专利名称：三维水体循环增氧净化装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种水处理装置及方法，尤其是一种可对多种大水体进行三维循 环、增氧、改变水体水质的静态分层现象，使水体水质得到净化的装置及方法。
背景技术：
在水处理领域中，通过对水体曝气增氧，提高水体的溶解氧含量，从而净化 水质的作法并不少见，但如何提高设备的水体循环能力、增加溶氧率、降低投资 及开发新能源却是众多生产厂商和研究人员关心的问题。
目前公知的水质净化装置，通过设置在岸上或水体中的装置对气体或水体进 行加压，然后将加压流体输送至水下的喷射装置中，经过一级或多级喷射，对水 体进行曝气。该装置在提高水体溶解氧方面确实起到了积极作用，但仍存在以下 不足1、进水、进气和排水等通道不但结构复杂，制造成本较高，且操作不灵活、 适用范围较小；2、由于溶氧方法是多级喉管喷射，运行时能量损耗较高，工作效 率下降。
为克服上述问题，人们又提出了另一种结构的水质净化装置，如中国专利申 请号为92101176.8，名称为《使浅水域的全部水循环流动的装置和方法》，是曰本 国海洋工业株式会社在中国申报的一项发明专利，该专利所述方法是在压力作用 下产生向上的液体射流，而压力是作用到底部水体上，通过垂直安装的管道向顶 部上升形成向上的水流，从而增大水流的上升速度，并在管道顶端喷出。该专利 技术确实作到了简化结构，但其作为水下造流设备，又不可避免地使用了加压设 备，导致设备投资及运行成本的增加，致使能量损耗较高，设备的工作效率下降； 其水循环流动装置的加压射流方式限制了管道的尺寸，出流量较小，增氧效果差； 其动力较大且仍使用了传统的电力能源。
又如中国发明专利申请号为90200914.1，名称为《浅水域水质改良装置》，该 专利是一种在较浅水域的湖沼、池、河川，或供净水用储水池使用的水质改良装 置，包括一扬水筒以及下端的间歇供气装置。工作流程是有压空气通过送气管 进入扬水筒设置的空气室顶部逐渐积存，使外筒室内的水位下降，同时经设置在 隔开筒上部的贯空孔进入中间室且使其水位降低，当水位降低到一定位置时中间
3室内的加压空气经过内筒下端部的连通孔再进入内筒室，空气在内筒室内上升并 由其上部连通孔喷入扬水筒内，此时加压空气成为空气团在扬水筒内上升使水体 流动。该专利技术确实技术新颖，但装置结构复杂，导致有压空气在流动、逐渐积 存、喷射释放和形成空气团的过程中致使能量损耗较高，设备的工作效率下降； 其水循环流动装置的空气加压喷射形成空气团以及间隙运行的实施方式限制了管 道的尺寸和工作连续性，出流量小且稳定性差；水体流动过程增氧效果差；其加 压空气需较大动力，仍需使用了传统的电力能源。
本设计人根据多年来在本领域的经验和知识积累，为克服公知的技术存在的 上述缺陷，经过艰苦的研发，终于开发出本发明的风光互补型三维水体循环增氧 净化装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、利用清洁能源、产生较大 流量、实现水体三维循环流动、溶氧效果好、工作效率高的三维水体循环增氧净 化装置。
为此，本发明提供一种三维水体循环增氧净化装置，其包括电源、充气装 置、出水导流管、工作管段、微气泡发生器、进水导流管、输气管、浮体和浮体 支架，其中，该电源通过电路分别与该充气装置相连；该充气装置产生的气体经 输气管进入容置于工作管段中的微气泡发生器，有压气体通过微气泡发生器上的 细孔产生微气泡流；该工作管段上端连接出水导流管，下端连接进水导流管；该 太阳能发电装置、风力发电装置、充气装置和出水导流管由该浮体支架承载，该 浮体支架与浮体连接。
上述三维水体循环增氧净化装置，其中，该充气装置可以为充气泵或空压机。
上述三维水体循环增氧净化装置，其中，该微气泡发生器可以为微孔尺度为 5 200um的曝气管、曝气头或曝气盘。
上述三维水体循环增氧净化装置，其中，该微气泡发生器的截面积优选为所 述工作管段截面积的40 90%。
上述二维水体循环增氧净化装置，其中，该出水导流管的出口可以为一段渐 扩圆锥型导流面。
上述三维水体循环增氧净化装置，其中，该出水导流管的出口可低于水平面。 上述三维水体循环增氧净化装置，其中，该出水导流管的直径优选为10 300cm。
上述三维水体循环增氧净化装置，其中，该电源可以为太阳能发电装置和/或风力发电装置。
上述三维水体循环增氧净化装置，其中，该风力发电装置可包括风车装置、 风力发电机、控制器、蓄电池和电路电缆线。
上述三维水体循环增氧净化装置，其中，该太阳能发电装置可包括至少一套 太阳能电池板、控制器、蓄电池和电路电缆线。
另一方面，本发明提供一种三维水体循环的气动方法，该方法使用本发明的 上述三维水体循环增氧净化装置，在水中由浮体连接支撑的垂直提水管中设置一 种能产生一种气泡流的微气泡发生器，充气装置提供的有压气体通过输气管进入 微气泡发生器以产生比重小于水体的上升微气泡流，在提水管中微气泡流又推动 水体向顶部上升流动，同时提水管底部水体进入提水管后也随之快速向管顶部流 动喷出，并向四周扩散，然后在远处的水向下又回流到提水管底部作循环流动。
由于上述技术方案的运用，本发明具有下列优点
1、 本发明提供了一种新型的气动提水装置，提水装置中的微气泡发生器产生 大量的微小气泡流，由于微小气泡具有一定的浮力至使气泡向水体上方浮动，此 时气泡带动周围水体被推动向上形成水气混合流动。此装置可以通过增加出水导 流管直径(出水导流管的直径为10 300cm)，增大输水面积，实现在较大出水导 流管内形成汇集多股小流量提水成为总体大流量的提水装置，高效地利用了能量， 提高了工作效率。
2、 由于本发明的出水导流管有足够长的管段(微气泡发生器一般安装在出水 导流管出水口下方20 300cm左右)，提升水流动的微气泡逐渐增大，水气混合 流加速上升，水体流出时圆锥形导流管出水口又强制向管口四周扩散，在水面上 形成大面积的表层流，同时在更远更大范围内表面水体又向水体下部流动实现了 水体三维循环；由此，在工作管段的微小气泡与水充分混合使底部上升的水体溶 氧率大大提高，同时较大范围的表面水体流动又充分扩大了水体与空气的接触面 积，使水体再次增大溶氧效率，从而达到充分溶氧的目的。
3、 本发明采用了微气泡发生系统，利用微气泡直接提升水体；大大减少了能 量转换的损耗。微气泡发生器装置突出特点 一是大大降低了设备能耗，设备一 般功率在30 1000瓦，电压在12 24伏左右，即可高效运行；二是由此低能耗 的设备完全可以实现太阳能和风力作为动力源使设备正常高效运行。
4、 本发明与加压水喷射装置结构的曝气设备相比，降低了气动系统的工作压 力、减少了有压气量，由于使用了微气泡发生器，使结构大为简化，其突出效益 不但降低了能耗、提高了工作效率，且有效地避免了工作时通道堵塞的情况，确 保了设备的正常工作。5、 本发明釆用了微气泡发生器装置，设备运行功率小，并充分利用蕴量巨大， 可以再生，分布广泛，没有污染的太阳能和风力作为能源，所以，其设备运行无 须能源费用；设备结构简单、无须操作人员，从而降低了运行费用。
6、 本发明的一个优选实施方式釆用太阳能和风力作为能源，充分利用自然资 源，强化水体自净能力，而实现本发明的生态净化水体新工艺。其水质净化过程 是洁净、安全、高效的，无二次污染。屏弃了其他化学水质净化方案，无须其他 水质净化额外的费用。晴天光照强，阴雨天一般风能较大；夏天太阳照射强，冬 天风力大。利用太阳能和风能的互补性，就可以设立独立电源系统，实现水体持 续循环净化。
图1为本发明风光互补型三维水体循环增氧净化装置整体结构示意图。
图2为本发明的工作管段结构示意图。
图3为本发明的下进水导流管段结构示意图。
附图标号说明
1、风力发电机组 2、风车风叶 3、风车轴 4、接线盒 5、电路电缆线 6a、太阳能电池板 6b、控制器 7、蓄电池 8、充气装置 9、出水口导流 面10、出水导流管段 11、工作管段 12、输气管 13、微气泡发生器 14、微气泡发生器支架 15a、上进水导流管段 15b、下进水导流管段
15c、进水导流管段横管 15d、进水导流管段尾管 15e、进水尾管内配重 15f、进水尾管排沙孔 16、进水口过滤网 17、浮体 18、浮体支架
19、设备保护盒
具体实施例方式
为了让本发明的目的、特征与优点能更明显被了解，下文特举本发明的具体 实施例并配合附图作详细说明。
图1所示为本发明风光互补型三维水体循环增氧净化装置的一种实施方案，
其包括
风力发电装置，其为一种垂直轴向风车装置，其中，风车轴3上端与风车风
叶2连接，风车轴3下端与风力发电机组1连接；接线盒4固定在风力发电机组1 外，电路电缆线5与接线盒4连接；风力发电机组1发出的电通过电路电缆线5
和控制器6b输入蓄电池组7储存和利用；太阳能发电装置，由太阳能电池板6a、控制器6b和蓄电池组7组成，多组太 阳能电池板6a水平固定在浮体支架18上，太阳能电池板6a发出的电通过电路电 缆线5和控制器6b输入蓄电池组7储存和利用；
充气装置8，它是通过电力驱动来提供有压气体输出的设备或装置，如充气
泵、空压机等，其利用蓄电池组7中储存的电力驱动充气；
工作管段ll (请参照图2)， 一微气泡发生器13通过微气泡发生器支架14固 定在工作管段11中间，且微气泡发生器13截面积为工作管段11截面积的40 90 %;充气装置8产生的有压气体通过输气管12进入微气泡发生器13内工作；微 气泡发生器一般釆用有机高分子材料的曝气管、曝气头或曝气盘，其上面有无数 个微孔，微孔的直径为5 200wm;有压气体通过微小的孔洞形成连续的细小气 泡流，微气泡的直径为10 500u m;
出水导流管段10，其上端设有一段出水口渐扩圆锥导流面9;下端与工作管 段11连接，该出水导流管段10截面积与气泡发生器13截面积之和约等于该工作 管段11的截面积；出水导流管段10的长度可以为20 300cm，在本实施例中出水 导流管段10的长度为100cm;该出水导流管段10的直径可以为10 300cni,在本 实施例中出水导流管段10的直径为40cm;
进水导流管段15，其上进水导流管段15a上端与工作管段ll连接；如图3所 示，该进水导流管下端包括下进水导流管段15b、进水导流管段横管15c、进水导 流管段尾管15d、进水尾管内配重15e、进水尾管排沙孔15f和进水口过滤网16;
浮体支架18，其上承载风力发电装置、作为太阳能电池组的太阳能电池板6a、 控制器6b、设备保护盒19和出水导流管段10;设备保护盒19内放置有控制器6b、 蓄电池7和充气装置8;浮体17连接浮体支架18并为其提供浮力；
本实施方案中的太阳能电池板6a、控制器6b、蓄电池7、充气装置8是多于 一套，方便使用和维护。
本实施方案的工作原理是在风力的作用下，风车风叶2开始旋转，从而带 动风车轴3转动，此时与风车轴用传动方式链接的风力发动机组1也随之转动发 电，电力通过电路电缆线5和控制器6b输入蓄电池7储存和利用；太阳能电池板 6a所发电力通过电路电缆线5和控制器6b输入蓄电池7储存和利用。充气装置8 使用蓄电池7提供的电力运行，有压气体经过输气管12进入工作管段11内的微 气泡发生器13中产生大量微小气泡流。微气泡发生器的截面积与工作管段截面积 的比例一般为40 90% (使微气泡的气量与水量体积比约为40 90%)时提水效果 较好，当比例小于40%时由于气量较小致使提出的水量少或不出水，当比例大于 90%时出气量大而出水量小使效率降低达不到提水循环之目的。
7内向上升 起并带动管段内水体随之上升流动。微小气泡上升随着水压的减小逐渐变大浮力 也随之增大，气泡和水体上升速度也随之加快。由于导流管直径的增加不会对多 组微小气泡流的产生和运动造成影响，因而可以通过增加出水导流管直径(出水 导流管的直径为10 300 cm)来增大输水量。提升后的水经过出水导流管段10的 一段渐扩圆锥面导流面9的导流作用，水体向四周沿水体表面流动、逐渐扩散； 同时，进水导流管15进水口的水又连续不断的补充到导流管内，这样远端水体表 面流动的水也开始向下流动，最终形成大面积的水体三维循环流动。
使用本发明既可以通过加大微气泡发生器的数量或面积同时增加导流管的直 径增加工作面积，还可以通过增加提水设备系统配套数量等多个方面实现了水体 大面积、大流量的循环流动，这样水体大面积的表面流动又使水能充分溶解氧气， 由循环的水体携带更多的溶解氧流向低部水体，提高了水体的均匀性，强化了水 体的自净能力。
应用事例一在相对封闭的水域中，通过本发明的运行，营造三维水体的人 工循环对流，从而改善水体中的温度、溶解氧等静态分层现象，促进上下层水体 交换，提高水中的溶解氧含量，破坏形成水华的藻类的生存环境，实现抑制藻类 繁殖、激活并强化水体自净机能的目的。
应用事例二 通过本发明的运行，营造水体的人工循环对流，促进上下层水 体交换的这一效果，证实其应用范围更加广泛。如冬季用于景观水体时可以实 现景观水体不结冰，创造北方冬季新水景；冬季用于蓄水、引水工程中，可有效 的防止水工建筑物受冻融破坏，增加安全性和耐久性。
以上所述仅为本发明的具体实施方案，不能以此限定本发明实施的范围；即 凡依本发明权利要求书所作的任何变化与修改，皆属本发明专利保护的范围。
权利要求
1、一种三维水体循环增氧净化装置，其特征在于包括电源、充气装置、出水导流管、工作管段、微气泡发生器、进水导流管、输气管、浮体和浮体支架，其中，该电源通过电路分别与该充气装置相连；该充气装置产生的气体经输气管进入容置于工作管段中的微气泡发生器，有压气体通过微气泡发生器上的细孔产生微气泡流；该工作管段上端连接出水导流管，下端连接进水导流管；该太阳能发电装置、风力发电装置、充气装置和出水导流管由该浮体支架承载，该浮体支架与浮体连接。
2、 如权利要求l所述的三维水体循环增氧净化装置，其特征在于所述充气 装置为充气泵或空压机。
3、 如权利要求2所述的三维水体循环增氧净化装置，其特征在于所述微气 泡发生器为微孔尺度为5 200u m的曝气管、曝气头或曝气盘。
4、 如权利要求3所述的三维水体循环增氧净化装置，其特征在于所述微气 泡发生器的截面积为所述工作管段截面积的40 90%。
5、 如权利要求4所述的三维水体循环增氧净化装置，其特征在于所述出水 导流管的出口为一段渐扩圆锥型导流面。
6、 如权利要求5所述的三维水体循环增氧净化装置，其特征在于所述出水 导流管的出口低于水平面。
7、 如权利要求6所述的三维水体循环增氧净化装置，其特征在于所述电源为太阳能发电装置和/或风力发电装置。
8、 如权利要求7所述的三维水体循环增氧净化装置，其特征在于所述风力发电装置包括风车装置、控制器、风力发电机、蓄电池和电路电缆线。
9、 如权利要求7所述的三维水体循环增氧净化装置，其特征在于所述太阳能发电装置包括至少一套太阳能电池板、控制器、蓄电池和电路电缆线。
10、 一种三维水体循环的气动方法，其特征在于使用权利要求1一9中任一项所述的三维水体循环增氧净化装置，在水中由浮体连接支撑的垂直提水管中设 置一种能产生一种气泡流的微气泡发生器，充气装置提供的有压气体通过输气管 进入微气泡发生器以产生比重小于水体的上升微气泡流，在提水管中微气泡流又 推动水体向顶部上升流动，同时提水管底部水体进入提水管后也随之快速向管顶 部流动喷出，并向四周扩散，然后在远处的水向下又回流到提水管底部作循环流 动。
全文摘要
本发明在水体治理与修复领域提供了一种三维水体循环增氧净化装置及方法，实现了在大水域中使水体大流量循环增氧净化功能。该装置包括电源、充气装置、出水导流管、工作管段、微气泡发生器、进水导流管、输气管、浮体和浮体支架。该方法包括，在水域中把充气装置产生的有压气体通过输气管送入固定在工作管段内的微气泡发生器中并产生向上流动的微气泡流，在出水导流管中微气泡流又推动水体向顶部上升流动，同时进水导流管底部水体进入导流管后也随之快速向管顶部流动喷出，向四周扩散，通过表面复氧后在远端向下又回流至导流管底部作循环流动，实现水体交换循环增氧净化之目的。
文档编号C02F7/00GK101676226SQ200810222418
公开日2010年3月24日 申请日期2008年9月16日 优先权日2008年9月16日
发明者井艳文, 操 刘, 刘虎城, 廖日红, 李其军, 华 顾 申请人:北京市水利科学研究所;北京新奥水科技术开发有限公司