新型生态浮岛及使用该生态浮岛的水体修复方法与流程

本发明涉及一种新型生态浮岛及使用该生态浮岛的水体修复方法。

背景技术：

随着经济的发展，湖泊等水体富营养化是当今世界面临的重大环境问题。湖库水体营养化使水质恶化，诱发“水质性”缺水危机，降低水资源综合利用效率和安全供水保障能力。对于富营养化的水体，各国家和地区采用不同的物理、化学、生物方法进行治理，在一定程度上修复了营养化的水体。研究表明，生态修复方法得到了普遍的认可。人工浮岛作为水体原位修复技术中的一种，相比于其它的生物修复技术有显著的优点。浮岛利用植物吸收作用和微生物的净化作用修复水体，对富营养化水质的有较好的净化作用。

已知，研究人员研发了新型曝气填料浮岛，该浮岛主要依靠填料的生物膜净化，不依赖植物，管理方便，提高了浮岛的净化效果。另外，研究人员还研究了湖泊水体营养物质的移出方法和装置，该装置包括浮床，浮床中间有槽形水流渠道；浮床在水体中行走时，水流从渠道穿过，通过向水流中投放加絮凝剂、搅拌、形成絮体，通过磁分离系统进行吸附絮体，并清除。

然而，目前在治理水体富营养化的方法中，存在运行维护复杂、处理工艺繁琐、节能性差、成本较高、不能持续有效的问题，因而难于实现低价低碳持续高效、广谱、生态治污。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种新型生态浮岛，所述生态浮岛包括：

曝气浮体装置、载置于所述曝气浮体装置的上方的动力装置、与所述曝气浮体装置相连接的水体输送装置以及与所述水体输送装置相连接的营养分解吸收装置，其中，所述曝气浮体装置包括设有缩颈部的曝气单元。

作为一种改进所述曝气浮体装置包括多个所述曝气单元，多个所述曝气单元通过连接形成气体通路和水路通路，所述曝气单元包括用于提供浮力的浮体。

作为一种改进，所述缩颈部的横截面面积自下而上逐渐变小。

作为一种改进，所述水体输送装置包括进水延长管和出水延长管的水路管网，所述进水延长管的管口和所述出水延长管的管口设置在需要修复的水体位置。

作为一种改进，所述曝气单元还包括设有排液插件的排液部，所述排液插件具有多个独立空间。

作为一种改进，所述多个独立空间由经过横截面中心的多条线分隔而成、或者由两组平行线相互交叉分隔形成。

本发明提供了一种使用本发明的生态浮岛的水体修复方法，所述水体修复方法包括：

曝气增氧步骤，通过曝气浮体装置进行曝气增氧处理；

造流步骤，将需要修复的水体通过包括进水延长管和出水延长管的水体输送装置提升进入所述曝气浮体装置，使所述进水延长管的管口与所述出水延长管的管口之间的水域水体形成约束的对流，以实现造流；

水体营养物质分解吸收步骤，通过水体输送装置将所述曝气浮体装置处理后的水体输送至营养分解吸收装置中，所述营养分解吸收装置包括使用绿植对该水体的营养物质进行分解、吸收；

水体修复步骤，将经绿植分解、吸收之后的水体再输送至需要修复的水体，实现进出水分离的水体定点修复。

作为一种改进，所述曝气浮体单元和所述营养分解吸收装置通过所述水体输送装置来输送水体。

作为一种改进，，所述水体输送装置的水路管网中的管路包括通过多个所述曝气单元在立体空间的多个方向上相互组合而形成的水路通路。

作为一种改进通过动力装置为所述曝气浮体装置的曝气增氧过程提供动力，所述曝气浮体装置内部和外界水体之间形成水位差为所述水体输送装置的水体输送过程提供动力。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的生态浮岛具有造流、增氧、营养物质分解吸收、定点修复的功能，能够以太阳能及风能为动力，适用于湖泊、水库及大型河道的水体修复；

(2)本发明的生态浮岛为组合式安装，方便快捷，可按照现场要求，组合为多种形式及结构；

(3)本发明的生态浮岛因组合而形成能气体通路和水路通路，能够以微小动力实现区域水域的增氧、造流及定点修复；

(4)本发明处理单位水量所需的动力小，所需的太阳能板面积更小，便于开发大规模水域水体治理装置。同等功率下处理水量大，具有节能效果；

(5)本发明的内部结构，有利于水中的硫化氢、氨气等有毒有害气体排出，能够调节水体中的溶解气体平衡，并提高气体溶解效率和供氧效率；

(6)本发明可作为具有曝气功能的浮体使用，可用于建设浮动式码头、水面电站等，使水面工程建筑具有水体修复的功能。

附图说明

图1为示出了本发明的新型生态浮岛的立体示意图。

图2为示出了本发明的太阳能曝气浮岛的剖面立体示意图。

图3为第一实施方式的曝气单元的内部结构示意图。

图4为第一实施方式的曝气单元的立体示意图。

图5为第二实施方式的曝气单元的内部结构示意图。

图6为第二实施方式的曝气单元的立体示意图。

图7为本发明的曝气单元的排液插件的截面示意图，其中，图7的(a)为排液插件的第一种形式的圆形截面，图7的(b)为排液插件的第二种形式的圆形截面，图7的(c)为排液插件的第一种形式的多边形截面，图7的(d)为排液插件的第二种形式的多边形截面。

图中，1.新型生态浮岛；2.曝气浮体装置；3.营养分解吸收装置；4.动力装置；5.水体输送装置；6.延长管；7.太阳能电池板；8.风力发电机；9.控制柜；10.气体供给部；21.曝气单元；22.进水口；23.进气口；24.曝气部；25.缩颈部；26.排液部；27.横管；28.排气口；29.集水管；30.出水口；31.浮体；61.进水延长管；62.出水延长管；111a.上部阳面镶嵌；111b.上部阴面镶嵌孔；112a、113a、114a、211a、212a、213a、214a、215a、216a、217a、218a阳面嵌套；112b、113b、114b、211b、212b、213b、214b、215b、216b、217b、218b阴面嵌套孔；221a.上侧横向阳面嵌套；222a.下侧横向阳面嵌套；221b.上侧横向阴面嵌套孔；222b.下侧横向阴面嵌套孔。

具体实施方式

以下将参照图1至图7对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明的新型生态浮岛1包括曝气浮体装置2、载置于曝气浮体装置2的上方的动力装置4、与曝气浮体装置2相连接的水体输送装置5以及与水体输送装置5相连接的营养分解吸收装置3。其中，曝气浮体装置2包括曝气单元21，并且曝气浮体装置2包括多个曝气单元21，该多个曝气单元21通过管路嵌套的方式组合一起，由此形成了水路通路和气体通路；动力装置4包括包括载置于曝气浮体装置2的上方的太阳能电池板7、风力发电机8、控制柜9，动力装置4为曝气浮体装置2的曝气增氧过程提供动力。另外，复数个曝气浮体装置2构成的浮岛可以直接作为太阳能电池板7和风力发电机8的水上支撑平台，由于曝气浮体装置2包括用于提供浮力的浮体31，因此，无需额外配备浮体，太阳能电池板7和风力发电机8用于水面发电，电力通过控制柜9用于生态浮岛对水体的修复过程；水体输送装置5包括与曝气单元21相连通的进水延长管61以及与曝气单元21相连通的出水延长管62，水体输送装置5包括水路管网，该水路管网包括进水延长管61和出水延伸管62，并且该水路管网是由横向、纵向或其它方向的多个管例如以嵌套的方式连接在一起而形成的，由此实现无缝对接。另外，多个曝气单元21之间相互连接形成水路通路和气体通路。本发明的新型生态浮岛1利用水体输送装置5实现定点修复，并且将水体底层的含有营养物质的水体、即需要修复的水体经曝气单元21增氧之后输送至营养分解吸收装置3、即水面绿植的根部，使绿植对营养物质进行分解、吸收。在本实施方式中，生态浮岛1可以为太阳能曝气浮岛或风光互补曝气浮岛等。

图2为太阳能曝气浮岛的剖面立体示意图。以太阳能曝气浮岛为例对本发明的生态浮岛1进行详细说明。如图2所示，太阳能曝气浮岛1包括曝气浮体装置2、即由多个曝气单元21组合式连接在一起的组合式曝气单元，在组合式曝气单元的上表面设有太阳能电池板7以及与曝气单元21的进气口23连接的气体供给部10，该气体供给部10为风机或空气压缩机等，在组合式曝气单元的内部包括曝气管路以及通过连接形成的水路通路和气体通路，组合式曝气单元与位于组合式曝气单元的外部的水体输送装置5相连通。另外，曝气单元21包括用于给整个曝气单元21提供浮力的浮体31，因此，组合式曝气单元能够浮在水面。在本实施方式中，太阳能曝气浮岛1包括营养分解吸收装置3，营养分解吸收装置3可以设置在组合式曝气单元之间、即曝气浮体装置2的内部或者设置在曝气浮体装置2的内部，并且营养分解吸收装置3可以是水培装置或者悬挂于水路管网的诸如人工草等的纤维填料，还可以是其它类型的营养吸收装置。另外，太阳能电池板7能够水面发电，并将电力用于曝气单元21的曝气造流过程以及用于对营养分解吸收装置3的供水。控制柜9通过对进水管和出水管与延长管6的进出位置及深度的设置，曝气浮体装置2的内部和外界水体之间形成水位差为水体输送装置5的水体输送过程提供动力，进而推动水域内水体的流动，改善水体横向及纵向的扩散与对流，最终实现深层或表层的水体定点修复。

第一实施方式

以下单向方型曝气单元为示例，对本发明的生态浮岛进行详细说明。如图3、图4和图7所示，与传统的圆形横截面不同，在第一实施方式中，曝气单元21的横截面为四边形，例如矩形。曝气单元21包括：进水口22，其位于曝气单元21下部的一侧面；进气口23，其位于进水口22的上方，并且该进气口23通过气体分配器与风机相连；曝气部24，其位于进气口23的上方并与进气口23连接，并且该曝气部24设置有曝气器；缩颈部25，位于曝气部24的上侧，并且该缩颈部25的横截面面积自下而上逐渐变小；排液部26，其位于缩颈部25的上方，并且该排液部26设置有排液插件；排液插件的内部具有多个独立空间，从排液插件的横截面来看，该多个独立空间例如由经过横截面中心的多条线分隔而成、或者由两组平行线相互交叉分隔形成，该横截面例如为圆形、多边形等，具体参见图7，这些形式的截面仅用于说明，而不能理解为对排液插件的截面的限制，由此排液插件能够增强气泡与气泡之间相互挤压，并减小气泡与气泡之间的间隔以便于排液；具有该这结构的排液插件使气泡在固定路径上升，气泡上升的速度增加，并且有利于有效提高水中的氧气溶解度；横管27，其与排气口28连通，并且该横管27用于将气泡输送至集水管29；排气口28，其位于该曝气单元21的上端面，并且该排气口28用于排出气体；集水管29，其位于排气口28的下方，在集水管29中汇集了气泡以及连同随气泡运动的液体，在重力作用下形成气液分离；出水口30，其将集水管29中分离出的液体排出；以及浮体(在本实施方式中为浮筒部)31，其用于提供该曝气单元21的水面浮力，该浮筒部31的横截面形状可以为圆形、方形或者不规则形状并且由实心或空心的轻质材料构成。

多个曝气单元或者多个组合式曝气单元通过连接形成曝气浮体装置2。通过曝气单元21在例如10-50cm的水深处曝气，能够使出水口30和进水口22之间的水域水体形成对流。具体地，曝气浮体装置2的进水管口和出水管口分别连接横向、纵向或其它方向的延长管6，延长管6包括进水延长管61和出水延长管62，具体地，横向延长管的长度为例如20-30m，而纵向延伸管的长度为例如20-50m，由此实现区域内的定点修复，从而改善大面积的水体。此外，进水延长管61的管口和出水延伸管62的管口均设置在水体中需要修复水体的位置，例如远离或靠近曝气浮体装置2的进水口22和出水口30的位置。当曝气单元21曝气时，带动水体从集水管29排出，由此在集水管29和外界水体之间形成水位差，利用重力和大气压力将深处或远处的水体(即，需要修复的水体)自动地吸入曝气单元21，实现了深处或远处的水体曝气过程，使进水延长管61的管口与出水延长管62的管口之间形成约束的对流，即利用微小动力来区域内的水体增氧、造流及定点修复水体。因此，节能化实现了水体定点修复。应注意，多个曝气单元21的连接方式例如在进水口22处沿进水口的中心轴线方向形成进水管路。另外，多个曝气单元21例如沿进气口23的中心轴线方向连接，由进气口23连接成完整气体通路，其中，进气通路中设置有曝气管。在上述连接方式中，多个曝气单元21同样地沿出水口30的中心轴线方向形成排气管路。综上，多个曝气单元1通过进气口3、进水口2、出水口10在立体空间的多个方向上进行组合，形成气体通路、水路通路，由此形成具有水路通路和气体通路的模块化浮体曝气装置。另外，本发明的曝气单元1包括用于提供浮体的浮体11，在使用中无需额外提供浮体，由此提高了节能性。

另外，为了多个曝气单元21之间的连接，曝气单元21还在左右两侧中一侧设有上部阳面镶嵌111a，而在另一侧设有上部阴面镶嵌孔111b(在本实施方式中，在左侧设有上部阳面镶嵌111a，而在右侧设有上部阴面镶嵌孔111b)。然而，也可以在左侧设有上部阴面镶嵌孔111b，而在右侧设有上部阳面镶嵌111a。在出水口30的第一外表面侧设有阳面镶嵌112a或阴面镶嵌孔112b，而在出水口30的第二外表面侧设有阴面镶嵌孔112b或阳面镶嵌112a。同样地，在进水口22的第一外表面侧设有阳面镶嵌113a或阴面镶嵌孔113b，而在进水口22的第二外表面侧设有阴面镶嵌孔113b或阳面镶嵌113a。同样地，在进气口23的第一外表面侧设有阳面镶嵌114a或阴面镶嵌孔114b，而在进气口23的第二外表面侧设有阴面镶嵌孔114b或阳面镶嵌114a。通过上述阳面嵌套和上述阴面嵌套孔例如以嵌套的方式进行连接以实现无缝连接。

在本实施方式中，在进水管路、出水管路、进水延长管61、出水延长管62以及气体通路中，各管之间以嵌套的方式连接。应注意，多个曝气单元21还可以根据需要而使用其它的连接方式。不同连接方式形成的曝气浮体装置2内部的进水管路和出水管路，而与曝气浮体装置2的进水口22和出水口30相连通的进水延长管61和出水延长管62进一步形成水路管网，由此形成水体输送装置5。

另外，在发明中，曝气单元21设置有如图3、图4和图7所示缩颈部25，该缩颈部25与设置有排液插件的排液部26连通，并且该缩颈部25提高了排液效果。当混合气液经过缩颈部25时，气泡和水之间处于高含气率状态，气泡之间相互挤压，可以迅速减小气泡之间液膜厚度，提高气液之间的传质速度，同时通过调节曝气单元21与外界水体之间的水位差来调整出水量。具体地，当曝气管中气泡上升时，气泡连同随其上升的液体上升至缩颈部上端，经由横管27进入集水管29，例如硫化氢、氨气、氧气等的气体通过气体分配机处理之后，硫化氢、氨气等经由排气口28排出，曝气后的富氧水因重力作用而下降至出水口30，并通过出水管路排至水体厌氧层或其它需要修复的水体位置，对该水体进行修复，控制和消减水体的内生污染源。由于缩颈部25，使混合气液的通过面积变小，在气泡和水处于排液状态时，减少了气泡周围尚未进行充分气液传质的液体的量，提高了曝气之后液体内的氧气的溶解浓度。因此，本发明的内部结构，有利于水中的硫化氢、氨气等有毒有害气体排出，能够调节水体中的溶解气体平衡，并提高气体溶解效率和高供氧效率。

应注意，在第一实施方式中，进气口23和出水口30以中心轴线相互平行的方式设置，而进气口23与进水口22以中心轴线相互垂直的方式设置。另外，在曝气单元21内气体和水体的输送都是单向的。

第二实施方式

在第二实施方式中，以设有进气口23和进水口22的外表面的一侧称为第一外表面侧，而与第一外表面侧相反的一侧的外表面侧称为第二外表面侧。另外，与第一实施方式相同的组件或部件以相同的附图标记表示。省略了与第一实施方式相同的部分的说明。

与第一实施方式的区别在于，在第二实施方式的曝气单元21中，如图5、图6和图7所示，曝气单元21的结构相对于纸面左右方向对称，进水口22和进气口23以中心轴线平行的方式设置在曝气单元21的下部的外表面上，由此气体和水体的输出方向是双向的，即，输出路径为两种。与第一实施方式中的缩颈部不同，第二实施方式的缩颈部25可以根据使用条件而进行对应调整，例如缩颈部25的截面形状可以为矩形、圆形或其它形状，具体参见图7。一方面，曝气单元21的四个角部在第一侧外表面设有四个阳面嵌套211a、212a、213a、214a，两个出水口30在第一侧外表面侧均设有阳面嵌套215a、216a，并且进气口23和进水口22在第一侧外表面侧同样地设有阳面嵌套217a、218a。另一方面，曝气单元21的四个角部在与第二侧外表面设有四个分别与阳面嵌套211a、212a、213a、214a相对应的阴面嵌套孔211b、212b、213b、214b，两个出水口30在第二侧外表面均设有阴面嵌套孔215b、216b，并且进气口23和进水口22在第二侧外表面同样地设有阴面嵌套孔217b、218b。此外，在曝气单元21的上端面和下端面均以与纸面上下方向对称的方式设置有两个螺栓定位孔(图中未示出)，并且在曝气单元21的左右两侧中一侧设有上侧横向阳面嵌套221a和下侧横向阳面嵌套222a，而在另一侧设有上侧横向阴面嵌套孔221b和下侧横向阴面嵌套孔222b。阳面嵌套和阴面嵌套孔以及螺栓定位孔用于多个曝气单元21之间的连接。

应注意，上述实施方式仅用于说明本发明，本发明并非旨在以任何形式限于这些示例。

由于本发明的曝气单元21的曝气部24处于较浅的水深处，气体进入曝气单元21时克服水深压力较小，所需动力小，例如，一千瓦时处理量为700-1000立方米，在20℃条件下进行清水实验，试验数据显示出水含氧量由0ppm提升至6.6ppm，因此，相对于传统的曝气单元具有显著的节能效果。

实施例2

在本发明中，具有实施例1的曝气浮体装置2的生态浮岛与营养分解吸收装置3连接。如图1和图2所示，曝气浮体装置2的外部设有水体输送装置5，水体输送装置5包括具有进水延长管61和出水延长管62的水路管网。利用曝气单元21将水体底层经厌氧分解后含有大量植物营养的水提升至上层，再经过曝气增氧之后输送至绿植，并且提供营养分解吸收装置3中营养液循环的动力。

本发明的新型生态浮岛还包括营养分解吸收装置3，而图1和图2中示出了本发明的营养分解吸收装置3。营养分解吸收装置3例如为平板式水培装置，并且营养分解吸收装置3包括与水体输送装置5相连接的水培板。经过曝气浮体装置2增氧之后的水，通过水体输送装置5输送至水培板上的绿植，经过绿植对该水体吸收分解之后，再输送至需要修复的水体中来修复水体。

本发明的新型生态浮岛还包括水体输送装置5，图1和图2中示出了本发明的水体输送装置5布置方式，如图1所示，水体输送装置5的出水管路至出水延长管62之间的水路管网设置于曝气浮体装置2的外部，营养分解吸收装置3设置在该部分水路管网的上方。如图2所示，水体输送装置5的出水管路至出水延长管62之间的水路管网设置于曝气浮体装置2的内部，曝气浮体装置2为框架结构，并且该部分水路管网加强了曝气浮体装置2的结构强度，营养分解吸收装置3同样设置于该部分水路管网的上方。

综上，本发明通过曝气浮体装置2、营养分解吸收装置3以及水体输送装置5的组合，结合风电及太阳能作为动力装置，构成了多种结构形式的新型生态浮岛1，实现了调节水体中的溶解气体的平衡，吸收分解水中的营养物质，以微小动力完成大区域的水体造流、供氧、定点修复的功能。另外，本发明处理单位水量所需的动力小，所需的太阳能板面积更小，便于开发大规模水域水体治理装置。同等功率下处理水量大，具有节能效果。另外，本发明可作为具有曝气功能的浮体使用，可用于建设浮动式码头、水面电站等，使水面工程建筑具有水体修复的功能。

实施例3

本发明提供一种利用新型生态浮岛的水体修复方法，该水体修复方法包括：

曝气增氧步骤，通过生态浮岛中的曝气浮体装置及动力装置将水体底层的水吸入，经过曝气浮体装置进行曝气增氧处理；

造流步骤，将水中需要修复的水体通过包括进水延长管和出水延长管的水体输送装置提升进入所述曝气浮体装置，使所述进水延长管的管口与所述出水延长管的管口之间的水域水体形成约束的对流，以实现造流；

水体营养物质分解吸收步骤，将曝气浮体装置处理后的水供给至营养分解吸收装置，该营养分解吸收装置包括使用绿植对水体的营养物质进行分解和吸收。

水体修复步骤，将经过营养分解吸收装置中的绿植吸收营养物质之后的水体通过水体输送装置输送至需要修复的水体中，以实现进出水分离的水体定点修复；

需要说明的是，本发明的营养分解吸收装置也可以独立使用对水体进行修复，并且还可以配合其他设备。应注意，上述实施例仅用于说明。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。