一种浮岛式污水净化系统及其控制方法与流程

本发明涉及污水净化处理领域，尤其是涉及一种浮岛式污水净化系统及其控制方法。

背景技术：

中国水资源人均占有量少，空间分布不平衡。随着中国城市化、工业化的加速，水资源的需求缺口也日益增大。在这样的背景下，污水处理行业成为新兴产业，与自来水生产、供水、排水、中水回用行业处于同等重要地位。

大规模污水回用的方向和程度受地理、气候和经济发展等因素影响，在农业生产为主的地区，农业灌溉应是水回用的主要方向，在干旱地区，像以色列，澳大利亚等地，农业灌溉和地表补充是水回用的主要方向。日本的再生水的主要用途以景观、河道用水等市政杂用为主。我国以农业为主，市区被大面积农田包围的布局使得农业灌溉用水成为我国近、远期回用水利用的主要方向。回用水用于地下回注和饮用在国外已有采用，但在我国根据现实经济条件、水资源恢复程度等因素的综合考虑，只能作为污水会用的远期目标。我国目前作为污水回用情况，大多知识个别工厂、大楼、小区内实施的中水回用及少量市政杂用水的回用。

微生物分解是治理水污染的一种重要手段，现有的培养方式通常是在水中培养床上培育目标微生物，由目标微生物来分解污染物，但是可控性较低，分解效果较难控制。

技术实现要素：

本发明主要是解决现有技术所存在的可控性较低、分解效果难以控制等的技术问题，提供一种具有较高可控性的污水净化系统及其控制方法。

本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种浮岛式污水净化系统，包括浮岛、挡板、控制器和传感单元；所述浮岛漂浮在水道中的水面上；挡板竖直设置在水道中并与水流方向垂直，挡板底部与水道底部接触，水道两侧开有容纳槽，挡板与驱动机构连接，驱动机构与控制器电连接，控制器控制驱动机构驱动挡板伸入水道或者缩回容纳槽；传感单元至少包括液位传感器，液位传感器安装在水道中并与控制器电连接。

浮岛为培养床，培育有分解污染物的微生物。挡板完全缩回容纳槽时，水道中的水流所经过的路线最短，即以最快的速度流经浮岛漂浮的区域。挡板完全伸出时，水流在水道中来回弯折。通过控制挡板的伸出深度，可以改变水流的路线长度，达到不同的净化效果。

作为优选，所述浮岛包括植土层、陶粒层、填料层和反冲洗管路，所述植土层铺设在陶粒层上方，填料层位于陶粒层下方；植土层上方种植有水生植物，填料层的内部铺设有反冲洗管路，反冲洗管路的入口连接有水泵；植土层在水面之上，陶粒层在水面之下。

水生植物生长在植土层之上，根系进入陶粒层，延伸到陶粒和陶粒之间的空隙内。根系上附着的微生物能够吸收和转化水体中的污染物，尤其是氮化合物。陶粒本身也具有可以吸附微生物的空隙，进一步扩大了微生物的生存面积。根系通过不断生长，可以穿过陶粒层进入填料层。填料采用塑料或其他轻质材料，确保整个装置的可以漂浮，让植土层在水面之上，水生植物可以获得足够的阳光来完成光合作用。反冲洗管路用于向陶粒层和填料层喷射用于清洗的水流或用于改变微生物生长环境的溶液，为微生物提供最合适的培育条件。

作为优选，所述反冲洗管路包括第一干管、第二干管和若干根支管，支管的第一端都通过三通或弯头连接到第一干管，支管的第二端都通过三通或弯头连接到第二干管，支管上开有若干个喷水孔；第一干管的第一端与第一水泵连接，第一干管的第二端通过弯头连接到支管；第二干管的第一端连接到第二水泵，第二端通过弯头连接到支管；每个喷水孔内侧都覆盖有面积大于配水孔的柔性翘片，柔性翘片一端固定在喷水孔靠近第二干管一侧，另一端自然状态下翘起。

在喷射水流或溶液时，第一水泵工作，液体从第一干管的第一端进入，然后进入支管，柔性翘片在水流推动下有更大幅度的翘起，液体从喷水孔进入填料层。此外，当外界温度较低或者较高不适宜微生物生长或生存时，可以启动第二水泵，从第二干管泵入温度高于环境温度或低于环境温度的水流，柔性翘片在水流推动下覆盖封闭喷水孔，水流经过第一干管回到升温或降温机构。此方式可以从内部直接改变浮岛温度，创造出适宜于微生物繁殖生存的环境，而且不会因为外部水流进入浮岛内部改变其他条件，同时从从第一干管出来的水流温度也仍然高于或低于环境温度，这部分热量依然可以利用，节省能源。本方案尤其适合于微生物培养的起始阶段，不论是高温环境还是低温环境都能够使微生物快速繁殖，形成足够的规模，达到所需要的分解能力。

作为优选，所述浮岛连接有升降机构，所述升降机构与控制器电连接，控制器控制升降机构带动浮岛上升或下降。

作为优选，所述传感单元还包括温度传感器，所述温度传感器安装在水面上并与控制器电连接。

作为优选，浮岛式污水净化系统还包括无线通信单元，所述无线通信单元与控制器电连接。

作为优选，所述传感单元还包括pH值传感器，所述pH值传感器安装在水面下并与控制器电连接。

控制器依据传感单元检测到的信号和无线通信单元接受到的指令来完成浮岛和挡板的控制。

一种浮岛式污水净化系统控制方法，适用于如前所述的污水净化系统，令挡板完全缩回容纳槽内时伸出度为0％，挡板完全伸出时伸出度为100％，挡板的伸出度W由以下公式确定：

$W=\frac{H}{L}\×K1+\frac{1}{T}\×K2,0\≤H\≤L,1\≤T\≤40$

式中，H为液位传感器检测到的水位高度，L为挡板高度，T为温度传感器检测到的温度；当水位高度高于挡板高度时，H的值固定为L，K1为水位比重，K2为温度比重，K1和K2之和为1。

水位高度与流量直接相关，水位越大，水流量越大，流速越快，就需要伸出挡板来延长水流的路线，使水体能够被充分净化。温度与微生物的活性直接相关，在一定范围内温度越低则活性越低，就需要伸出挡板来延长水流路线，提高水体与浮岛的接触时间，确保足够的净化效果。

作为优选，当温度传感器检测到环境温度低于1摄氏度或高于40摄氏度时，升降机构带动浮岛完全沉入水中；当温度传感器检测到环境温度回到1摄氏度至40摄氏度之间时，升降机构解除对浮岛的锁定，浮岛重新恢复到漂浮状态。

当温度过低时，微生物生存环境太差会导致浮岛失效。通常水体底部温度高于水面温度，尤其冬天结冰都是从水面开始。此时将浮岛浸入水中，使浮岛保持一定的温度，避免微生物因低温而死亡，等温度回升之后微生物依然可以保有净化能力。当温度过高时，也需要将浮岛浸入水中，防止水生植物和靠近水面的微生物因高温而死亡。

作为优选，当pH值传感器检测到水体pH值在当前主要微生物适宜酸碱度范围之外时，升降机构带动浮岛完全伸出水面。

微生物对于pH值较为敏感，如果水体pH值不适合可能会导致整个浮岛的微生物失去活性。在pH值不适合微生物生存时，将浮岛托举出水面可以防止因微生物死亡而彻底失去净化能力。等到pH值恢复到适合范围内，再重新将浮岛降落，恢复漂浮状态。

本发明带来的实质性效果是，可以改变水流与浮岛的接触时间，调整净化效果；可以创造合适的微生物培养和生存环境，有效提高浮岛对水体的净化能力，降低因为环境因素导致的微生物群落死亡。

附图说明

图1是本发明的一种挡板完全缩回容纳槽内的俯视图；

图2是本发明的一种挡板完全伸出的俯视图；

图3是本发明的一种浮岛结构示意图；

图4是本发明的一种喷水孔结构示意图；

图中：1、浮岛，2、挡板，3、容纳槽，11、植土层，12、陶粒层，13、填料层，14、第一干管，15、第二干管，16、支管，17、水生植物，161、喷水孔，162、柔性翘片。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种浮岛式污水净化系统，包括浮岛1、挡板2、控制器和传感单元；浮岛漂浮在水道中的水面上；挡板竖直设置在水道中并与水流方向垂直，挡板底部与水道底部接触，水道两侧开有容纳槽3，挡板与驱动机构连接，驱动机构与控制器电连接，控制器控制驱动机构驱动挡板伸入水道或者缩回容纳槽；传感单元包括液位传感器，液位传感器安装在水道中并与控制器电连接。

浮岛为培养床，培育有分解污染物的微生物。挡板完全缩回容纳槽时(图1)，水道中的水流所经过的路线最短，即以最快的速度流经浮岛漂浮的区域。挡板完全伸出时(图2)，水流在水道中来回弯折。通过控制挡板的伸出深度，可以改变水流的路线长度，达到不同的净化效果。

如图3所示，浮岛包括植土层11、陶粒层12、填料层13和反冲洗管路，所述植土层铺设在陶粒层上方，填料层位于陶粒层下方；植土层上方种植有水生植物17，填料层的内部铺设有反冲洗管路，反冲洗管路的入口连接有水泵；植土层在水面之上，陶粒层在水面之下。

水生植物生长在植土层之上，根系进入陶粒层，延伸到陶粒和陶粒之间的空隙内。根系上附着的微生物能够吸收和转化水体中的污染物，尤其是氮化合物。陶粒本身也具有可以吸附微生物的空隙，进一步扩大了微生物的生存面积。根系通过不断生长，可以穿过陶粒层进入填料层。填料采用塑料或其他轻质材料，确保整个装置的可以漂浮，让植土层在水面之上，水生植物可以获得足够的阳光来完成光合作用。反冲洗管路用于向陶粒层和填料层喷射用于清洗的水流或用于改变微生物生长环境的溶液，为微生物提供最合适的培育条件。

陶粒层由直径为3-4厘米的陶粒构成，陶粒层外侧包裹有孔径小于陶粒的渔网。通过渔网可以确保陶粒层保持稳定的结构，并且不影响水流通过陶粒层。

植土层厚度为5-7厘米。适当的植土层厚度可以让水生植物有良好的生长环境。

反冲洗管路包括第一干管14、第二干管15和若干根支管16，支管的第一端都通过三通或弯头连接到第一干管，支管的第二端都通过三通或弯头连接到第二干管，支管上开有若干个喷水孔161；第一干管的第一端与第一水泵连接，第一干管的第二端通过弯头连接到支管；第二干管的第一端连接到第二水泵，第二端通过弯头连接到支管；如图4所示，每个喷水孔内侧都设置有面积大于配水孔的柔性翘片162，柔性翘片一端固定在喷水孔靠近第二干管一侧，另一端自然状态下翘起。

在喷射水流或溶液时，第一水泵工作，液体从第一干管的第一端进入，然后进入支管，柔性翘片在水流推动下有更大幅度的翘起，液体从喷水孔进入填料层。此外，当外界温度较低或者较高不适宜微生物生长或生存时，可以启动第二水泵，从第二干管泵入温度高于环境温度或低于环境温度的水流，柔性翘片在水流推动下覆盖封闭喷水孔，水流经过第一干管回到升温或降温机构。此方式可以从内部直接改变浮岛温度，创造出适宜于微生物繁殖生存的环境，而且不会因为外部水流进入浮岛内部改变其他条件，同时从从第一干管出来的水流温度也仍然高于或低于环境温度，这部分热量依然可以利用，节省能源。本方案尤其适合于微生物培养的起始阶段，不论是高温环境还是低温环境都能够使微生物快速繁殖，形成足够的规模，达到所需要的分解能力。

浮岛连接有升降机构，所述升降机构与控制器电连接，控制器控制升降机构带动浮岛上升或下降。

传感单元还包括温度传感器和pH值传感器，温度传感器安装在水面上并与控制器电连接，pH值传感器安装在水面下并与控制器电连接。

污水净化系统还包括无线通信单元，无线通信单元与控制器电连接。

控制器依据传感单元检测到的信号和无线通信单元接受到的指令来完成浮岛和挡板的控制。

一种浮岛式污水净化系统控制方法，适用于如前所述的污水净化系统，令挡板完全缩回容纳槽内时伸出度为0％，挡板完全伸出时伸出度为100％，挡板的伸出度W由以下公式确定：

$W=\frac{H}{L}\×K1+\frac{1}{T}\×K2,0\≤H\≤L,1\≤T\≤40$

式中，H为液位传感器检测到的水位高度，L为挡板高度，T为温度传感器检测到的温度；当水位高度高于挡板高度时，H的值固定为L，K1为水位比重，K2为温度比重，K1和K2之和为1。

水位高度与流量直接相关，水位越大，水流量越大，流速越快，就需要伸出挡板来延长水流的路线，使水体能够被充分净化。温度与微生物的活性直接相关，在一定范围内温度越低则活性越低，就需要伸出挡板来延长水流路线，提高水体与浮岛的接触时间，确保足够的净化效果。

当温度传感器检测到环境温度低于1摄氏度或高于40摄氏度时，升降机构带动浮岛完全沉入水中；当温度传感器检测到环境温度回到1摄氏度至40摄氏度之间时，升降机构解除对浮岛的锁定，浮岛重新恢复到漂浮状态。

当温度过低时，微生物生存环境太差会导致浮岛失效。通常水体底部温度高于水面温度，尤其冬天结冰都是从水面开始。此时将浮岛浸入水中，使浮岛保持一定的温度，避免微生物因低温而死亡，等温度回升之后微生物依然可以保有净化能力。当温度过高时，也需要将浮岛浸入水中，防止水生植物和靠近水面的微生物因高温而死亡。

当pH值传感器检测到水体pH值在当前主要微生物适宜酸碱度范围之外时，升降机构带动浮岛完全伸出水面。

微生物对于pH值较为敏感，如果水体pH值不适合可能会导致整个浮岛的微生物失去活性。在pH值不适合微生物生存时，将浮岛托举出水面可以防止因微生物死亡而彻底失去净化能力。等到pH值恢复到适合范围内，再重新将浮岛降落，恢复漂浮状态。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了浮岛、挡板、控制器等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。