一种强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置及曝气方法
【专利摘要】本发明公开一种强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置，包括导流罩；设置在导流罩内的潜水泵、文丘里管、吸气管和至少两个气水排管；和设置在导流罩外的控制柜；文丘里管的一端与潜水泵连通；吸气管与文丘里管连通，并向上延伸至导流罩外；气水排管与文丘里管的另一端连通，气水排管对称地设置在文丘里管的另一端，并向两侧伸展构成机翼状结构；控制柜与潜水泵通过电缆连接。本发明还公开了一种曝气方法，能够根据水动力特性及其动态变化优化调控曝气过程，促使体系中溶解氧水平和缺氧微环境的合理分布，实现内源营养盐的有效控释。
【专利说明】一种强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置及曝气方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及生态环境【技术领域】，尤其涉及一种强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置及曝气方法。
【背景技术】
[0002]底泥(沉积物)是水环境的重要组成部分，也是河湖富营养物质地球化学循环的重要环节与界面。在外源污染有效控制后，底泥的内源营养盐释放往往成为引发水体富营养化和黑臭的主要原因，开展底泥内源营养盐控制已成为河湖富营养化控制与生态修复的重要内容。
[0003]目前采用的底泥内源控释技术主要有底泥疏浚、底泥钝化、底泥原位覆盖和底泥原位曝气。底泥疏浚是应用较为广泛的一种内源污染控制技术，但在疏浚效果的问题上国内外争议颇大，尤其是在疏浚能否长效控制目标污染物及其对底栖生境的影响。底泥钝化主要是用于限制底泥内源磷的释放，其实施过程中投入的药剂会对底栖生境产生一定的不利影响。底泥原位覆盖不适合于底泥淤积较多或水动力强度较大的水体。
[0004]底泥原位曝气可以通过影响泥水界面的氧含量和氧分布来控制内源营养盐的迁移转化行为，因此其日益成为富营养化水体底泥原位修复的重要技术。目前常用的底泥曝气设备主要有鼓风曝气-微孔布气管曝气系统、纯氧增氧系统、叶轮吸气推流式曝气器、水下射流曝气器、叶轮式增氧机、太阳能曝气机和移动船曝气系统等。然而，目前底泥原位曝气工程实施中运行模式相对粗放，主要是以溶解氧(DO)作为技术参数进行调控，忽略了曝气扰动对底泥内源污染物特别是营养盐行为的重要作用，也没有根据水动力特性及其动态变化制订科学的运行调控方案。
[0005]曝气扰动可使底泥在局部范围内大量扬起并悬浮在水体中，促使内源污染物的快速释放，同时可以通过改变泥水界面的氧含量和缺氧微环境分布这一矛盾平衡来控制内源氮的硝化-反硝化和内源磷的“厌氧释磷”和“好氧吸磷”耦合过程。在保持上覆水DO含量一致的条件下，曝气产生的泥水界面扰动对于不同的曝气装置及布置均会有所不同，其直接影响体系中溶解氧水平和缺氧微环境的分布，进而影响内源营养盐的迁移和转化。因此，如何构建合理的技术手段来优化调控曝气产生的扰动作用是内源营养盐控释高效实施的重要环节。
[0006]以往的底泥修复曝气多采用微孔曝气装置，通过风机或空压机向水下布气管输送空气来完成充氧过程，容易产生噪声、堵塞以及上覆水的浑浊甚至黑臭，而且没有根据水动力特性及其动态变化进行 曝气过程调控，往往引起曝气过量，不利于内源氮的硝化-反硝化和内源磷的“厌氧释磷”和“好氧吸磷”耦合过程，进而影响底泥内源营养盐的控释。
[0007]虽然目前已有研究者开始重视曝气扰动在底泥内源营养盐行为的影响作用，但过程分析仅仅局限于曝气产生的悬浮底泥有利于对上覆水体中污染物的吸附去除，没有考虑底泥扰动悬浮会导致上覆水浑浊甚至黑臭以及曝气设备的堵塞等，也没有对曝气扰动作用进行过程调控以促使体系中溶解氧水平和缺氧微环境的合理分布，来强化底泥内源营养盐的控释，而且多采用微孔曝气装置，需要通过在河湖岸边布置固定式充氧站或移动式充氧平台(曝气船)来安装风机或空压机提供一定压力的空气，运行过程噪声较大，布气管水下安装复杂、施工精度要求高，容易被扰动悬浮底泥堵塞。
【发明内容】
[0008]本发明为了解决现有底泥原位曝气技术中存在的不足及缺陷，提出了一种基于扰动特征值雷诺数(Re)反馈调控的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置，其结构紧凑、安装方便、节省能耗、适应性广、克服了底泥扰动悬浮致上覆水浑浊、曝气设备堵塞及噪音的影响，能够根据水动力特性及其动态变化优化调控曝气过程，促使体系中溶解氧水平和缺氧微环境的合理分布，实现底泥内源营养盐的有效控释。
[0009]本发明提出了一种强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置，包括:
[0010]导流罩，所述导流罩包括:第一罩体和至少两个第二罩体，所述第一罩体的末端与所述第二罩体连通；
[0011 ] 设置在所述导流罩内的潜水泵、文丘里管、吸气管和至少两个气水排管；和设置在所述导流罩外的控制柜；
[0012]其中，所述潜水泵、所述文丘里管和所述吸水管设置在所述第一罩体内；所述气水排管设置在相应的所述第二罩体内；所述文丘里管的一端与所述潜水泵连通；所述吸气管设置在所述文丘里管上，与所述文丘里管连通，并向上延伸至所述导流罩外；所述气水排管与所述文丘里管的另一端连通，所述气水排管对称地设置在所述文丘里管的另一端，并向两侧伸展构成机翼状结构；所述控制柜与所述潜水泵通过电缆连接。
[0013]本发明提出的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置中，进一步包括流速传感器，所述流速传感器设置在所述导流罩外，并与所述控制柜连接。
`[0014]本发明提出的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置中，所述潜水泵包括:电机，和设置在所述电机下方并且开口向下的吸水口 ；所述吸水口延伸到所述导流罩外；所述流速传感器与所述吸水口之间的距离为2-3米。
[0015]本发明提出的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置中，所述气水排管向下倾斜，并与所述文丘里管所在平面呈15-45°。
[0016]本发明提出的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置中，对称设置在所述文丘里管两侧的所述气水排管之间的夹角为60-90°。
[0017]本发明提出的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置中，所述气水排管设置有至少一个水力喷嘴，所述水力喷嘴分布在所述气水排管上，并延伸到所述导流罩外。优选地，所述气水排管上设置5个所述水力喷嘴。
[0018]本发明提出的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置中，所述导流罩为网状结构，其上分布有孔口，所述孔口的直径为1-1.5厘米。
[0019]本发明提出的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置中，所述吸气管长度为
0.8-1.5 米。
[0020]本发明还提出了一种强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置的曝气方法，包括以下步骤:
[0021]步骤一:将强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置通过任意漂浮支架固定安置在需修复的水域中；
[0022]步骤二:所述控制柜调控潜水泵的吸水口，自所在水域内吸水，并对吸入的水进行加压，形成加压水流后，将加压水流输送进入文丘里管；
[0023]步骤三:所述加压水流在文丘里管内部形成负压区；
[0024]步骤四:通过负压的作用，吸气管吸入空气与所述加压水流混合；
[0025]步骤五:与空气混合后的所述加压水流进入气水排管内，经由水力喷嘴喷至所述水域内实现曝气。
[0026]本发明还提出的曝气方法中，所述水力喷嘴设置在所述水域中，其与所述水域泥水界面的距离为10-20厘米。
[0027]本发明还提出的曝气方法中，所述吸气管的吸气端露出所述水域水面的高度大于等于10厘米。
[0028]本发明还提出的曝气方法中，所述控制柜控制所述潜水泵包括以下步骤:
[0029]步骤a:通过流速传感器实时采集所在水域的水流速度；
[0030]步骤b:将所述流速传感器采集的水流速度传送给所述控制柜，由所述控制柜计算出所述水域的雷诺数；
[0031]步骤c:判断当所述雷诺数大于2000时，所述控制柜减少所述潜水泵的输出，降低所述吸水口的吸水量；当所述雷诺数小于1600时，所述控制柜增加所述潜水泵的输出，提高所述吸水口的吸水量；所述雷诺数在1600-2000之间时，保持当前所述潜水泵的输出不变。
[0032]本发明还提出的曝气方法中，所述雷诺数的计算公式为:
【权利要求】
1.一种强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置，其特征在于，包括: 导流罩(7)，所述导流罩(7)包括:第一罩体(71)和至少两个第二罩体(72)，所述第一罩体(71)的末端与所述第二罩体(72)连通； 设置在所述导流罩(7)内的潜水泵(I)、文丘里管(2)、吸气管(3)和至少两个气水排管(4);和 设置在所述导流罩(7)外的控制柜(5)； 其中，所述潜水泵(I)、所述文丘里管(2)和所述吸水管(3)设置在所述第一罩体(71)内；所述气水排管(4)设置在相应的所述第二罩体(72)内； 所述文丘里管(2)的一端与所述潜水泵(I)连通； 所述吸气管(3)设置在所述文丘里管(2)上，与所述文丘里管(2)连通，并向上延伸至所述导流罩(7)外； 所述气水排管(4)与所述文丘里管(2)的另一端连通，所述气水排管(4)对称地设置在所述文丘里管(2)的另一端，并向两侧伸展构成机翼状结构； 所述控制柜(5)与所述潜水泵(I)通过电缆连接。
2.如权利要求1所述的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置，其特征在于，进一步包括流速传感器(6)，所述流速传感器(6)设置在所述导流罩(7)外，并与所述控制柜(5)连接。
3.如权利要求2所述的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置，其特征在于，所述潜水泵⑴包括:电机(11)，和设置在所`述电机(11)下方并且开口向下的吸水口(12);所述吸水口(12)延伸到所述导流罩(7)外；所述流速传感器(6)与所述吸水口(12)之间的距离为2-3米。
4.如权利要求1所述的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置，其特征在于，所述气水排管(4)向下倾斜，并与所述文丘里管(2)所在平面呈15-45°。
5.如权利要求1所述的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置，其特征在于，对称设置在所述文丘里管(2)两侧的所述气水排管(4)之间的夹角为60-90°。
6.如权利要求1所述的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置，其特征在于，所述气水排管(4)设置有至少一个水力喷嘴(41)，所述水力喷嘴(41)分布在所述气水排管(4)上，并延伸到所述导流罩(7)外。
7.如权利要求1所述的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置，其特征在于，所述导流罩(7)为网状结构，其上分布有孔口(73)，所述孔口(73)的直径为1-1.5厘米。
8.如权利要求1所述的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置，其特征在于，所述吸气管(3)的长度为0.8-1.5米。
9.一种强化内源营养盐控释的底泥修复曝气方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一:将权利要求1-8所述的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置安置在需修复的水域中； 步骤二:所述控制柜(5)调控潜水泵(I)的吸水口(12)，自所在水域内吸水，并对吸入的水进行加压，形成加压水流后，将加压水流输送进入文丘里管(2); 步骤三:所述加压水流在文丘里管(2)内部形成负压区； 步骤四:通过负压的作用，吸气管(3)吸入空气与所述加压水流混合；步骤五:与空气混合后的所述加压水流进入气水排管(4)内，经由水力喷嘴(41)喷至所述水域内实现曝气。
10.如权利要求9所述的曝气方法，其特征在于，所述水力喷嘴(41)设置在所述水域中，其与所述水域泥水界面的距离为10-20厘米。
11.如权利要求9所述的曝气方法，其特征在于，所述吸气管(3)的吸气端露出所述水域水面的高度大于等于10厘米。
12.如权利要求9所述的曝气方法，其特征在于，所述控制柜(5)控制所述潜水泵(I)包括以下步骤: 步骤a:通过流速传感器(6)实时采集所在水域的水流速度； 步骤b:将所述流速传感器(6)采集的水流速度传送给所述控制柜(5)，由所述控制柜(5)计算出所述水域的雷诺数； 步骤c:判断当所述雷诺数大于2000时，所述控制柜(5)减少所述潜水泵(I)的输出，降低所述吸水口(12)的吸水量；当所述雷诺数小于1600时，所述控制柜(5)增加所述潜水泵(I)的输出，提高所述吸水口(12)的吸水量；所述雷诺数在1600-2000之间时，保持当前所述潜水泵(I)的输出不变。
13.如权利要求12所述的曝气方法，其特征在于，所述雷诺数的计算公式为:...VR
14.如权利要求12所述的曝气方法，其特征在于，所述步骤c中进一步包括:所述控制柜(5)按调整量增加或减少所述潜水泵(I)的输出，所述调整量为5-10%。
【文档编号】C02F11/02GK103848548SQ201410079077
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年3月5日 优先权日:2014年3月5日
【发明者】何岩, 李文超, 李志洪, 黄民生, 胡伟, 魏金豹, 刘素芳, 马俊飞 申请人:华东师范大学