一种旋臂式水体表层水力倒吸除藻除油装置的制作方法

本实用新型涉及一种机械除藻除油装置，具体说是一种旋臂式水体表层水力倒吸除藻除油装置。

背景技术：

近几十年，由于水体富营养化，引起大面积水华，对水生态环境和饮用水源安全造成重大威胁；而且藻类产生的藻毒素影响人类健康。水华期间的藻类主要富集在水体表层，厚度一般不超过5cm。据统计，目前我国已达富营养化的湖泊及沿海城市近岸海域已超过70％，其面积、强度以及藻毒素的含量均在大幅度增长。近年来，国内外常有水域漏油事件的发生，对水生态环境、水工建筑物和人类健康产生重大危害。水体藻类和油污的共同特点是主要分布在水体表层。目前，国内外已有一些除藻除油的方法，主要包括物理方法、化学方法和生物方法。

物理方法除藻主要捞取水体中的丝状藻类，该方法具有见效快、污染少且可长期使用的优点，比较适用于藻浓度较高、已形成严重藻类水华的水域；物理方法除油主要采用吸油毡或吸油设备，但通常吸取不够彻底。化学方法是根据藻类水华和油污的理化特性，加入适当化学药剂；化学方法见效快，但不能经常性、长期性使用，以免化学物质的积累对水体造成二次污染。生物技术是通过水体食物链，种植水生植物或投加适量鱼虾苗，以逐步建立起一个人工生态系统；生物方法对水体环境有一定要求，且见效慢、去除藻类和油污的能力有限。

目前，去除水体藻类仍主要采用物理方法。专利(CN 201834183 U)公布了一种机械除藻装置，其采用的吸头较小，容易堵塞，且无法控制吸头与水面之间的距离，除藻效果一般。专利(CN 203996816 U)公布了一种机械除藻设备，其收集藻类的设备为进水管，且进水管为单根，进口较小，容易堵塞，也无法控制进水管与水面之间的距离，整体除藻效率不高。专利(CN 103552665 A)公布了一种水面油污清理船，采用吸油辊吸取油污，专利(CN 103938600 B)公布了一种水面油污清除回收装置，两种装置均作用范围小，油污清除不够彻底，且效率较低，较适用于油污浓度高、厚度大的局部区域。

目前，采用机械方式除藻除油的专利，所采用的吸头或进水管设计相对较粗放，不符合流体的水力学特性，能量损失较大；所采用的吸头大部分无法旋转，除藻除油范围有限；且无法控制吸头与水面的距离，在除藻除油的同时抽吸了大量水，除藻除油效率相对较低。

技术实现要素：

本实用新型为了克服现有技术存在的缺陷，提供一种针对水体表层藻类和油污的旋臂式水体表层水力倒吸除藻除油装置，其采用弧形吸头大大减少水流阻力，通过铰链、旋臂和升降转盘带动弧形吸头270°旋转，并能准确控制弧形吸头淹没水深，可实现低能耗、高效率地大范围除藻除油。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种旋臂式水体表层水力倒吸除藻除油装置，包括弧形吸头、柔性吸管、抽水泵、电磁流量计、旋臂、铰链、水深传感器、升降转盘、储水箱、船体，弧形吸头通过抽吸管道经抽水泵与装于船体的储水箱连接，抽吸管道上设有蝶阀和电磁流量计，旋臂的一端通过旋臂吊架与弧形吸头相连，旋臂的另一端可由旋转机构实现旋转进而带动弧形吸头旋转，旋臂上还与升降转盘连接，升降转盘用于根据水深传感器实时监测弧形吸头的淹没水深调节旋臂升降以准确控制弧形吸头位于预先设定的淹没水深。

进一步的，抽水泵和升降转盘的动力由装于船体的发电机提供。

进一步的，所述旋转机构为铰链，旋臂通过铰链与装于船体的发电机驱动连接。

进一步的，通过铰链控制旋臂旋转可实现弧形吸头旋转270°。

进一步的，所述的抽吸管道由刚性管道和柔性吸管组成，刚性管道和柔性吸管之间的连接布置管道接头，柔性吸管与旋臂之间通过固定环连接在一起。

进一步的，刚性管道的管径设计为10-20cm，柔性吸管的管径设计为8-20cm。

进一步的，所述弧形吸头采用1/4圆弧，立面采用倒喇叭形状，平面采用圆形或长方形。

进一步的，弧形吸头的半径为40-50cm、高度为40-50cm，弧形吸头近船体的边缘距船体的距离为100-300cm。

本实用新型的有益效果和优点在于：

1.本装置充分利用流体力学原理，采用弧形吸头，吸头及连通管阻力小，水流平顺，能量损失较小，且不容易发生堵塞，除藻除油效率高。

2.本装置采用旋臂式结构，通过旋臂牵动弧形吸头270°旋转，除藻除油作用范围广。

3.本装置根据藻类和油污集中在水体表层的特性，利用水深传感器和升降转盘，实时准确控制弧形吸头淹没水深，有针对性地吸除水体表层的藻类和油污，耗水量少，效率高。

附图说明

图1为本实用新型旋臂式水体表层水力倒吸除藻除油装置的纵剖面图；

图2为本实用新型旋臂式水体表层水力倒吸除藻除油装置的俯视图；

图3为三角形吸头和弧形吸头的流场对比图，其中图3(a)为三角形吸头的流场图，图3(b)为弧形吸头的流场图；

图4为不同吸头深度的流场对比图，其中图4(a)为吸头淹没水深约40cm时的流场图，图4(b)为吸头淹没水深约10cm时的流场图；

图5为不同抽水流速的流场对比图；其中图5(a)为抽水流速为1.0m/s时的流场图，图5(b)为抽水流速为2.0m/s时的流场图。

图中：1-弧形吸头，2-刚性管道，3-连接管，4-柔性吸管，5-蝶阀，6-抽水泵，7-电磁流量计，8-储水箱，9-旋臂吊架，10-旋臂，11-铰链，12-升降转盘；13-发电机，14-船体，15-刚性支架，16-管道接头，17-固定环，18-水深传感器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参考图1，本实用新型旋臂式水体表层水力倒吸除藻除油装置包括弧形吸头1、柔性吸管4、抽水泵6、电磁流量计7、旋臂10、铰链11、水深传感器18、升降转盘12、储水箱8、船体14。

请进一步参考图2，弧形吸头1采用1/4圆弧，立面采用倒喇叭形状，平面采用圆形或长方形；弧形吸头1的半径设计为40-50cm、高度设计为40-50cm，弧形吸头1近船体14的边缘距船体14的距离设计为100-300cm；弧形吸头1采用不锈钢材质。弧形吸头1与刚性管道2相连，沿抽水方向再依次连接弧形连接管3、管道接头16、柔性吸管4、管道接头16、刚性管道2、蝶阀5、水泵6、电磁流量计7，然后进入储水箱8。刚性管道2和弧形连接管3均采用普通刚性材料，刚性管道2和弧形连接管3的管径设计为10-20cm；柔性吸管4采用耐水、耐腐蚀的橡胶材料，且具有一定的伸缩性，柔性吸管4的管径设计为8-20cm。为便于工作过程中柔性吸管4随旋臂10一起移动，利用固定环17将柔性吸管4固定在旋臂10上方。

所述的弧形吸头1通过铰链11带动旋臂10实现270°旋转。铰链11旋转的能量来源于发电机13，转速可调。为了兼顾除藻除油效率和旋臂10的稳定性，旋臂10的长度设计为100-300cm，旋臂10采用高强度、耐腐蚀性钢管。旋臂10通过旋臂吊架9与弧形吸头1相连接，旋臂吊架9连接在吸头1两侧，采用高强度的粗钢筋。

所述的水深传感器18能够实时显弧形吸头1淹没水深，并通过升降转盘12带动旋臂10实现弧形吸头1淹没水深的精确控制。随着工作进行，船体14上储水箱8内的含藻含油水体越来越多，将导致船体14重量增加，船体14吃水深度增加，而弧形吸头1与船体是刚性连接，因此弧形吸头1的淹没水深随之加大，影响除藻除油效果。通过调节升降转盘12，带动旋臂10上下升降，精确控制弧形吸头1的淹没水深在5-10cm的范围。升降转盘12采用液压结构，手动控制或自动控制均可，液压系统和自动控制的能量来源于船体14上的发电机13。

根据本实用新型采用的技术参数，弧形吸头1的半径为40-50cm、高度40-50cm，抽水流速为1.5m/s，抽水管道管径为10-20cm，吸头淹没水深约5-10cm。旋臂旋转270°的时间设计为1-5分钟，船体静止情况下的单次除藻除油的直接吸除水面面积约20m²(图2中Ⅰ区)，间接吸除水面面积约90m²(图2中Ⅱ区)。

本装置利用船体14构建一浮动平台。工作时，将船体14驶入待除藻除油的水域，现场安装好弧形吸头1以及与弧形吸头1头相接的抽吸管道；调节好弧形吸头1淹没水深(约5-10cm)后，启动发电机13，待发动机13运行稳定后，启动抽水泵6，并缓慢开启蝶阀5，表层含藻含油水体在抽水泵6作用下被吸入弧形吸头1，经管道后进入储水箱8；然后缓慢调节蝶阀5，待电磁流量计7显示读数为47L/s左右时(此时对应管径为20cm的管道抽水流速为1.5m/s)，停止蝶阀5调节。在铰链11的带动下，旋臂10带动弧形吸头1缓慢匀速旋转(转速可调)，吸除270°范围内的藻类和油污。待该区域的藻类和油污吸净后，缓慢移动船体14，驶向下一个作业区域。随着设备运行，储水箱8内的含藻含油水量逐渐增多，为了继续保持弧形吸头1淹没水深，通过水深传感器18并调节升降转盘12，保证弧形吸头1淹没水深维持在5-10cm。待储水箱8装满后，将船驶回岸边，将储水箱8内含藻含油水体转运至指定地点进行处理，完成整个除藻除油过程。

本实用新型中吸头型式、吸头深度和抽水速度等主要设计参数是通过建立立面二维水动力数学模型科学确定的，具体介绍如下：

(1)吸头型式

所设计的吸头分三角形吸头(对称布置，吸头开口为90°直角，边长50cm，吸头连接管管径20cm，壁厚2cm)和弧形吸头(对称布置，半径为50cm，吸头连接管管径20cm，壁厚2cm)。不同吸头型式的计算结果表明，三角形吸头在吸头入口和缩窄处的水流不平顺，能量损失较大，且易发生堵塞(图4(a))；弧形吸头水流平顺，扰动少，能量损失较小，且不易发生堵塞(图4(b))。因此，采用弧形吸头的吸除效果较好。

(2)吸头深度

不同吸头深度的计算结果表明，吸头与水面距离较深时，进入吸头的水量较大，导致表层藻类和油污的抽吸效率较低，吸除效果不佳(图4(a)的吸头淹没水深约40cm)；吸头与水面距离较短时，进入吸头的水体主要来自表层，但考虑到船行驶过程中的水体波动，吸头淹没水深低于5cm时，可能导致吸头易露出水面而无法吸入水；因此，水力倒吸除藻除油装置需准确控制吸头与水面之间的距离，吸头淹没水深约5-10cm效果较好(图4(b)的吸头淹没水深约10cm)。

(3)抽水速度

不同抽水流速的计算结果表明，流速较小时，吸头上方形成漩涡，部分藻和油污将汇集在此而不进入管道，影响抽吸效果(图5(a)的抽水流速为1.0m/s)；流速越大，进入管道的空气越多，水体主要沿管壁流动，最终的吸藻量反而减小，且由于空气的存在易导致管道剧烈震动，影响运行稳定性(图5(b)的抽水流速为2.0m/s)。因此，抽水流速为1.5m/s时，吸藻吸油效果较好且运行较为稳定(图3(b)的抽水流速为1.5m/s)。

因此，本实用新型采用弧形吸头，其半径50cm、上宽120cm、下宽20cm、高度为50cm。通过升降转盘控制吸头淹没水深在5-10cm左右，抽水流速设置为1.5m/s左右，此时弧吸藻吸油效果最佳。