一种气浮式悬浮填料原位净水装置及净水方法与流程

本发明涉及环境工程领域，尤其涉及一种气浮式悬浮填料原位净水装置及净水方法。

背景技术：

随着经济的发展和社会的进步，地表水体在城市发展中的地位越来越凸显，并由过去以防洪、供水功能为主向满足防洪、供水、环境、景观、生态等综合功能转变。为了有效应对地表水体污染问题，提升地表水体的综合功能，地表水体原位净化技术应运而生。按照原理可将原位净化技术分为物理类、化学类及融合以上各类技术的组合方案。相较于“清淤疏浚、引水稀释”等物理法及“絮凝沉淀、药剂杀藻”等化学方法，生物方法由于具有操作简单、标本兼治、杜绝二次污染等优势，日益受到青睐。

传统的原位生物净化技术主要包括砾间接触氧化、生物填料接触氧化、水生植物及人工生态浮床等。然而，上述生物原位净化技术因微生物数量的限制和难以避免的填料堵塞问题，其实际净化效果往往不尽人意。不仅于此，人工生态浮床和水生植物在运行后期由于植物腐败，常常引发严重的二次污染。

随着水环境质量标准的升级和地表水体富营养化控制的迫切需求，市场上亟需一种能够有效解决上述问题的新型水体原位净化工艺。

技术实现要素：

为克服上述上述现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种气浮式悬浮填料原位净水装置，包括：装置槽体、进水口、曝气系统、微孔滤布、悬浮填料、生态浮床及太阳能空气泵。本发明提出的气浮式悬浮填料原位净水装置中，所述进水口和曝气系统位于所述装置槽体底部，所述微孔滤布位于所述装置槽体顶部，所述悬浮填料位于所述曝气系统和所述微孔滤布之间，所述浮床及太阳能空气泵位于所述装置槽体上方。

本发明中，所述装置槽体设置于需净化的水体(如大型鱼缸、鱼虾养殖塘、污水处理池、河塘湖库等)中，其中，所述装置槽体的材质为不锈钢、玻璃钢或高密度聚乙烯(HDPE)等，所述装置槽体的尺寸依水体大小及处理需求而定。

优选地，所述装置槽体的“长×宽×高”变化范围为“0.8m×0.5m×0.5m”～“20.0m×15.0m×2.0m”，且所述装置槽体的高度应低于所述净化水体的水位。

本发明中，所述进水口位于所述装置槽体底部且间隔均匀地设置于所述装置槽体一周，其材质与所述装置槽体相同且与所述装置槽体密封连接。

其中，所述进水口的直径为2～10cm，间距为5～50cm，设置高度为距装置离槽体底面2～20cm；优选地，所述进水口的直径为5cm，间距为30cm，设置高度为距离装置槽体底面10cm。

本发明中，所述曝气系统位于所述槽体内的底部，所述曝气系统由支架、曝气干管及曝气头组成。

其中，所述支架选用不锈钢或HDPE材质，所述支架的高度为1～15cm；优选地，所述支教的高度为8cm。

其中，所述曝气干管选用聚氯乙烯(PVC)或PE材质，所述曝气干管的直径为2～10cm；优选地，所述曝气干管的直径为5cm。

其中，所述曝气头选用盘式膜片曝气头，所述曝气头的直径为3～30cm，所述曝气头的间距为3～30cm；优选地，所述曝气头的直径为20cm，所述曝气头的间距为20cm。

本发明中，所述微孔滤布固定于所述装置槽体的顶部且水平设置，所述微孔滤布的材质为PP或人工纤维。

其中，所述微孔滤布平行地设置三层，所述层间距为3～30cm；优选地，为20cm。

所述下层为粗滤，所述滤布的目数为16～30(对应孔径为550～1000μm)；优选地，所述滤布的目数为25目。

所述中层为细滤，所述滤布的目数为30～60(对应孔径为250～550μm)；优选地，所述滤布的目数为45目。

所述上层为超滤，所述滤布的目数为60～90(对应孔径为160～250μm)；优选地，所述滤布的目数为75目。

其中，所述微孔滤布的水平设置能够增加悬浮颗粒物对滤布的冲刷，延长其使用周期，优选地，其清洗周期为6～24个月。

本发明中，所述悬浮填料位于所述曝气系统及所述(下层)微孔滤布之间，所述悬浮填料由填充基质及镂空外壳组成，所述填充基质又由轻质陶粒、生物膜载体、缓释碳源或接种菌液组成，所述镂空外壳材质为PP或PE，其直径为5～20cm。

本发明中，所述悬浮填料通过轻质陶粒和其他填充基质的配比调节浮力，使之接近水体密度(ρ＝1g/cm³)；所述生物膜载体的材质为PP、纱布或人工纤维，所述缓释碳源的材质为农业废弃物碳源(如：木屑、甘蔗渣、玉米芯等)及可生物降解聚合物碳源(BDPs)，所述接种菌液为硝化细菌菌液、EM菌菌液或好氧反硝化菌菌液等；优选地，所述悬浮填料的更换周期为6～24个月。

本发明中，所述生态浮床及太阳能空气泵位于装置槽体上方，并通过固定绳索固定，

其中，所述生态浮床由浮体和浮床植物构成，所述浮体的材质为PVC空心板或轻质泡沫，所述浮床植物可选用空心菜、茭白、水芹菜等经济作物，其栽种密度为10～30株/㎡。

其中，所述太阳能空气泵由浮体、太阳能光伏板、空气泵及其输气管组成，所述浮体材质为PVC空心板或轻质泡沫，所述太阳能光伏板的材质为晶硅，所述太阳能光伏板的发电功率为50～1000W，优选地，为500W；所述空气泵的额定功率与所述太阳能光伏板对应，所述空气泵的鼓气流量为1～50L/min，优选地，为25L/min；所述空气泵的输气管与所述曝气系统的曝气干管相连，输气管选用聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)作为材质，其直径为0.5～2cm；优选地，为1cm。

本发明还提出了一种气浮式悬浮填料原位净水装置的净水方法，其包括以下步骤：

步骤一：太阳能空气泵工作，启动曝气系统，气浮式悬浮填料原位净水装置(以下简称：本装置)内的水体通过曝气系统所产生的微气泡的汽提作用形成向上的水流，直至排出，进而带动本装置外侧的污水通过其底部进水口进入，从而实现本装置的进水与导流；

步骤二：曝气系统产生的微气泡具有气浮作用，增氧作用及搅动作用，具体地，气浮作用将污水中的悬浮颗粒物浮起并使之附着在悬浮填料或微孔滤布上，增氧作用为悬浮填料上的微生物的生长及净化过程提供氧气，而搅动作用促使悬浮填料的上浮与碰撞，继而冲刷微孔滤布表面附着的悬浮颗粒物；

步骤三：污水通过水平设置的三层微孔滤布的过滤作用，进一步去除悬浮颗粒物；

步骤四：经多层微孔滤布过滤的污水经本装置上方生态浮床植物的吸收作用得到深度净化，继而向周围排出。

在本装置的运行维护中，进一步包括以下步骤：

步骤五：所述浮床植物生长成熟后对其进行收割；

步骤六：收割后，在所述生态浮床中重新栽种所述植物。

本发明的创新点在于滤布的水平设置有利于悬浮颗粒物对其进行冲刷，从而有效防止微孔堵塞，延长滤布使用周期；另外，曝气系统、悬浮填料、微孔滤布及生态浮床的耦合机制能够有效强化装置的净水效果，继而满足水体原位净化的需求。

本发明与现有水体原位净化工艺相比的特色及改进之处为：

1.本发明中微孔滤布的水平设置一改传统水处理工艺(如：MBR)对滤膜的竖直设置理念，该设置方法有利于悬浮填料及悬浮颗粒物对滤布表面进行冲刷，从而有效防止微孔堵塞，延长滤布的使用周期。

2.本发明中曝气系统、悬浮填料、微孔滤布及生态浮床的耦合机制能够有效强化装置的净水效果；各部件并非简单叠加，而是有机组合，具体地，曝气系统为填料的悬浮提供动力，悬浮填料强化了微生物的降解与转化作用，微孔滤布对水体进行物理过滤，生态浮床通过植物吸收作用深度净化经滤布过滤的水体。

3.太阳能空气泵为曝气系统的运行提供能量，而曝气系统既能通过汽提作用实现了装置的进水与导流，又能通过气浮作用实现了污水中悬浮颗粒物的去除，还通过增氧作用为悬浮填料上的微生物代谢提供氧气，同时通过搅动作用加速悬浮填料的上浮与碰撞，促使悬浮填料摩擦滤布表面，从而实现一能多用。

4.相比传统生态浮床，本发明提出的气浮式悬浮填料原位净水装置充分利用生态浮床的水下空间，在悬浮填料中富集大量微生物并为微生物的生长及代谢创造良好条件，从而大幅提高净水效果，其优势系传统浮床所不及。

5.相比传统人工湿地，本发明提出的气浮式悬浮填料原位净水装置彻底解决了填料堵塞问题，悬浮填料的生物膜及污水中的悬浮颗粒物即使在本装置的滤布下方逐渐积累，也因悬浮填料的上浮冲刷和滤布的水平设置而大幅降低堵塞机率，而且本装置的滤布和填料均可定期更换，运维简便，此优势均为人工湿地所不及。

6.本发明中悬浮填料通过轻质陶粒、生物膜载体、缓释碳源的配比调节浮力，使之刚好悬浮于水中，有利于悬浮填料在曝气系统的搅动下扰动与碰撞；轻质陶粒有利于微生物的挂膜和吸附除磷，生物膜载体有利于悬浮填料富集大量微生物，缓释碳源有利于填料生物膜中异养微生物的生长，尤其是好氧反硝化菌属的生长，从而强化装置的脱氮性能。

7.本发明综合利用曝气、悬浮填料的微生物转化、微孔滤布的过滤及生态浮床植物的吸收作用实现污染水体的原位净化；同时，装置上可种植经济作物，在净水同时取得经济收益。

综上，相比同类净水工艺，本发明提出的气浮式悬浮填料原位净水装置及其净水方法具有低成本、无电耗、不占地、净化效果佳、综合收益高等显著优势。

附图说明

图1为本发明气浮式悬浮填料原位净水装置的立面图。

图2为本发明气浮式悬浮填料原位净水装置的平面图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

图1-2中，1-净化水体；2-装置槽体；3-进水口；4-进水水流；5-曝气系统支架；6-曝气干管；7-曝气头；8-微气泡；9-悬浮填料；10-上升水流；11-微孔滤布；12-出水水流；13-水位；14-浮床浮体；15-浮床植物；16-固定绳索；17-太阳能空气泵；18-输气管。

实施例1：

一种气浮式悬浮填料原位净水装置，如图1～2所示，本发明提出的气浮式悬浮填料原位净水装置中，进水口3和曝气系统位于装置槽体2底部，微孔滤布11位于本装置顶部，悬浮填料9位于曝气系统和微孔滤布11之间，生态浮床及太阳能空气泵位于装置上方。

装置槽体2设置于某酒店大型鱼缸中，鱼缸水位为0.8m。装置槽体2材质为HDPE，其尺寸为(长×宽×高)：1.0m×0.8m×0.6m。

进水口3位于装置槽体2底部且间隔均匀地设置于装置槽体2一周，其材质为HDPE且与装置槽体2密封连接。进水口3的直径为2cm，间距为5cm，设置高度为距离装置槽体2底面2cm。

曝气系统位于装置槽体2内的底部，曝气系统由曝气系统支架5、曝气干管6及曝气头7组成，曝气系统支架5选用不锈钢材质，其高度为2cm，曝气干管6选用PVC材质，其直径为2cm，曝气头7选用盘式膜片曝气头，其直径为3cm，其间距为5cm。

微孔滤布11固定于装置槽体2的顶部且水平设置，其材质为PP；微孔滤布11平行地设置三层，层间距为4cm，其下层为粗滤，滤布的目数为16(对应孔径为1000μm)，其中层为细滤，滤布的目数为30(对应孔径为550μm)，其上层为超滤，滤布的目数为90(对应孔径为160μm)；微孔滤布11的水平设置能够增加悬浮颗粒物对滤布的冲刷，延长其使用周期，其清洗周期为12个月。

悬浮填料9位于曝气系统及(下层)微孔滤布11之间，悬浮填料9由填充基质及镂空外壳组成，填充基质又由轻质陶粒、生物膜载体、缓释碳源或接种菌液组成，镂空外壳材质为PP，其直径为7cm。

悬浮填料9通过轻质陶粒和其他填充基质的配比调节浮力，使之接近水体密度(ρ＝1g/cm³)；生物膜载体的材质为PP，接种菌液为硝化细菌菌液和EM菌菌液，悬浮填料的更换周期为12个月。

生态浮床及太阳能空气泵17位于本装置上方，并通过固定绳索16固定；生态浮床由浮床浮体14和浮床植物15构成，浮体14材质为PVC空心板，浮床植物15为空心菜，其栽种密度为30株/㎡；太阳能空气泵17由浮体、太阳能光伏板、空气泵及其输气管18组成，浮体材质为PVC空心板，太阳能光伏板材质为晶硅，发电功率为100W；空气泵的额定功率与太阳能光伏板对应，其鼓气流量为5L/min；空气泵的输气管18与曝气系统的曝气干管6相连，输气管18选用聚丙烯(PP)材质，其直径为0.5cm。

上述实施案例中的气浮式悬浮填料原位净水装置的净水方法包括以下步骤：

步骤一：太阳能空气泵工作，启动曝气系统，气浮式悬浮填料原位净水装置内的水体通过曝气系统所产生微气泡8的汽提作用形成向上的水流10，直至排出12，进而带动本装置外侧的污水通过其底部进水口进入4，从而实现本装置的进水与导流(4,10,12)；

步骤二：曝气系统产生的微气泡8具有气浮作用，增氧作用及搅动作用，具体地，气浮作用将污水中的悬浮颗粒物浮起并使之附着在悬浮填料9或微孔滤布11上，增氧作用为悬浮填料9上的微生物的生长及净化过程提供氧气，而搅动作用促使悬浮填料9的上浮与碰撞，继而冲刷微孔滤布11表面附着的悬浮颗粒物；

步骤三：污水通过水平设置的三层微孔滤布11的过滤作用，进一步去除悬浮颗粒物；

步骤四：经多层微孔滤布过滤11的污水经本装置上方生态浮床植物15的吸收作用得到深度净化，继而向周围排出12。

在本装置的运行维护中，进一步包括以下步骤：

步骤五：浮床植物15生长成熟后对其进行收割；

步骤六：收割后，在生态浮床中重新栽种植物15。

实施例2：

气浮式悬浮填料原位净水装置，其基本构造和净水方法同实施例1，其具体实施方式为：

装置槽体2设置于某水产养殖鱼塘中，鱼塘水位为1.2m。装置槽体2材质为不锈钢，其尺寸为(长×宽×高)：5.0m×3.0m×0.8m。

进水口3位于装置槽体2底部且间隔均匀地设置于槽体一周，其材质为不锈钢且与装置槽体2密封连接。进水口3的直径为5cm，间距为20cm，设置高度为距离装置槽体2底面20cm。

曝气系统位于装置槽体2内的底部，曝气系统由曝气系统支架5、曝气干管6及曝气头7组成，曝气系统支架5选用HDPE材质，其高度为5cm，曝气干管6选用聚氯乙烯(PVC)，其直径为5cm，曝气头7选用盘式膜片曝气头，其直径为5cm，其间距为8cm。

微孔滤布11固定于装置槽体2的顶部且水平设置，其材质为PP；微孔滤布11平行地设置三层，层间距为8cm，其下层为粗滤，滤布的目数为16(对应孔径为1000μm)，其中层为细滤，滤布的目数为60(对应孔径为250μm)，其上层为超滤，滤布的目数为60(对应孔径为250μm)；微孔滤布11的水平设置能够增加悬浮颗粒物对滤布的冲刷，延长其使用周期，其清洗周期为12个月。

悬浮填料9位于曝气系统及(下层)微孔滤布11之间，悬浮填料9由填充基质及镂空外壳组成，填充基质又由轻质陶粒、生物膜载体、缓释碳源或接种菌液组成，镂空外壳材质为PE，其直径为10cm。

悬浮填料9通过轻质陶粒和其他填充基质的配比调节浮力，使之接近水体密度(ρ＝1g/cm³)；生物膜载体的材质为纱布，缓释碳源的材质为甘蔗渣，接种菌液为好氧反硝化菌菌液等，悬浮填料的更换周期12个月。

生态浮床及太阳能空气泵位于本装置上方，并通过绳索16固定；生态浮床由浮体14和浮床植物15构成，浮体14材质为PVC空心板，浮床植物15选用水芹，其栽种密度为30株/㎡；太阳能空气泵由浮体、太阳能光伏板、空气泵及其输气管18组成，浮体材质为轻质泡沫，太阳能光伏板材质为晶硅，发电功率为200W；空气泵的额定功率与太阳能光伏板对应，其鼓气流量为10L/min；空气泵的输气管18与曝气系统的曝气干管6相连，输气管18选用聚乙烯(PE)材质，其直径为1cm。

在本装置的运行维护中，每年入冬对浮床植物15进行收割；收割后，于次年开春在生态浮床中重新栽种浮床植物15。

实施例3：

气浮式悬浮填料原位净水装置，其基本构造和净水方法同实施例1，其具体实施方式为：

装置槽体2设置于某景观湖泊中，湖泊水位为1.8m。装置槽体2材质为不锈钢，其尺寸为(长×宽×高)：15.0m×8.0m×1.5m。

进水口3的直径为10cm，间距为50cm，设置高度为距离装置槽体2底面20cm。

曝气系统支架5选用不锈钢材质，其高度为15cm，曝气干管6选用PVC材质，其直径为10cm，曝气头7选用盘式膜片曝气头，其直径为30cm，其间距为30cm。

微孔滤布11材质为人工纤维，层间距为20cm，其下层为粗滤，滤布的目数为16(对应孔径为1000μm)，其中层为细滤，滤布的目数为60(对应孔径为250μm)，其上层为超滤，滤布的目数为60(对应孔径为250μm)；其清洗周期为24个月。

悬浮填料9的镂空外壳材质为PE，其直径为20cm。生物膜载体的材质为人工纤维，缓释碳源的材质为玉米芯，接种菌液为EM菌菌液和好氧反硝化菌菌液，悬浮填料9的更换周期为24个月。

生态浮床植物15选用茭白，其栽种密度为10株/㎡；太阳能光伏板材质为晶硅，发电功率为1000W；空气泵17的额定功率与太阳能光伏板对应，其鼓气流量为50L/min；空气泵的输气管18选用聚丙烯(PP)材质，其直径为2cm。

在本装置的运行维护中，每年入冬对浮床植物15进行收割；收割后，于次年开春在生态浮床中重新栽种浮床植物15。

实施例4：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：

装置槽体2设置于某农村池塘中，池塘水位为1.5m。装置槽体2尺寸为(长×宽×高)：2.0m×1.5m×1.2m。进水口3的直径为6cm，间距为25cm，设置高度为距离槽体底面15cm。曝气系统支架5选用HDPE材质，其高度为8cm，曝气干管6直径为8cm，曝气头7直径为15cm，其间距为20cm。

微孔滤布11材质为人工纤维，其清洗周期为18个月。悬浮填料9镂空外壳材质PE，其直径为15cm。生物膜载体的材质为纱布，缓释碳源的材质为可生物降解聚合物碳源(BDPs)，接种菌液为硝化细菌菌液、EM菌菌液，悬浮填料9的更换周期为18个月。生态浮床植物15选用生菜，其栽种密度为20株/㎡；太阳能空气泵17的额定功率为250kW，其鼓气流量为15L/min。

实施例5：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：

装置槽体2设置于某城市内河中，河道水位为1.3m。装置槽体2尺寸为(长×宽×高)：8.0m×5.0m×0.9m。进水口3设置高度为距离槽体底面20cm。曝气系统支架5高度为15cm，曝气干管6直径为5cm，曝气头7直径为10cm，其间距为15cm。微孔滤布11清洗周期为16个月。悬浮填料9其直径为10cm。缓释碳源的材质为树叶，接种菌液为好氧反硝化菌菌液，悬浮填料9的更换周期为16个月。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。