过出水口向四周扩散。含较高溶解氧的水流向低溶解氧或无溶解 氧的水体流动时，进一步实现溶解氧的扩散，达到更大区域的充氧效果。同时夜间给水体曝 气充氧促进了水中藻类的内源呼吸，加速藻类代谢，从而达到防治藻类暴发的效果。为了保证设备固定在一定区域而不会无目的漂移，设备下部设置定位系统，其主 要在装置外壁设置两个定位环14 (定位环对称的设置于两侧)，通过绳索15连接到两个放 置在水体底部的定位 墩16 (定位墩的重量与设备的悬浮在水面组件的重量相当)，从而使 设备定位在一定水域范围内实现对设备的定位。一种利用上述设备原位修复小城镇富营养水源水的方法为1)首先测定需修复的小城镇富营养化水源水体中夜间溶解氧含量的变化；2)然后根据所测得的数据计算出该水体的耗氧速率，并确定最大耗氧速率所处时 刻T ；3)进一步设置太阳能驱动造流曝气器中的微电脑时控开关5，将其工作时间设定 为τ时刻前后1. 5小时；4)最后将所述的太阳能驱动造流曝气器放入目标水体中，确定其安装好。由于本发明设备采用太阳能为直流空气泵6供电，不再需要外加能源，实现了运 行成本中能耗为零。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发 明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的 一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施 例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的 保护范围之内。
权利要求
1.一种浮标式太阳能驱动造流曝气器，由太阳能电池系统、悬浮载体、导流筒、曝气系 统和定位系统组成，其特征在于所述的太阳能电池系统是设备运行的动力，所述的悬浮 载体为设备整体提供浮力并承载太阳能电池系统，所述的导流筒和曝气系统使水体高效充 氧，所述的定位系统避免设备在水体中随意漂浮；悬浮载体与导流筒一体连接；曝气系统 的直流空气泵也安装于悬浮载体内部，通过电线与太阳能电池系统相连接，曝气盘位于导 流筒内，并通过输气管与直流空气泵相连；定位系统与悬浮载体相接。
2.根据权利要求1所述的太阳能驱动造流曝气器，其特征在于所述的太阳能电池系 统包括太阳能电池、蓄电池、控制器和微电脑时控开关；该太阳能电池由多晶硅太阳能电池 片并联构成，太阳能电池通过电线连接在控制器上，太阳能电池片铺设在的悬浮载体的上 表面，并在其表面覆上钢化玻璃；蓄电池、控制器和微电脑时控开关位于悬浮载体内。
3.如权利要求2所述的太阳能驱动造流曝气器，其特征在于所述的控制器有三个输 入接点和三个输出接点，通过电线分别与太阳能电池、蓄电池和微电脑时控开关连接；控制 电流只能从太阳能电池流向蓄电池，而不能逆流；微电脑时控开关有两个输入接点和两个 输出接点，分别与控制器和直流空气泵相连。
4.如权利要求1所述的太阳能驱动造流曝气器，其特征在于所述的悬浮载体由两部 分组成，中间相通；上半部份为圆柱形的中空容器，直径为1000mm，高为300mm ；下半部分为 倒锥形，底面直径为860mm，高为200mm;载体四个侧面与底面的夹角为相同夹角α，α值与 适用水体所处纬度值一致，底面边长为700mm ；该载体呈金字塔形状。
5.跟据权利要求1所述的太阳能驱动造流曝气器，其特征在于所述的导流筒上半部 分为倒圆台形，上直径为1000mm，下直径为140mm，高为200mm，顶部与悬浮载体连接，并设 有多个出水口 ；下半部分为直径为140mm的可收缩软管，底部与曝气盘相接，设有进水口。
6.根据权利要求1所述的太阳能驱动造流曝气器，其特征在于所述的曝气系统包括 直流空气泵、输气管和曝气盘；该输气管为管径DN12的塑胶管，连接直流空气泵和曝气盘； 曝气盘位于导流筒内，并通过输气管与直流空气泵相连。
7.根据权利要求6所述的太阳能驱动造流曝气器，其特征在于所述的空气泵选用直 流空气泵。
8.根据权利要求1所述的太阳能驱动造流曝气器，其特征在于所述的定位系统包括 定位环和定位墩；在悬浮载体下部外壁设置两个定位环，通过绳索连接到两个放置在水体 底部的定位墩，定位墩的重量与悬浮在水面组件的重量相当。
9.一种使用权利要求1中的装置进行水体原位修复的方法，其特征在于包含步骤(1)测定需修复的小城镇富营养化水源水体中夜间溶解氧含量的变化；(2)根据所测得的数据计算出该水体的耗氧速率，并确定最大耗氧速率所处时刻T；(3)通过设置权利要求1中所述的太阳能驱动造流曝气器中的微电脑时控开关，设置 工作时间；(4)最后将权利要求1所述的太阳能驱动造流曝气器放入目标水体中，确定其安装好。
10.根据权利要求9中所述的方法，其特征在于所述的工作时间为T时刻前后1.5-3 小时。
全文摘要
本发明涉及一种富营养水源水原位修复设备和方法。所述设备为一体化浮标式太阳能驱动造流曝气器，其包括太阳能电池系统、悬浮载体、导流筒、曝气系统以及定位系统。太阳能电池呈金字塔形，位于悬浮载体上部，悬浮载体下部与导流筒一体连接，给装置提供浮力；载体空腔内安装有空气泵，太阳能电池位于载体上表面；曝气盘设于导流筒内底部，通过输气管与空气泵相连；导流筒上设有相应的进水口和出水口。本发明采用太阳能电池供电，在无二次污染的情况下有效实现驱动造流曝气高效充氧，防治受污染水体藻类暴发，促进水体有机物分解，修复水体实现自净功能，这种漂浮在水面上的一体化浮标式结构，不需占用土地面积，结构紧凑，体积小，易于运输与安装。
文档编号C02F7/00GK102092865SQ20101058282
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月10日 优先权日2010年12月10日
发明者孙即梁, 张亚雷, 李建华, 邓黛青, 陈雪雯 申请人:同济大学, 浙江索原机械设备有限公司