一种基于太阳能微纳米曝气的复合人工浮岛水处理装置的制作方法

本实用新型涉及应用于富营养化河流、湖泊、水库和黑臭水体原位水质净化技术领域，尤其涉及一种基于太阳能微纳米曝气的复合人工浮岛水处理装置。

背景技术：

2015年我国环境状况公报水质监测结果显示，目前江河湖库水体水质中Ⅳ类ˉ劣Ⅴ类水体占到了35.5％，我国受污染水体比重超过了三分之一，污染形势依然严峻。这些水体污染特征多为有机型，主要污染指标为化学需氧量、氨氮和总磷。传统的物理、化学、生化方法处理河湖污染水体存在投资成本高、操作困难，易产生二次污染且不能从根本上解决水体的富营养化问题。人工生态浮岛技术具有成本低廉，无二次污染，在净化水体的同时又能美化景观，是富营养化水体修复治理的一种理想技术。

传统的生态浮岛是通过浮床植物的吸附、吸收及根系附着微生物的降解作用达到净化水体的目的。然而这种依靠植物生长过程中根系的吸附、吸收作用净化水体的效果有一定的局限性，受植物生长环境的影响很大，如水体温度，污染程度，植物种植方式等。有研究表明单纯依靠植物的吸收作用对氮、磷等营养物的去除率<10％，且受植物生长周期的影响，降解反应慢，处理周期长。这些都严重制约着生态浮岛的广泛应用。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于太阳能微纳米曝气的复合人工浮岛水处理装置，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于太阳能微纳米曝气的复合人工浮岛水处理装置，包括：太阳能供电系统、微纳米曝气系统、自控系统和复合人工浮岛系统，所述太阳能供电系统分别为所述微纳米曝气系统和所述自控系统提供电能，所述微纳米曝气系统为所述复合人工浮岛系统提供曝气，所述微纳米曝气系统与所述自控系统连接。

优选地，所述太阳能供电系统包括太阳能光伏板和与所述太阳能光伏板连接的蓄电设备，所述蓄电设备分别与所述微纳米曝气系统和所述自控系统连接。

优选地，所述蓄电设备包括控制器、蓄电池和逆变器，所述控制器分别与所述太阳能光伏板、蓄电池和自控系统连接，所述蓄电池通过所述逆变器与所述微纳米曝气系统和自控系统连接。

优选地，所述微纳米曝气系统包括曝气泵、水泵、微纳米气泡发生器和曝气管路，所述曝气泵和水泵均与所述自控系统连接，所述曝气泵和水泵均与所述微纳米气泡发生器的进口连接，所述微纳米气泡发生器的出口与所述曝气管路连接，所述曝气管路的出口设置在所述复合人工浮岛系统的下方。

优选地，所述复合人工浮岛系统包括浮床、生物填料和水生植物，所述生物填料悬挂于所述浮床的下方，所述水生植物种植在所述浮床的上方。

优选地，所述浮床采用锚固式或杆定式固定。

优选地，所述生物填料选用碳纤维生物填料。

优选地，所述自控系统包括PLC控制系统和远程水质监测系统，所述PLC控制系统分别与所述远程水质监测系统和所述微纳米曝气系统连接。

优选地，所述自控系统还包括箱体，所述PLC控制系统和远程水质监测系统设置在所述箱体中。

本实用新型的有益效果是：本实用新型公开了一种基于太阳能微纳米曝气的复合人工浮岛水处理装置，该装置包括太阳能供电系统、微纳米曝气系统、自控系统和复合人工浮岛系统，所述太阳能供电系统分别为所述微纳米曝气系统和所述自控系统提供电能，所述微纳米曝气系统为所述复合人工浮岛系统提供曝气，所述微纳米曝气系统与所述自控系统连接。通过采用太阳能光伏发电方式供应浮岛所需电能，避免“曝气增氧”技术中存在的高能耗及运行管理不便等问题，采用自控系统，实时调控和监测曝气系统的运行条件和水质水量变化情况，采用复合人工浮岛系统强化对水质的净化效果。本实用新型设计结构紧凑，由独立的模块化设备拼接而成，组装维护十分方便。

附图说明

图1是本实用新型提供的装置的整体结构示意图；

图2是太阳能供电系统和微纳米曝气系统的结构示意图。

图中，各符号的含义如下：

1太阳能供电系统，2微纳米曝气系统，3自控系统，4复合人工浮岛系统，5太阳能光伏板，6蓄电设备，7控制器，8蓄电池，9逆变器，10曝气泵，11水泵，12微纳米气泡发生器，13曝气管路，14浮床，15生物填料，16水生植物，17PLC控制系统，18远程水质监测系统。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

为了克服传统生态浮岛净污主体的单一性，可以在传统生态浮岛的基础上引入生物填料，曝气系统或多种植物、水生动物，通过强化生态系统内动植物与微生物之间的相互作用，强化水质净化效果，如中国发明专利(公开号CN101428909A)公开了一种复合人工生态浮岛，通过在浮床底部悬挂多孔性高分子藻菌生物膜载体填料，强化浮岛对水体的净化效果。再如中国发明专利(公开号102849845)公开了一种生物碳纤维水处理填料的制备方法及应用，将该种生物碳纤维应用于生态浮岛中，由于其良好的生物相容性，能够实现快速的生物挂膜和脱落的优点，在河流、湖泊治理中得到了广泛应用。其超高的比较面积为微生物提供了充足的栖息地，同时由于其毛环状结构具有水草状生态结构，能随水体的流动而飘动，是一种优良的生物载体。研究结果表明，碳纤维材料的浮岛系统对微污染水体中的COD、NH4+-N以及TP都有很好的去除效果。

但紧靠添加生物填料的人工浮岛目前仍然存在反硝化效率低，当水体中富营养化较严重时，对水体中污染物的去除，尤其是TN的去除效果不佳。因此对于城市河道污染较重的水体通过人工曝气系统，强化人工浮岛的生物处理效果，如中国发明专利(公开号10426566)公开了一种微曝气强化生态浮床污水处理装置，在生态浮岛底部接入微曝气系统对装置进行曝气充氧，提高水体中的溶解氧含量，提高污染物的降解速率，促进水体生态系统的恢复。但普通的曝气方式能耗较大，且产生气泡的大小会影响氧的传质效率进而影响水体的利用率，同时存在能耗大、不环保等问题及漏电的安全风险。

可见，采用组合型浮岛能提高浮岛对富营养化水质的净化效果，但组合浮岛各部分之间及运行参数需要根据水质、水量情况因地制宜的进行调控和配置，如曝气能提高污染物的去除效率，但过量的曝气会导致电耗等运行成本的上升，同时还不能实现同步硝化和反硝化的脱氮效果，反而降低了水质净化效率。本实用新型采用自控系统通过远程控制和在线监测系统实现实时的管理和调控运行参数，同时采用微纳米曝气系统对水体进行高效充氧，并通过太阳能光伏供电系统为装置提供绿色清洁电源，有效解决浮岛运行效率低和水下电缆不易维护和运行成本高的问题。

如图1-2所示，本实用新型实施例提供了一种基于太阳能微纳米曝气的复合人工浮岛水处理装置，包括：太阳能供电系统1、微纳米曝气系统2、自控系统3和复合人工浮岛系统4，太阳能供电系统1分别为微纳米曝气系统2和自控系统3提供电能，微纳米曝气系统2为复合人工浮岛系统4提供曝气，微纳米曝气系统2与自控系统3连接。

上述结构的装置中，通过加载太阳能供电系统，可以使得需电设备无需使用外接电源，避免水下电缆铺设的漏电风险；通过加载模块化的微纳米曝气系统，可以实现高效、快速持久的充氧技术；通过加载智能化自控系统，通过在线水质监测系统及远程控制系统实时调节曝气运行参数，调控微生物系统环境，实现高效的脱氮除磷效果。

在本实施例中，太阳能供电系统1可以包括太阳能光伏板5和与太阳能光伏板5连接的蓄电设备6，蓄电设备6分别与微纳米曝气系统2和自控系统3连接。

其中，蓄电设备6可以包括控制器7、蓄电池8和逆变器9，控制器7分别与太阳能光伏板5、蓄电池8和自控系统3连接，蓄电池8通过逆变器9与微纳米曝气系统2和自控系统3连接。

使用过程中，微纳米曝气系统和自控系统中的直流电设备可以直接与控制器连接，交流电设备可以通过逆变器与蓄电池连接。

本实施例中，微纳米曝气系统2可以包括曝气泵10、水泵11、微纳米气泡发生器12和曝气管路13，曝气泵10和水泵11均与自控系统3连接，曝气泵10和水泵11均与微纳米气泡发生器12的进口连接，微纳米气泡发生器12的出口与曝气管路13连接，曝气管路13的出口设置在复合人工浮岛系统4的下方。

实际使用过程中，可以将气泵通过气管与微纳米气泡发生器的气体接口相连接，将水泵通过水管与微纳米气泡发生器的液体接口相连接，微纳米气泡发生器的出口连接浮床底部固定的曝气管路，曝气管路可以通过杆定支架固定于浮床填料下方。

同时，可以将曝气泵、水泵和微纳米气泡发生器固定于浮床上部中心位置。

采用上述结构，可以通过微纳米气泡发生器将气和水以一定比例混合产生微纳米尺寸气泡，通过曝气管路在生物填料底部进行曝气充氧，可实现高效、快速、持久的充氧效果。

本实施例中，复合人工浮岛系统4可以包括浮床14、生物填料15和水生植物16，生物填料15悬挂于浮床14的下方，水生植物16种植在浮床14的上方。

上述结构中，浮床可以作为支撑载体，下方均匀悬挂生物填料，上方种植水生植物，同时在浮床底部设置曝气管路，为微生物降解提供所需氧气，强化污染物的去除效果。则通过微生物的降解作用和水生植物吸收、吸附的协同作用，实现水体污染物的高效去除。

其中，浮床14可以采用锚固式或杆定式固定。

在实际使用中，浮床可根据具体水流特征采用锚固式或杆定式进行固定。

本实施例中，浮床14可以选用轻质高密度聚乙烯塑料，浮床14四周可以固定有PVC管，浮床14的底部安装有浮筒。

为提升浮床浮力和抗风浪能力，浮床四周可以用PVC管固定；为了减轻浮床重力负荷，可通过在浮床底部安装浮筒的方式，增加浮床浮力。

本实施例中，生物填料15可以选用碳纤维生物填料。

本实施例中，自控系统3可以包括PLC控制系统17和远程水质监测系统18，PLC控制系统17分别与远程水质监测系统18和微纳米曝气系统2连接。

自控系统与微纳米曝气系统相连接，其电能由太阳能供电系统提供，对水质数据如温度，pH，溶解氧等进行实时监控与调节，实现水体好氧，兼氧及厌氧条件的时间交替环境，并可以通过数据记录系统将水质数据实时传输至远程客户端。

本实施例中，自控系统3还可以包括箱体，PLC控制系统17和远程水质监测系统18设置在所述箱体中。

通过设置箱体结构，并将PLC控制系统和远程水质监测系统均设置在箱体中，避免PLC控制系统和远程水质监测系统受到外界因素的影响和破坏。

实际操作过程中，可以按照如下方法进行实施

1、前期准备：

(1)现场调查：试验地点水体，现已受富营养化污染；

(2)浮岛单元制作：设计制作宽2m，长4m的矩形浮岛单元，浮床载体选用轻质高密度聚乙烯塑料，为提升浮床浮力和抗风浪能力，浮床四周用PVC管固定；为了减轻浮床重力负荷，可通过在浮床底部安装浮筒，增加浮床浮力；浮床下部悬挂的碳纤维生物填料由水处理工程中心提供，生物纤维长为1m；每个浮岛单元放置15个栽种空穴；

(3)浮岛的固定：考虑新凤河水深较浅，采用杆定式将浮岛固定，将固定浮岛的竹竿插于河湖底部，再将浮岛固定于竹竿上。

2、太阳能微纳米曝气系统安装：

(1)将太阳能光伏板朝南斜45度角用支架固定于浮床上部，将光伏控制器、蓄电池和逆变器组装与储电系统控制箱中，按顺序链接；

(2)自控系统中直流电设备直接与光伏控制器连接，交流电设备与逆变器连接；

(3)自控系统采用定制的西门子控制系统用轻质支架固定于浮床上方，水质监测系统根据需要加载温度、pH单极、溶氧电极传感器，将传感器探头放入浮床下部，与自控系统相连接；通过PLC系统连接气泵和水泵的开停，并安装继电阀控制气量大小；

(4)将曝气泵、水泵和微纳米气泡发生器固定于浮床上部中心位置，将气泵通过气管与气泡发生器气体接口相连接，将水泵通过水管与气泡发生器液体接口相连接，气泡发生器出口连接浮床底部固定的曝气管路，曝气管路通过杆定支架固定于浮床填料下方。

3、装置调试与启动：

(1)在浮岛孔穴中放置水生植物菖蒲，并用海绵加以固定；放入水体后确保植株根部没入水中以及浮岛底部的生物膜载体在水体中垂直铺展；

(2)检查各设备电路连接线路，确保各电器设备的供电正常，检查自控系统控制路径和逻辑关系，确保自控系统的正常运行；

(3)通过远程监测系统监测水体环境变化情况，并根据监测结果调节曝气系统运行参数，设置好运行参数后，开启自控系统电源进行运行。

本实施案例中浮岛单元的大小、填料数量等可以根据景观和水体需要而定，对实用新型效果没有影响。

通过采用本实用新型公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本实用新型公开了一种基于太阳能微纳米曝气的复合人工浮岛水处理装置，该装置包括太阳能供电设备，微纳米曝气设备，自控系统和装填有碳纤维生物填料的复合人工浮岛设备。所述太阳能发电设备包括太阳能发电板，控制器，太阳能蓄电池组和电源逆配器；所述微纳米曝气设备包括曝气泵，水泵，微纳米气泡发生器和曝气管路；所述自控系统包括自控箱体和PLC控制系统及远程水质监测系统；所述人工浮岛设备包括碳纤维生物填料、水生植物和浮岛浮体，所述碳纤维生物填料悬挂于浮岛浮体下方，用于微生物挂膜。本实用新型通过采用太阳能光伏发电方式供应浮岛所需电能，避免“曝气增氧”技术中存在的高能耗及运行管理不便等问题。采用PLC自控及远程系统，实时调控和监测曝气系统的运行条件和水质水量变化情况。将水生植物和碳纤维生物填料耦合协同强化人工浮岛对水质的净化效果，通过水生植物根系吸附、吸收作用去除水中的有机物及氮磷，依据水质监测数据，通过PLC调控曝气系统，使水域形成厌氧、兼氧、好氧环境促进附着于碳纤维生物填料上的微生物进行硝化、反硝化作用，实现高效有机物和氮磷的作用。本实用新型设计结构紧凑，由独立的模块化设备拼接而成，组装维护十分方便。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本领域人员应该理解的是，上述实施例提供的方法步骤的时序可根据实际情况进行适应性调整，也可根据实际情况并发进行。

上述实施例涉及的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机设备可读取的存储介质中，用于执行上述各实施例方法所述的全部或部分步骤。所述计算机设备，例如：个人计算机、服务器、网络设备、智能移动终端、智能家居设备、穿戴式智能设备、车载智能设备等；所述的存储介质，例如：RAM、ROM、磁碟、磁带、光盘、闪存、U盘、移动硬盘、存储卡、记忆棒、网络服务器存储、网络云存储等。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。