本发明涉及一种水环境污染处理装置及方法。
背景技术：
水体富营养化是当今水环境污染治理的难题，已成全球最重要的水环境问题之一。随着我国工业化和城市化进程的加快，城市河湖富营养化问题日益严重，导致水体水质恶化，甚至散发难闻的臭味。
追根溯源，主要是国内许多城市内湖历史上就是一个纳污水体，外源污染物不断沉积、富集，水环境生态功能退化，导致区域内水环境质量急剧恶化。
为改善水环境，采取应急补充新鲜水、底泥清淤或疏浚底泥、水体曝气充氧和生态浮床等措施治理内源污染。
理论上栽种光能自养型的挺水、浮水和沉水等水生植物，只能削减氮素和磷素污染，而不能削减水体和底泥中有机物污染物。
水体中的有机物污染物通过藻菌共生体系不断地慢慢矿化，当水体中本底污染物超过其环境容量时，仅仅依靠自然生态的办法已经难以满足水环境治理的要求，通过底泥疏浚和水体曝气充氧等人工强化措施来削减有机污染物是常用的手段。与此同时，底泥疏浚会产生大量的危险废物，需要异位转移和处置，若存储或处理措施不当，由此会产生一个新的污染源。因此开发出一种高效水环境和底泥中有机物污染物原位生态修复方法成为亟待解决的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供一种水力驱动受控循环原位生物再生装置和生态修复方法，为水环境污染治理提供新技术，并为有效解决底泥异位转移所产生的新污染问题提供一种新途径。
第一方面，提供一种水力驱动受控循环原位生物再生装置，用于水环境污染处理，其特征在于，包括：
水力驱动机构和搅动机构；
所述水力驱动机构，包括导流筒；
所述导流筒内具有中心轴；
所述中心轴上连接驱动轮；
所述导流筒底部具有气流加载机构；
所述气流加载机构向所述导流筒内输送气体；
所述气体混入所述导流筒内液体中，在所述导流筒的内部液体和外部液体之间形成密度差；
所述密度差，促使所述内部液体和所述外部液体进行循环流动；
所述循环流动，推动所述驱动轮转动；
所述驱动轮转动，用于带动所述中心轴旋转；
所述搅动机构连接在所述中心轴下端；
所述中心轴旋转，驱动所述搅动机构将水环境泥面表层的底泥搅起，使所述泥面表层的底泥形成悬浮物；
所述悬浮物，混入所述内部液体和所述外部液体中，参与所述循环流动。
优选地，所述导流筒，包括第一导流筒和第二导流筒；
所述驱动轮，包括第一驱动轮和第二驱动轮；
所述第一导流筒位于所述第二导流筒下方；
所述第一驱动轮和所述第二驱动轮连接在所述中心轴上；
所述气流加载机构向所述第一导流筒和所述第二导流筒内输送气体；
所述气体，用于建立所述第一导流筒的所述内部液体和所述外部液体进行第一循环流动；以及
建立所述第二导流筒的所述内部液体和所述外部液体进行第二循环流动；
所述第一循环流动，用于推动所述第一驱动轮转动；
所述第二循环流动，用于推动所述第二驱动轮转动。
优选地，所述水力驱动机构还包括导流连接机构；
所述导流连接机构，包括外筒和锥筒；
所述锥筒连接在所述外筒内；
所述外筒的直径大于所述第一导流筒和所述第二导流筒的直径；
所述锥筒的大口端对应所述第一导流筒的上端口；
所述锥筒的小口端对应所述第二导流筒的下端口。
优选地，所述第一导流筒的下部具有锥形结构；
所述锥形结构的上端口直径小于下端口直径。
优选地，所述第一驱动轮的轮毂外壁上沿周向均匀固定数量为12-14个、攻角为α的翼型叶片；
所述第二驱动轮的轮毂外壁上沿周向均匀固定数量为8-10个、攻角为β的翼型叶片；
所述α与所述β的关系为：α-β=20°-40°。
优选地，所述气流加载机构，包括：
曝气泵和曝气机构；
所述曝气机构置于所述导流筒底部；
所述曝气泵，用于向所述曝气机构输送气体。
优选地，所述曝气机构，包括：
曝气头和圆环状曝气器；
所述曝气器与所述曝气泵通过曝气管连接；
所述曝气器沿周向均匀开有通孔；
所述通孔上连接所述曝气头；
所述曝气头，用于向所述导流筒内输送气体。
优选地，所述的水力驱动受控循环原位生物再生装置，还包括：
若干支腿；
所述支腿，用于将所述水力驱动机构固定在所述水环境的泥面上；
所述固定的高度，满足所述搅动机构与所述水环境的泥面表层接触。
优选地，所述的水力驱动受控循环原位生物再生装置，还包括：
漂浮机构；
所述水力驱动机构及所述搅动机构连接在所述漂浮机构上；
所述漂浮机构，用于稳固和/或漂浮移动所述水力驱动机构及所述搅动机构的装配整体。
优选地，所述漂浮机构，包括：
浮船；
所述水力驱动机构及所述搅动机构的装配体与所述浮船连接；
所述浮船，用于稳固和漂浮移动所述水力驱动机构及所述搅动机构的装配整体。
第二方面，一种生态修复方法，用于水环境污染原位处理，包括：
将权利要求1-9中任一所述水力驱动受控循环原位生物再生装置安装在水环境污染区域中；
启动所述气流加载机构，引起所述水力驱动机构带动所述搅动机构旋转；
所述搅动机构，搅动所述水环境的泥面表层，使所述泥面表层的底泥形成悬浮物；
所述悬浮物，混入所述内部液体和所述外部液体中，参与所述循环流动；
所述循环流动，用于所述底泥中有机物进行二次溶解和传质，使得所述底泥中本源微生物循环流经好氧和缺氧环境，进行生物氧化降解和所述底泥中有机污染物的生物再生。
本发明的有益效果：
1、水力驱动受控循环原位生物再生装置具有上下叠层机构，上下叠层机构构造了上下叠层区域，在上下叠层区域内形成了上下两级液体内循环，带动两级动力驱动轮旋转，实现水力驱动，创建底泥有机物传质、溶解和生物降解的动力源泉，节约能源并达到生态修复的目的。
2、加载气流空间上形成叠层串联的两级内循环及其层级驱动作用，通过搅动机构作用充分搅动表层底泥，悬浮的表层底泥参与两级内循环，实现空间上叠层a/o和a2/o梯度串联作用，在原位上即可实现底泥和水体中本底有机物和氮素的同步生物修复。
3、内循环水流夹带底泥交替流经升流区和降流区，在物理的二次溶解作用、传质作用及其强化生物作用下，在原位上底泥中本底有机物实现交换和生物再生。
4、通过加载气流量调节，控制内循环流动的强弱，达到水力受控循环，原位实现水体和底泥中本底有机物和氮素的同步受控生物修复的目的。
附图说明
通过以下参考附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点更为清楚，在附图中：
图1是本发明实施例的水力驱动受控循环原位生物再生装置的结构示意图。
图2是本发明实施例的第一驱动轮结构示意图。
图3是是本发明实施例的第二驱动轮结构示意图。
图4是本发明实施例的圆环曝气器结构示意图。
图中：主导流筒1、锥形结构2、第一导流筒3、下底4、外筒5、筋板6、锥筒7、上盖8、第二导流筒9、浮船10、上法兰结构11、中心轴12、轴承盖13、曝气泵14、第二驱动轮15、曝气管16、第一驱动轮17、曝气头18、圆环状曝气器19、搅动机构20、尼龙轴承21、支腿22、连接板23和下法兰结构24。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是值得说明的是，本发明并不限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。然而，对于没有详尽描述的部分，本领域技术人员也可以完全理解本发明。
此外，本领域普通技术人员应当理解，所提供的附图只是为了说明本发明的目的、特征和优点，附图并不是实际按照比例绘制的。
同时，除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包含但不限于”的含义。
图1是本发明实施例的水力驱动受控循环原位生物再生装置结构示意图。具体地，结合图1对本发明水力驱动受控循环原位生物再生装置的结构及连接关系进行详细描述：
由图1所示：一种水力驱动机构，包括导流筒，导流筒内具有中心轴12；中心轴12上连接驱动轮；导流筒底部具有气流加载机构，气流加载机构向导流筒内输送气体，该气体混入导流筒内液体中，导致导流筒的内部液体和外部液体由于其中含有的气体量的不同而形成密度差，该密度差的产生促使导流筒的内部液体和外部液体进行循环流动，即建立一种液流的内循环；该液流的内循环推动驱动轮转动，驱动轮带动中心轴12旋转。
进一步地，在图1中，导流筒包括第一导流筒3和第二导流筒9；驱动轮包括第一驱动轮17和第二驱动轮15；第一导流筒3位于所述第二导流筒9正下方；第一驱动轮17和第二驱动轮15连接在中心轴12上；气流加载机构向第一导流筒3和第二导流筒9内输送气体；该气体用于促使第一导流筒3的内部液体和外部液体进行第一循环流动，以及促使第二导流筒9的内部液体和外部液体进行第二循环流动；述第一循环流动用于推动第一驱动轮17转动；第二循环流动用于推动第二驱动轮15转动。
进一步地，在图1中，水力驱动机构，还包括导流连接机构；该导流连接机构包括外筒5和锥筒7；锥筒7通过筋板6连接在外筒5内；外筒5的直径大于第一导流筒3和第二导流筒9的直径；第二导流筒9的下端伸入外筒5内，第一导流筒3的上端伸入外筒5内；
所述锥筒的大口端对应所述第一导流筒的上端口；锥筒7的小口端对应第二导流筒9的下端口，锥筒7的大口端对应第一导流筒3的上端口；锥筒7的小口端与第二导流筒9的下端口之间具有一定间隙，锥筒7的大口端与第一导流筒3的上端口之间也具有一定间隙。
进一步地，在图1中，外筒5的上端口及下端口分别具有上盖8和下底4，上盖8和下底4中心分别具有中心孔，第一导流筒3插入下底4的中心孔中，二者之间焊接连接；第二导流筒9的下端插入上盖8的中心孔中，二者之间焊接连接。
进一步地，在图1中，第一导流筒3具有锥形结构2，该锥形结构2的上端口直径小于下端口直径。第一导流筒3的锥形结构2下方为主导流筒1，主导流筒1内安装气流加载机构。
进一步地，在图1及图4中，气流加载机构，包括曝气泵14和曝气机构；该曝气机构包括曝气头18和圆环状曝气器19，圆环状曝气器19置于主导流筒1内部；曝气泵14与圆环状曝气器19通过曝气管16连接，该曝气泵16向圆环状曝气器19输送气体。
进一步地，在图1、图2及图3中，第一驱动轮17的轮毂外壁上沿周向均匀固定数量为12～14个、攻角为α的翼型叶片；第二驱动轮15的轮毂外壁上沿周向均匀固定数量为8～10个、攻角为β的翼型叶片；其中，α与β的关系为：α-β=20°～40°。
由图1所示：一种水力驱动受控循环原位生物再生装置，包括水力驱动机构以及搅动机构20；搅动机构20连接在中心轴12的下端，在搅动机构20与中心轴12之间设置尼龙轴承21。
进一步地，水力驱动受控循环原位生物再生装置，还包括若干支腿22，该支腿22将水力驱动机构及搅动机构20的装配整体固定在水环境的泥面上，该固定高度满足搅动机构20的下端与水环境的泥面表层接触。
进一步地，在图1中，支腿22数量为6-8个，沿主导流筒1的周向进行布局，对水体床底适应性和稳定性强。
进一步地，在图1中，主导流筒1的下端口具有连接板23，主导流筒1的底部具有下法兰结构24，连接板23、下法兰结构24及支腿22通过螺栓连接，一方面将支腿22与主导流筒1固定连接在一起，另一方面连接板23设置中心孔，尼龙轴承21固定在中心轴12上，并穿过连接板23的中心孔；连接板23上具有若干通孔。
进一步地，在图1中，水力驱动受控循环原位生物再生装置还包括漂浮机构，所述漂浮机构包括浮船10；水力驱动机构及搅动机构20的装配整体与浮船10连接；具体是，上导流筒9的上端从浮船10的底部圆孔伸入到浮船内部，上导流筒9与浮船10之间采用焊接方式固定连接；上导流筒9侧壁上方沿周向开有若干通孔，该若干通孔用于第二循环流动通道；上导流筒9的上端口设置上法兰结构11，中心轴12通过轴承盖13与该上法兰结构11固定连接在上导流筒9内。该浮船用于稳固和漂浮移动水力驱动机构及搅动机构的装配整体。
具体地，结合图1，对使用水力驱动受控循环原位生物再生装置进行水环境污染原位处理的方法进行说明：
水力驱动受控循环原位生物再生装置的主工作区域，包括两个空间上串联的内循环，其中第二导流筒9内液体和其外部空间液体进行循环流动，产生上级内循环，第一导流筒3内液体和其外部空间液体进行循环流道，产生下级内循环。
上级内循环流动及下级内循环流动产生的液体循环能量推动第一驱动轮机第二驱动轮运动，实现了水力驱动而无需外源动力输入即可启动装置工作，达到了节约能源目的。
同时根据水流运动方向，第一导流筒3和第二导流筒9的内部空间构成升流区，与其对应的外部空间是降流区。以锥筒7为分界点，处于上层的称作上层升流区ⅰ和上层降流区ⅱ；处于下层的称作下层升流区ⅲ和下层降流区ⅳ；下层连接板和泥面所夹空间是泥水混合区ⅴ。
根据水流环境特点，上层升流区ⅰ和下层升流区ⅲ所在的导流筒内部环境主要为好氧环境，上层降流区ⅱ和下层降流区ⅳ所在的导流筒外部环境主要为缺氧和厌氧环境。
开动曝气泵14，加载气流经下部圆环曝气器19进入主导流筒1，导致下层升流区ⅲ内液体气含率较高，混合液密度小，而在下层降流区ⅳ内液体气含率小，混合液密度大。由于加载气流的作用，在下层升流区ⅲ、下层降流区ⅳ的气液混合物存在密度差，从而建立下层升流区ⅲ、下层降流区ⅳ之间的下级内循环。随着加载气流量的增大，这个下级内循环流动逐渐增强，实现水力受控循环。与此同时，下层升流区ⅲ内加载气流经锥筒7收集和分配后进入上层升流区ⅰ内，从而建立起上级内循环。上级内循环水流及下级内循环水流分别驱动本级驱动轮转动并形成合力，进而带动中心轴12转动，中心轴12旋转带动连接在其底部的搅动机构20运动，搅动机构20充分搅动水环境的泥面表层的底泥使其悬浮起来，并在下级内循环水流的夹带效应作用下，使悬浮起来的底泥被强制参与上级内循环和下级内循环。
上级内循环和下级内循环水流夹带悬浮起来的底泥不断地循环流动，当悬浮起来的底泥交替流经下层升流区ⅲ和上层升流区ⅰ时受到强烈地紊流作用，使底泥中本底有机物产生二次溶解和传质作用，实现底泥的有机污染物的交换。
采用上述方法对水环境某一区域生态进行修复处理后，只需将支脚从固定泥面起出，推动浮船，将水力驱动受控循环原位生物再生装置异位至新的区域，水力驱动受控循环原位生物再生装置在新的区域进行水环境生态修复。
此外，底泥中本源微生物在上级内循环和下级内循环水流作用下交替流经好氧和缺氧环境，实现空间上叠层a/o和a2/o梯度串联作用，并交替流经厌氧、缺氧和好氧环境，有效强化底泥中本源微生物的生物降解作用，达到底泥和水体中本底有机物和氮素的同步生物降解和修复，实现底泥的有机污染物生物再生。
总之，水环境污染原位处理方法的核心是构造了空间上叠层串联的两级内循环，分别是下级内循环和上级内循环。气流首先加载于下级内循环，在气提原理作用下顺序驱动下级和上级内循环，实现了空间上两级循环梯度串联和层级驱动作用。与此同时，水力内循环流经升流区两级驱动轮时产生驱动力，带动搅动机构搅动表层底泥使其悬浮起来，悬浮表层底泥在下级内循环水流的夹带下参与两级内循环，交替流经厌氧、缺氧和好氧环境，实现空间上叠层a/o和a2/o梯度串联作用，有效强化底泥中本源微生物的生物降解作用，达到底泥和水体中本底有机物和氮素的原位同步降解之目的，实现有机污染物的生物修复。
以上所述实施例仅为表达本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、同等替换、改进等，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。