利用自然风能提水驱动水体外部循环实现曝气充氧的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水环境改善与水生态修复及清洁能源利用领域，具体涉及一种利用自然风能提水驱动水体外部循环实现曝气充氧的方法。
【背景技术】
[0002]由于污染物汇入增加，地表水体尤其是静止或流动性差的封闭缓流水体比较容易受到污染。许多河流及湖库存在流动缓慢、水域封闭、水环境容量小、水体自净能力低等特点，容易产生水体富营养化等问题，水质安全与水生态健康难以得到有效保障。人工曝气复氧技术的研究在国外已经开展了 40多年，在水质净化研究中占有重要位置，在德国的Fulda河、Teltow河和Emseher河和美国密西西比河Miunesoda码头附近的河道安装曝气设备，取得了明显的治理效果，有效地控制了水体异味的产生和藻类的过量繁殖。为迎接1986年亚运会和1988年夏季奥运会，在韩国水萦江河口釜山港湾的快艇区域安装了 9台的曝气装置，研究表明，曝气能够有效地改善水萦江河口快艇区域的水质，可以增加D0、削减C0D、改善透明度、消除异味。
[0003]水体曝气是气液相间的一种复杂的传质过程，曝气的方式和设备选择取决于多方面的因素:污染水体水质改善的要求(如消除黑臭、改善水质、恢复生态等)、外部条件(包括水深、流速、河道断面形状、周边环境条件等)、水体功能(如航运功能、景观功能等)、污染源特征(如长期污染负荷、冲击污染负荷等)等。常用的曝气方式有鼓风曝气、机械曝气、射流曝气和无泡供氧等，实际应用水体充氧设备可分为纯氧曝气系统和空气曝气系统，具体包括:鼓风机一微孔布气管曝气系统、纯氧一微孔管曝气系统、纯氧一混流增氧系统、叶轮吸气推流式曝气器、水下射流曝气设备、叶轮式增氧机等，污染水体曝气复氧工程中充氧设备的应用一般有如下两种形式:固定式充氧站和移动式充氧平台。上述各种人工曝气充氧设备充氧效率比较高、充氧效果都比较好，但普遍存在问题是动力消耗大、设备投资比较高、技术要求比较高、管理维护比较复杂。
[0004]跌水曝气系统是人工曝气的另外一种形式，利用水在下落过程中与空气中的氧气接触而实现复氧的，具有结构简单、造价低、能耗小、曝气效果稳定的优点，跌水曝气系统中，氧气向水中转移发生在以下过程中:(I)水在空气中下落，与氧气接触；(2)下落的水遇到障碍物，发生流态的变化，引起对空气的携带和裹夹；(3)与水面接触后，使水体产生扰动，提高大气复氧能力。常见的跌水曝气系统为水利设施中常用的泄水建筑物堰、闸、坝等，也可以借助喷泉等动力提水系统来实现。堰、闸、坝跌水曝气系统存在的问题包括建设投资比较高、改变河流生境、难以在湖泊中实现等，故不宜以曝气充氧作为主导功能；喷泉等动力提水跌水曝气系统的缺点主要是动力消耗大。故减少动力消耗、提高充氧效率、稳定充氧效果是人工曝气系统广泛推广应用的前提。
[0005]人工水力循环技术是近年来改善河湖水体质量的一种有效的工程措施，利用工程措施，调水改善水动力条件，具体操作是在防洪安全的前提下，通过水利工程的科学调度，启动抽水栗(站)，调活城市河湖水体，增加水量，加快循环，加大稀释和自净能力，利用河湖的水动力特性进行水资源调度和利用河湖本身的自净功能与生物的净化功能改善水质。人工水力循环是根据水动力学基本原理，给处理水体施加动力，使水体由静变动，实现其缓慢而均匀的流动；通过流动形成的水体交换和稀释，使水的体外处理净化变为可能；流动所造成的表面更新为加快大气复氧提供了条件，有利于增强水体的自净能力，污染物质氧化加快，改善水生生物的生存环境。
[0006]但水力循环技术的理论尚不完善，目前主要强调紊流稀释、生物氧化在处理过程中的作用，而在其它如钝化底泥、减缓底泥释放磷等方面的作用理论研究不够，且人工水力循环技术充氧效率低，生物氧化效果差。如果将人工水力循环技术与跌水曝气技术有机结合，一方面，强制循环造成的流动促使水体表面更新，增加了紊动，从而改进了氧的传递和扩散有利于氧的传递和扩散，促进了水面复氧，提高了跌水曝气充氧效率；另一方面，经过跌水复氧后的水体，在水力循环作用下不断地交换、稀释，使水体自净能力得以提高。结合水力循环和曝气复氧技术改善水体质量的研究，目前国外鲜有报道，国内有采用跌水曝气、水闸泄流、活水喷池相结合进行增氧和在山区滞流水域根据河道沿程特点设计梯级橡皮坝跌水增氧以及栗闸结合调水的工程示例，对于消除城市河道水质异味、恶化效果良好，几乎没有二次污染。但应用于闸坝建设、运行管理的投资仍然比较高，并且水坝的建设会对河流生境带来很大的影响，且如此的水力循环与曝气复氧技术也很难用于无法建设水坝的湖泊水体。
[0007]清洁能源一风能最常见的两种利用方式是发电和提水，我国风力提水有悠久的历史，并用于农田灌溉、海水制盐、水产养殖、滩棘改造、人畜饮水、草场改良等提水作业，有较好的经济效益和社会效应。目前在风力提水机组的产品品种上，我国已基本形成南方型低扬程大流水机组和北方型高扬程小流量风力提水机组两大系列，约有十几种产品型号的风力提水机，主要用于福建、江苏、天津、内蒙古、河北、山东等地。我国东南沿海地区风能资源较丰富，大部分地区年平均风速为4m/s左右。为满足农田灌溉、水产养殖和盐场制盐等低扬程大流量提水作业需要，低扬程风力提水装置被开发应用，用于提取地表水，其扬程一般为0.5?3.0m，流量为50?100m3/h。内陆风能资源较好的区域在中国北部，如内蒙古、甘肃、青海等地年均风速4?6m/s，3?20m/s风速年累计4000?5000h，此类地区大多为草原牧区，人口分散，难通电网，因此，高扬程小流量深井风力提水机组被用来为牧民和牲畜提供饮水或小面积草场灌溉，对于改善当地牧民的生活、生产条件具有明显的社会意义，其扬程一般为10?146m之间，流量为0.5?5m3/h。
[0008]我国适合风力提水的区域辽阔、作业众多，因此发展风力提水是弥补当前农村、牧区能源不足的有效途径之一。但风力提水的前提是风能资源和水资源，我国东南沿海、辽东和山东半岛以及海上岛屿等地区，风能资源丰富，地表水源也丰富，是我国以抽提地表东为主的最佳风力提水区；内蒙、青海、甘肃和新疆北部河谷地带，风能资源丰富，地下水源也丰富，是我国以抽提地下水为主的较佳风力提水区。风力提水工程选址时风能资源应具备以下条件:年平均风速大于等于3.5m/s、年有效风速小时数大于3000h、盛行风向的风频应大于40%等，故风速是风力提水工程应用的限制因子。另外风力提水机的启动风速也至关重要，一般情况下，风力提水机的启动需要三级风(风速为4m/s)，大部分产品需要在风速
2.5-3m/s时启动。
[0009]从环境保护和资源合理利用的角度出发，风力提水技术在我国具有较大的潜在市场和广阔的发展前景，但目前风力提水行业发展存在着应用数量不多、推广进展缓慢等问题。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种能地表水体提升传输实现水体内或水体间的水力循环，促进水体流动和增加水体中的溶解氧的利用自然风能提水驱动水体外部循环实现曝气充氧的方法。
[0011]本发明目的的实现方式为，利用自然风能提水驱动水体外部循环实现曝气充氧的方法，将河流、湖泊、水库、池塘或城市景观水体通过人工沟渠和/或输水管道及其上设置的提水风车，将自然风能转化为机械能驱动水体外部循环，提水形成落差之后以不同的跌水方式回至河流、湖泊、水库、池塘或城市景观水体，实现对湖泊、水库、池塘或城市景观水体中的人工湖曝气充氧，促进水体的流动和增加水体中的溶解氧；
[0012]所述提水风车启动风速为1.6-2.0m/s ;
[0013]所述提水落差为1.0-20m。
[0014]本发明具有如下优点