一种适用于水体原位净化的填料筒及其构建方法
【专利摘要】本发明涉及一种适用于水体原位净化的填料筒及其构建方法，利用廉价材料创造一个较为封闭的筒状结构(剖面可设计为圆形、矩形或蛋形等)，在其中安装塑料填料(可选择半软性或软性填料)，并可安装曝气装置和管路，然后将净化筒与水平方向成倾斜角度布设在水面以下适当深度，既可以实现将较深处的水引入筒中净化后导出至水体表面强化复氧，又可以通过封闭的筒状结构较好解决大部分曝气手段在用于浅水水体净化时效率低下的缺点。技术具有起效快，效率较高和功能多样的特点。选择施工材料上尽量选择成本低的材料实施，并采用框架结构尽量减少成本。
【专利说明】一种适用于水体原位净化的填料筒及其构建方法
【【技术领域】】
[0001]本发明涉及环保和水利工程【技术领域】，具体地说，是一种适用于水体原位净化的填料筒及其构建方法。
【【背景技术】】
[0002]近年来，在经济发展的同时，各地水体环境污染问题层出不穷，以温州为例，温瑞塘河水质及底泥污染十分严重，市区内支流水质污染仍很严重，许多二级、三级河道仍处于严重污染的状态，塘河的水污染及黑臭现象时有发生，对温州人民的生活形成很大干扰，请环保局长下河游泳之类的新闻也是名声在外。因此应对水体污染的技术也得到了许多发展，其中曝气就是一种比较有效的常用技术手段。
[0003]这是因为一方面曝气有助于去除有机污染物，消除黑臭，还能将氨氮转化为硝氮，消除对水生生物的危害；另一方面曝气能提高水体溶解氧含量，防止水生生物缺氧死亡；最后还能提高水体氧化还原电位，控制底泥内源污染释放。可以说水体复氧好处多多，但是水体复氧技术在使用过程中仍然面临很多困难，最突出的问题有如下两点:(I)能耗较高，净化效果需要持续运作来保证；(2)充氧利用效率低。
[0004]因此曝气复氧技术在逐渐得到认识和推广后，目前各国专家根据各国国情、河流水文地质和习性、进行了很多技术改进尝试和补充。当前得到较多应用的有:
[0005](I)超微气泡充氧技术
[0006]这种起源于日本的技术采用特殊设备产生极为细小的微米级气泡，具有能耗低，氧化作用强的特点，在国内外有一定应用，并取得了一定的好评。但其难以克服的最大问题在于设备过于昂贵，难以推广，且对水体改善的作用需要持续使用。
[0007](2)纯氧曝气技术
[0008]由于常规曝气技术都是采用空气作为来源，但氧气在空气中只占体积比的21%，在鼓风曝气的过程中，大量能源被消耗在将对复氧无效的氮气上，因此一些研究者开发出纯氧曝气这种技术，并投入应用。这种技术的同样实现了能耗降低的目的，但仍然无法避免设备复杂昂贵，难以推广的问题。
[0009](3)与其他技术组合的强化曝气技术
[0010]实施上复氧技术的一大作用就在于为水体中的微生物提供足够的氧气来促进代谢耗氧污染物的作用，从而实现净化。因此逐渐有研究者转向结合利用微生物来直接净化水中耗氧污染物的途径，如投加微生物菌剂、在水中增加填料等微生物生长介质，或者直接采用外置微生物净化设备来实现旁通净化。这些技术确实实现了效果提升的作用，但使用过程仍然存在一些缺点，如:投加菌剂效果不长久，易失效；直接在水中布设填料还是无法解决曝气气泡散失过快、曝气传质利用效率低的问题，特别是在浅水水体中(这一点在国内绝大多数污染水体修复中是普遍情况)；而旁通曝气净化装置则存在建设成本高，占地问题难解决的缺点。
[0011]纵观国内外研究现状，现有针对水体耗氧污染物的净化技术还远未达到完善的程度，因此还需要进一步探索改进方向。
【
【发明内容】
】
[0012]本发明的目的在于改进当前曝气净化耗氧污染物的技术，提出一种新的填料装置结构设计，使得氧气利用效率增加，净化效果得以保证，并促进水体局部循环交换。
[0013]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
[0014]一种适用于水体原位净化的填料筒，填料筒的筒状结构是底面和顶面开口，而外周面为封闭的矩形柱或圆形柱。结构主要作用一是引导水流方向从水体深层斜向上运动至水体表面，二是控制曝气气泡扩散和延长气泡在水中的停留时间。
[0015]填料筒内部的填料采用与圆柱体底面成一定夹角的悬挂方式，根据设计要求通常选择30?45度之间夹角，使得填料筒在倾斜悬挂的同时，使填料能与倾斜运动的气泡的接触面积尽可能地增大。
[0016]填料筒采用与水面成一定夹角，根据水体水深通常选择10?45度之间夹角，倾斜地悬挂在水中的安装方式。
[0017]一种适用于水体原位净化的填料筒，其构建方法为:
[0018](I)首先采用金属材料作为外周筒状结构，选择金属材料采用类似船舶建造的龙骨及肋骨框架结构作为结构支撑(肋骨间距300mm?800mm)，采用防水土工布或塑料薄膜作为蒙皮搭建出筒状结构，典型的筒状结构直径为500?2000mm，长度2?10m。当设计直径小于100mm时，也可以选择硬聚氯乙烯管材或其他塑料材料做为外层筒状结构用材。
[0019](2)在净化筒内部按照一定间距布设填料，如果采用肋骨框架结构，可以筒状结构的肋骨作为固定点在筒状结构内部悬挂弹性、半软性或软性塑料填料作为微生物生长基质；如果选用塑料管材做筒，可直接按一定间距钻孔安装填料。
[0020](3)沿框架纵向龙骨间隔(采用肋骨框架结构)或管材(采用塑料管材)内侧适当距离布设曝气头和空气管路。
[0021 ] (4)净化筒构建完成后，在以单个或多个形式组合以刚性或柔性连接形式悬挂于浮体框架之下，并注意将净化筒体以适当角度(一般建议与水面呈10?45度夹角)倾斜布设在实施水体水面以下适当深度。
[0022](5)最后在水面上方浮体平台安装鼓风机以及动力电源线及附加设备。
[0023]用作微生物生长基质的填料材料采用与常规水处理中所使用的弹性、半软性或软性填料一样的材质，通常由聚丙烯或聚乙烯制成，具有良好的生物相容性，并且耐久性好(采用防老化配方，其性能稳定，具有抗紫外线、耐高温、耐腐蚀等特点，因此在水下8年以上也能保持结构稳定)。
[0024]具体的技术方案如下:
[0025](I)先在岸上使用肋骨和龙骨先组装支撑框架结构，肋骨结构横向间距为填料筒的横剖面高度的0.8?1.8倍，使用坚韧材料作为龙骨串联肋骨结构并起到固定各个肋骨结构作用；
[0026]所述的肋骨结构的材料一般为金属材料或竹条，制作横截面为矩形、圆形或蛋形的肋骨结构，而龙骨采用未经弯折的坚韧金属条(管)或毛竹3?4根按一定间距将各个肋骨结构连接固定后形成支撑柱面的框架结构。所述的支撑框架结构，横剖面为矩形、圆形或蛋形。
[0027](2)选择普通弹性，半软性或软性绳状填料，如附图2、3所示，利用相邻肋骨结构间距形成倾斜角度30?45度悬挂的方式，利用肋骨框架条的宽度，选择悬挂2?5层填料；
[0028]根据肋骨框架数目n，得到填料块数量为η-1 ；
[0029]所述的弹性，半软性或软性绳状填料，由聚丙烯或聚乙烯制成；
[0030](3)布设曝气装置后，用薄膜材料包围覆盖框架结构表面，形成筒状结构，最后与水面浮体平台采用刚性(金属条)连接后即可布设在水中。
[0031]所述曝气装置采用常见曝气砂头或者曝气盘，如图1-3，对于横剖面为矩形的框架结构，沿净化筒纵剖面最底端，曝气装置安装在肋骨框架上，并用空气管与鼓风机连通，注意按照框架最终倾斜方向，最贴近水面的I或2个框架可不安装曝气装置，S卩从安装后的净化筒下端起，曝气头在前，填料系留下端在后，间隔布置，但最后I?2个填料块结构前可不设置曝气头。
[0032]所述的水面浮体平台具体为采用平台式结构，可采用钢条焊接后下方绑缚数个泡沫浮体使得平台连接净化筒后仍能保证鼓风机设备在水面以上。
[0033]与现有技术相比，本发明的积极效果是:
[0034](I)通常使用的曝气手段，虽然也具有一定造流效果，但是由于绝大多数的应用场合都是浅水水体(湖泊、河流)，产生的气泡多与水流方向同向，由于水体深度通常不足2米(实际上南方很多河流/湖泊曝气安装深度不足1.5米)，导致气泡很快就上升到水面，充氧效率极低。而本项发明使用的填料筒创新性的将水流方向与曝气气泡运动方向分离，曝气产生的部分造流效应被倾斜安装的筒状结构引导，使得水流斜向上方流动，从而延长了水流流程，使得气泡在散失到水面前的流程要长的多，相当于水体在好氧段的停留时间也得到了延长，从而大大提升了曝气利用效率。
[0035](2)其次在净化筒内部与气泡运动方向近乎垂直布置的填料，大大强化了微生物的生态位，附着生长的生物膜净化能力很高。
[0036](3)最后由于筒状结构的限制，使得曝气气泡在局部不宜散失，也使得在较低的曝气量下更易创造局部环境下的好氧环境，从而使得填料上的微生物膜净化效率较高，提高了净化效率。
[0037]本发明设计其中一种实施方式参照船舶建造方式，使用龙骨+肋骨+薄膜蒙皮的方式构建净化筒主体外壳结构，使得建造成本也得到较好的控制，费用较低。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0038]图1为本发明的实施例的工艺示意图一；
[0039]图2为本发明的实施例中净化筒的纵向剖面示意图；
[0040]图3为净化筒肋骨结构布置和填料悬挂方式示意图；
[0041]图4为方形净化筒横剖面图，解释龙骨和曝气装置安置方式示意图；
[0042]图5为圆形净化筒横剖面图，解释龙骨和曝气装置安置方式示意图；
[0043]图6为原型净化筒横剖面图，指采用塑料管材作为净化筒外层结构时的示意图。
[0044]附图中的标记为:1_净化筒，2-浮体，3-水面载物平台，4-鼓风机；1-1_净化筒外层覆盖气密材料，1-2-填料，1-3-曝气装置，1-4-肋骨架结构，1-5-龙骨(金属或其他坚韧性材料)。
【【具体实施方式】】
[0045]以下提供本发明一种适用于水体原位净化的填料筒及其构建应用方法的【具体实施方式】。
[0046]实施例1
[0047]由图1、图2、图3、图4组成，应用方式按图1所示。对于我国亟待修复的水体，大部分都水深较浅，因此建议使用刚性连接(如金属管材或钢条)，水面平台使用浮体支撑。步骤如下:
[0048](I)搭建框架结构。在岸上按照图3、图4所示方式组装净化填料筒。横截面为方形，因此可以采用一定宽度(如20?40cm宽)的金属条弯折成方形或矩形(长宽可设置为50?200cm之间)作为净化筒的肋骨支撑结构(图例1-4)，然后在矩形四个顶点使用坚韧金属管(或角钢)或竹子作为龙骨支撑固定结构(图例1-5)将多个金属肋骨支撑结构按照一定间距(间距设置一般按照矩形肋骨支撑框架高度的0.8?1.8倍)串联起来后用螺丝固定，形成一个类似船舶建造过程中的龙骨+肋骨的框架结构。
[0049](2)悬挂填料。参见图3、图4方式悬挂填料，可选择弹性、半软性或软性绳状填料，如图3所示利用相邻肋骨结构间距形成倾斜角度30?45度悬挂的方式，利用肋骨框架条的宽度，一般选择悬挂2?5层(图3中为3层的形式)形成填料块，填料悬挂要布满整个横截面(如图4所示)。
[0050](3)布设曝气装置。参见图3、图4示意图布置曝气装置和管路，对于横剖面为矩形的框架结构，曝气装置(图例1-3，使用常见微孔砂头或曝气盘)安装在肋骨框架上，注意按照框架最终倾斜方向，最贴近水面的I或2个框架可不安装曝气装置。
[0051](4)框架外覆盖材料安装。参见图2示意图，当净化筒主要结构安装完成后，用气密薄膜材料(处于成本，建议采用聚氯乙烯或聚丙烯材质的农用薄膜)将框架结构外周柱面缠绕覆盖数层，并粘接固定，形成限制气泡散失的完整结构，注意整体结构两头进水和出水的矩形体顶面和底面不需要覆盖薄膜材料。
[0052](5)组装水面平台部分与最终水体中安装。参见图1示意，采用角钢制成一个水面平台，下方可捆绑数个泡沫或塑料浮体提供浮力使装置整体能漂浮在水面上。采用钢条(刚性连接)或钢丝绳(柔性悬挂连接)将水面平台与矩形净化筒组装为一个整体，安装在水体中，注意钢条或钢丝绳的长度应经过计算，保证净化筒在水体中按照与水面成10?45度的倾角安装，具体倾角可根据水体深度做适当调整，净化筒较低的一端离水体底部距离一般应大于40cm以减少扰动底泥的可能，净化筒较高的一端离水面距离可调节这一端的连接长短而随意设置，最后在水面平台上安装空气来源(一般采用小功率鼓风机即可)。
[0053]实施例2
[0054]与实施例1相比的差异在于使用的净化筒采用圆柱形结构组装，材质使用金属板或塑料管材。下面介绍构建方式:
[0055](I)采用类似实施例1的方式构建龙骨-肋骨框架式结构，由由图1、图2、图3、图5组成，只是横剖面为圆形，可选择固定龙骨为3或4根，肋骨材料选择金属板卷制或选择适当管径的塑料管材直接截断适当宽度作为肋骨架，其他步骤同实施例1。
[0056](2)由由图1、图2和图6组成，方式差别在于直接使用一整根圆筒状的管材，因此不需要龙骨和覆盖薄膜，直接在塑料管材上钻孔安装填料和曝气系统。其他悬挂和水面平台(含鼓风机)与实施例1相同，不再陈述。
[0057]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种适用于水体原位净化的填料筒，其特征在于，填料筒的筒状结构是底面和顶面开口，而外周面为封闭的矩形柱或圆形柱。
2.如权利要求1所述的一种适用于水体原位净化的填料筒，其特征在于，填料筒内部的填料采用与圆柱体底面成一定夹角的悬挂方式，选择30?45度之间夹角。
3.如权利要求1所述的一种适用于水体原位净化的填料筒，其特征在于，填料筒采用与水面成一定夹角，选择10?45度之间夹角，采用倾斜地悬挂在水中的安装方式。
4.一种适用于水体原位净化的填料筒，其特征在于，其构建方法为: (1)先在岸上使用肋骨和龙骨先组装支撑框架结构，肋骨结构横向间距为填料筒的横剖面高度的0.8?1.8倍，使用坚韧材料作为龙骨串联肋骨结构并起到固定各个肋骨结构作用； (2)选择普通弹性，半软性或软性绳状填料，利用相邻肋骨结构间距形成倾斜角度30?45度悬挂的方式,利用肋骨框架条的宽度,选择悬挂2?5层填料； (3)布设曝气装置后，用薄膜材料包围覆盖框架结构表面，形成筒状结构，最后与水面浮体平台采用刚性金属条连接后即可布设在水中。
5.如权利要求4所述的一种适用于水体原位净化的填料筒，其特征在于，在所述的步骤(I)中，所述的肋骨结构的材料为金属材料或竹条，制作横截面为矩形、圆形或蛋形的肋骨结构，而龙骨采用未经弯折的坚韧金属条或毛竹3?4根按一定间距将各个肋骨结构连接固定后形成支撑柱面的框架结构。
6.如权利要求4所述的一种适用于水体原位净化的填料筒，其特征在于，在所述的步骤(I)中，所述的支撑框架结构，横剖面为矩形、圆形或蛋形。
7.如权利要求4所述的一种适用于水体原位净化的填料筒，其特征在于，在所述的步骤(2)中，所述的弹性，半软性或软性绳状填料，由聚丙烯或聚乙烯制成。
【文档编号】C02F3/12GK104402112SQ201410629034
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】邓欢欢, 葛利云, 张明华, 马斌斌, 郑文秀 申请人:温州医科大学