表层水体藻类与营养盐的微动力原位收集分离一体化装置的制作方法

本发明涉及水资源保护与水环境治理领域，具体是一种表层水体藻类与营养盐的微动力原位收集分离一体化装置。

背景技术：

过量营养物质(主要是氮磷)造成表层水体藻类快速生长积聚，导致湖库水体出现富营养化。目前，富营养化水体的发生程度和范围在我国仍然呈快速发展趋势，形势十分严峻。水体富营养化防治通常采用藻类控制和过量氮磷等营养物质削减相结合的方式。对藻类控制来说，常用打捞除藻、机械除藻或化学除藻等方法；过量营养物质削减则大多采用清水稀释、植物吸收净化等措施。总体来看，藻类物理防治措施耗时耗力，机械或药剂投入大，藻类收集与分离也不甚理想；过量营养物质削减通常配套建设引水工程或生态修复工程，引水工程耗资巨大，需要引调大量清水；生态修复工程耗时长，见效慢。在外源截污背景下，采用合适的工艺方法快速收集与分离水体中的氨氮和磷等营养物质，低成本将其带离湖库水体；与此同时，使富营养化水体中的藻类数量及生长态势得到有效控制，是治理河湖富营养化问题的重要努力方向。

湖库等天然富营养化水体，水域体积大，藻类易积聚于表层水体，氮磷等浓度低于工业废水或市政生活污水，不适宜抽取后在岸边用传统污水生化处理工艺净化。开展表层水体藻类与营养盐的原位收集与分离，具有不占地、机动、灵活、藻类与营养盐的去除效率高于生态修复工程、见效相对较快、受季节气候影响较小等优点。目前，国内外公开了一些富营养化水体藻类与营养盐的原位处理装置或技术，公开号为CN 105833596 A的专利公开了一种全自动船载除藻的方法及设备，采用转鼓微滤除藻机收集藻水，然后通过两个浓缩器进行脱水，形成半固相藻泥，最后借助反冲洗管路实现藻水分离。公开号为CN104817228 A的专利公开了一种用于富营养化缓流水体原位净化的太阳能动力脱氮除磷生物箱阵列，在生物箱内填充组合生物载体，通过好氧生物箱与厌氧生物箱的组合，分步实现反硝化脱氮以及生物除磷。公告号为CN 103288160 B的专利公开了一种移动式气浮平台去除富营养化水体中藻类的装置及其使用方法，通过微气泡发生器气浮分离藻类、漂浮藻类收集、超声灭藻及藻渣脱水等进行藻类收集、杀灭及分离。公告号为CN 102344190 B的专利公开了一种强化凝聚除藻并控制胞内物质释放的方法，通过高锰酸钾与铁盐的共同作用抑制藻细胞活动，提高藻细胞的沉降性能。

本发明人在实现本发明的过程中发现，现有富营养化水体藻类及营养盐原位处理装置或技术存在较大不足：(1)藻类收集与分离方面，不能针对性地收集积聚在表层水体的高密度藻类，造成后续脱水量大，藻类分离效率低；(2)富营养化水体的氮磷等营养盐浓度低，微生物脱氮除磷效率低，易受气温等环境条件影响，氮磷等营养物质的水体分离效果有限；(3)采用高锰酸钾、铁盐、超声波、微滤等方式对藻水中的藻类进行分离或杀灭，药剂消耗与能耗较高，且容易造成藻毒素污染；(4)单一除藻或去除营养盐，缺乏藻类与营养盐从表层水体中同步收集与分离的功能。湖库等富营养化水体的水面开阔，流速缓慢，表层水体藻类分布广，如何通过太阳能或岸边充电，利用蓄电池供电，原位微动力收集与分离表层水体的积聚藻类与营养盐，高效精准收集表层高密度藻水，快速沉降表层水体中的藻类与营养盐，低成本分离与回收藻类与营养盐，并将浓缩的藻类与营养盐移出湖库，将是解决天然水体富营养化的新思路，具有极大的环境、经济、社会效益和应用前景。

技术实现要素：

本发明提供一种表层水体藻类与营养盐的微动力原位收集分离一体化装置，无需将表层高密度藻水抽取到岸边处理，不必加入絮凝药剂，不需投入脱氮除磷微生物载体，不用将藻水机械浓缩，藻类和氮磷等营养盐的去除效果好，动力消耗少，运行成本低，维护简单，无化学药剂污染和固体废物产生。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种表层水体藻类与营养盐的微动力原位收集分离一体化装置，包括太阳能电池板及与太阳能电池板相连的浮体平台，其特征在于：浮体平台上搭载有表层藻水收集单元、藻水絮凝反应单元、絮凝剂备用投加单元、藻水流动控制单元、藻类与营养盐分离单元、清洁藻水排放单元、浮体平台动力驱动单元，浮体平台外的表层藻水通过表层藻水收集单元进入藻水絮凝反应单元，藻水絮凝反应单元用于电解产生活性絮凝剂与进水中的藻类和氮磷营养盐快速掺混，形成藻类絮体或颗粒沉淀，藻水流动控制单元用于将絮凝反应后的表层藻水、藻类絮体或颗粒沉淀按序进入藻类与营养盐分离单元，藻类与营养盐分离单元自下而上连续设有至少两层变径滤料，经变径滤料分离藻类与营养盐后的低藻清水进入清洁藻水排放单元排入浮体平台外部，所述絮凝剂备用投加单元用于在藻水中藻类密度或营养盐浓度过高、抑或电絮凝效率不理想时定量投放絮凝剂至藻水中，浮体平台动力驱动单元用于驱动浮体平台在水体上移动与转向。

进一步的，浮体平台采用防水、防腐和防撞高密度聚乙烯材质。

进一步的，所述表层藻水收集单元包括进水口、齿型堰槽和伸缩软管接口，进水口呈开口向上的喇叭口状，进水口边缘均匀设置齿形堰槽，伸缩软管与进水口相连，用于调整进水口高度。

进一步的，齿型堰槽的齿高约0.5-1cm，齿尖与水面相平。

进一步的，藻水絮凝反应单元与表层藻水收集单元相连，包括具有电絮凝作用的电解箱，电解箱内部设有配水板、电解絮凝用双面复合电极以及电极板支架，双面复合电极安装在电极板支架上，双面复合电极由安装在浮体平台上的蓄电池进行供电。

进一步的，双面复合电极包括三层电极板，分别为阳极、绝缘层和阴极，阳极和阴极贴附于绝缘层两侧，表层藻水收集单元吸取的藻类与营养盐通过相邻两对双面复合电极的阳极与阴极之间的缝隙，进入藻水流动控制单元，电解过程中，阳极不断消耗并释放出Al³⁺或Fe³⁺，阴极电解水生成OH-，二者之间形成具有絮凝作用的Al₃或Fe(OH)₃，快速将絮凝反应单元藻水中的藻类、氮磷营养盐形成藻类絮体和颗粒沉淀。

进一步的，藻水流动控制单元与藻水絮凝反应单元相连，藻水流动控制单元包括转刷及与转刷驱动连接的电机，电机与蓄电池相连，电机带动转刷转动，引导絮凝反应单元内的藻水、藻类絮体及营养盐沉淀按序进入藻类与营养盐分离单元，并最终通过清洁藻水排放单元外排。

进一步的，絮凝剂备用投加单元包括加药罐、加药泵、计量阀、加药管与药剂投加喷头，加药罐中预先配置的絮凝剂溶液通过加药泵、计量阀、加药管和药剂投加喷头进入藻水流动控制单元，与藻类与营养盐盐进行均匀混合。

进一步的，藻类与营养盐分离单元与藻水流动控制单元相连，内部设置有布水隔板，布水隔板均匀开孔，水隔板自下而上设有大、中、小孔隙的变径滤料，水隔板下部设有絮体收集箱，表层水体中的藻类与营养盐充分絮凝后，通过布水隔板，均匀进入位于布水隔板上面的变径滤料，自下而上连续通过大、中、小孔隙的层层过滤与拦截，促使藻类絮体与营养盐沉淀逐渐分离与沉降，进入藻类与营养盐分离单元底部的絮体收集箱。

进一步的，所述浮体平台动力驱动单元为布置在浮体平台尾部的两个螺旋桨推进器，蓄电池与螺旋桨推进器相连，通过两个螺旋桨推进器的速度差实现浮体平台的移动与转向。

由于采用了上述方案，本发明具有如下有益效果：

(1)采用浮体平台，在太阳能或岸边充电的条件下，利用蓄电池供电，将表层藻水高效收集、藻类与营养盐快速絮凝、藻水流动的准确控制、藻类与营养盐沉淀的高效分离与浓缩等一体化布置，实现了表层水体藻类与营养盐的原位微动力收集与分离，通过回用浓缩藻泥与营养盐沉淀的方式彻底移除富集于表层水体的藻类与营养盐，持续不断地清洁水体。

(2)表层藻水收集单元设置了开口向上的喇叭口式进水口、伸缩软管及专门吸取表层藻水的齿型堰槽，可根据水深利用伸缩软管调整进水口位置，并通过藻水流动控制单元与浮体平台驱动单元，调控表层藻水的吸取速度与吸取位置，确保吸取藻类聚集的表层水体，提高了后续藻类与营养盐的分离浓缩效率。

(3)电絮凝反应单元与絮凝剂备用投加单元互为补充，提供足量絮凝剂，适应不同藻类密度与营养盐浓度的表层水体的絮凝处理，确保表层水体中藻类与营养盐的稳定高效去除。

(4)藻类与营养盐分离单元自下而上设置了多种孔隙的变径滤料，将絮凝后的藻类絮体与营养盐沉淀进行自重力高效分离与浓缩，动力消耗少，便于分离与回用浓缩后的藻类絮体与营养盐沉淀。

(5)藻水流动控制单元通过电机控制转刷的转速，确保表层藻水的精确收集、以及藻水的按序流动与充分絮凝。

(6)藻水絮凝反应单元中的电絮凝过程耗电量小，藻水流动控制单元的转刷转速低，浮体平台的移动速度慢，上述低耗电过程能够得到蓄电池供电系统的有效电力保障；装置运行简单，成本费用低，便于推广应用。

(7)浮体平台可采用外加电源充电，当采用岸边充电时，装置能全天候工作，极大提高表层水体藻类与营养盐的去除效率，实现以时间换空间，缩短富营养化水体的治理周期。

附图说明

图1是本发明表层水体藻类与营养盐的微动力原位收集分离一体化装置的系统组成图；

图2是本发明表层水体藻类与营养盐的微动力原位收集分离一体化装置的运行流程图；

图3是本发明的整体剖面示意图；

图4是本发明的平面示意图；

图5是本发明中表层藻水收集单元的结构示意图；

图6是本发明中双面复合电极的结构示意图；

图7是本发明中供电及控制系统的结构示意图。

图中：1—水面，2—出水口，3—控制平台，4—太阳能电池板支架，5—太阳能电池板，6—蓄电池，7—电机，8—加药罐，9—加药泵，10—计量阀，11—配水板，12—齿形堰槽，13—进水口，14—伸缩软管接口，15—伸缩软管，16—双面复合电极，16-1—阳极，16-2—绝缘层，16-3—阴极，17—电解箱，18—电极板支架，19—药剂投加喷头，20—加药管，21—转刷，22—藻类絮体，23—絮体收集箱，24—变径滤料，25—螺旋桨推进器，26—布水隔板，27—浮体平台。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参考图1-4，本发明表层水体藻类与营养盐的微动力原位收集分离一体化装置包括太阳能电池板5及与其相连的浮体平台27。太阳能电池板5可通过太阳能电池板支架4与浮体平台27相连(如图3所示)。

所述浮体平台27搭载有表层藻水收集单元、藻水絮凝反应单元、絮凝剂备用投加单元、藻水流动控制单元、藻类与营养盐分离单元、清洁藻水排放单元和动力驱动单元。

以下结合附图说明其具体实施过程：

1.了解待处理富营养化水域的环境状况，包括藻类、浊度、氮磷等营养物质浓度等基本参数。基于待处理水域的水质条件和蓄电池供电能力评估浮体平台27的处理能力与移动速度。原则上来说，藻类密度、浊度及氮磷营养物质浓度越高，浮体移动速度越小，装置处理效果越好，建议待处理水域藻类密度(以叶绿素a计)不低于10g/L，浊度不低于3NTU，总磷浓度不低于0.2mg/L。

2.浮体平台27采用防水、防腐和防撞高密度聚乙烯材质，用于给整个装置提供浮力。表层藻水收集单元将浮体平台27外的表层水体中积聚的藻类与营养盐，缓慢吸入藻水絮凝反应单元。如图5所示，所述表层藻水收集单元包括进水口13、齿型堰槽12和伸缩软管接口14。进水口13呈开口向上的喇叭口状，进水口13边缘均匀设置了齿形堰槽12，齿高约0.5-1cm，齿尖与水面1相平，在转刷21的转动作用下，吸取富集于水面的藻类与营养盐，并避免吸取下层少藻水体。伸缩软管15与进水口13相连，用于调整进水口13高度，以便适应待处理水域的水深变化，提高表层藻水收集效率。

3.藻水絮凝反应单元与表层藻水收集单元的伸缩软管13相连，藻水絮凝反应单元包括具有电絮凝作用的电解箱17，电解箱17内部设有配水板11、电解絮凝用双面复合电极16以及电极板支架18。如图6所示，双面复合电极16包括三层电极板，分别为阳极16-1、绝缘层16-2和阴极16-3，阳极16-1和阴极16-3贴附于绝缘层16-2两侧。表层藻水收集单元吸取的藻类与营养盐通过相邻两对双面复合电极16的阳极16-1与阴极16-2之间的缝隙，进入藻水流动控制单元。阳极16-1一般采用铝板或铁板，阴极16-3为不锈钢等材质，厚度约5mm-1cm。电解过程中，阳极16-1不断消耗并释放出Al³⁺或Fe³⁺，阴极16-3电解水生成OH-，二者之间形成具有絮凝作用的Al(OH)₃或Fe(OH)₃，快速将絮凝反应单元藻水中的藻类、氮磷等营养盐形成藻类絮体22和颗粒沉淀。与此同时，电解过程中还能产生一些具有氧化作用的活性物质如H₂O₂、O₃、˙OH、˙O2-等，能够快速杀灭藻类。出于节能和确保电絮凝效率考虑，相邻两对双面复合电极16之间的间距不大于1.5cm，絮凝反应时间一般在2分钟以内。

4.藻水流动控制单元与藻水絮凝反应单元相连，是浮体平台27收集、处理与排放表层藻水的关键动力。藻水流动控制单元包括转刷21及与转刷21驱动连接的电机7，电机7与蓄电池6相连，电机7带动转刷21转动，引导絮凝反应单元内的藻水、藻类絮体22及营养盐沉淀按序进入藻类与营养盐分离单元，并最终通过清洁藻水排放单元外排。转刷21的转动速度直接影响表层水体藻类与营养盐的收集分离效率，转动越慢，水面藻类与营养盐的收集精度与处理效率越高，但处理量越小，实际运行过程中，综合考虑藻类与营养盐收集处理能效，确定适宜的转刷21转速。

5.絮凝剂备用投加单元与藻水流动控制单元相连，当藻水中藻类密度或营养盐浓度过高，抑或电絮凝效率不理想时，通过絮凝剂备用投加单元定量投放絮凝剂，确保对表层藻水中的藻类和营养盐进行有效去除。絮凝剂备用投加单元包括加药罐8、加药泵9、计量阀10、加药管20与药剂投加喷头19，加药罐8中预先配置的絮凝剂(无机类絮凝剂如聚合氯化铝，有机类絮凝剂如聚丙烯酰胺等)溶液通过加药泵9、计量阀10、加药管20和药剂投加喷头19进入藻水流动控制单元，与藻类与营养盐盐进行均匀混合。

6.藻类与营养盐分离单元与藻水流动控制单元相连，内部设置有布水隔板26，布水隔板26均匀开孔，表层水体中的藻类与营养盐充分絮凝后，通过布水隔板26，均匀进入位于布水隔板26上面的变径滤料24(如活性炭纤维等)，自下而上连续通过大、中、小孔隙的层层过滤与拦截，促使藻类絮体22与营养盐沉淀逐渐分离与沉降，进入藻类与营养盐分离单元底部的絮体收集箱23。经变径滤料24分离藻类与营养盐后的低藻清水进入清洁藻水排放单元的出水口2，排入浮体平台27的外部。

7.浮体平台27的动力驱动单元为两个螺旋桨推进器25，蓄电池6与螺旋桨推进器25相连，通过两个螺旋桨推进器25的速度差实现浮体平台的移动与转向。

8.蓄电池6给藻水絮凝反应单元内的双面复合电极16，藻水流动控制单元的转刷21、絮凝剂备用投加单元的加药泵9、动力驱动单元的螺旋桨推进器25以及浮体平台的控制平台3供电。

9.如图7所示，浮体平台27的控制平台3与双面复合电极16、螺旋桨推进器25、转刷21、加药泵9连接，用于控制动力驱动单元的螺旋桨推进器25速度、藻水流动控制单元的转刷21转速和絮凝剂备用投加单元的加药泵9流量，促使表层藻水中的藻类与营养盐高效收集与分离。

10.具体实施时，可采取单个装置在某一水域长期运行，也可采用多个装置集中短期同时运行。为了减少装置净化后的出水对周边水域的稀释，还可以将待处理水域设置围隔，把装置出水口2的排水输送至围隔外排放。另外，为缩短处理周期或应对光照不足，还可利用岸边电源为装置的蓄电池6供电。

本发明主要依靠蓄电池供给电能，吸取表层藻水，电解阳极获得藻类与营养盐的絮凝剂，借助藻水的有序流动将藻类、营养盐和絮凝剂有效掺混，通过絮凝作用使藻类与营养盐生成沉淀，然后利用变径滤料过滤，快速分离与浓缩藻类与营养盐，实现表层水体藻类与营养盐的原位收集与分离，该装置野外工作能力强，藻类和氮磷等营养盐的去除效果好，动力消耗少，运行成本低，维护简单，无化学药剂污染和固体废物产生，浓缩的藻类与营养盐沉淀能直接用作肥料。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。