一种悬浮式受污染水体原位净化处理装置的制作方法

本实用新型涉及一种污水处理装置，具体是涉及一种悬浮式针对受污染水体处理的原位净化处理装置，属于流域水体污染治理技术领域。

背景技术：

随着社会的进步和科技的发展，人类的过度干扰破坏了河流系统的水生环境，大量的污染物进入水体，致使水环境指标严重下降，造成河道自净能力下降、水质恶化、水体富营养化等问题，对环境造成极大危害，必须对受污染水体进行净化治理。

现有的净化治理方法主要有物理方法、化学方法和生物方法三种。物理法对污染物去除不彻底，化学法会引入新的化学物质，生物法是利用微生物的代谢作用，使污水中的有机污染物氧化降解成无害物质的方法，投资小，效果明显，应用最多。

生物法中，又分为异位净化和原位净化两种技术。异位净化是将污水从受污染水体抽出至污水处理装置，处理后再排回原水体。该法投资大、新增设施管理复杂，运营成本高，且无法适用于大流域的水体净化。生物法净化中的原位净化技术以其净化彻底、处理污染物种类多、运营成本低等优势在水污染净化领域得到了广泛的应用。

生物法原位净化技术中常见的有3种，一种是利用植物的根系对营养的吸收，去除污染物，但该法对植物依赖性较大，植物死去或根系腐烂后又会污染水体；另一种是投加微生物菌种，利用微生物分解水中的污染物，但该法微生物没有固定的载体，随水流流出，利用率低，需要持续不断的投加；再一种是模拟污水处理中的生物膜法，在水中植入丝状人造纤维，为微生物提供生长载体，通过附着在人造纤维表面的微生物分解水中的污染物，具有微生物种类多样、生长稳定，净化效果好，可景观化的特点。

申请号为201420006519.6的中国专利公开了一种水草式河道水体净化装置。但该专利方案将膜组件固定于河道底部，且膜组件形状固定，膜丝分布不均匀，覆盖面较小，部署时的移动灵活性小，不便于大面积施工，也不便于检查和维护。另外，该膜组件对材质及表面的疏水性及亲水性均没有提及，影响实际使用效果。同时，该专利方案不能区分不同污染物进行净化，其供气系统没有自动控制系统，无法及时调节和控制供气压力，供气不稳定，且易造成管路超压、损坏管路或者膜组件。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的污水净化方法及装置，不能覆盖大面积治理区域、不能移动灵活部署，以及膜丝表面特性不符合微生物生长要求，没有自动控制系统等不足，而提高一种新的悬浮式受污染水体原位净化处理装置。本实用新型特别改进了中空纤维膜丝的材料及制备方法，使其内表面疏水而外表面亲水，以克服单纯采用疏水材料时微生物难以附着生长、而单纯采用亲水材料时膜丝强度低、寿命短的矛盾，在保证微生物附着生长良好的同时，延长膜丝的使用寿命和延展面积。

本实用新型提供的悬浮式受污染水体原位净化装置，采用中空纤维丝膜丛形成悬浮在水体中的曝气系统，为微生物提供一个持久的生长载体，且分布均匀、易于调整、便于移动部署，便于检查维护，持续稳定低成本的对大面积的受污染水体进行处理。该方法及装置，无需专人值守，同时可根据水体污染类型不同调整投放的微生物群体比例，以针对性处理受污染水体，且安装便捷灵活，维护管理方便、运行稳定。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种悬浮式受污染水体原位净化处理装置，其特征在于，其包括中空纤维膜丝(1)、软管(2)、供气管道(3)、风机(4)；其中所述的中空纤维膜丝(1) 为弹性材料制成的，一端封闭、另一端开口的中空管状结构，管壁上设有多数个弹性开闭的微小透气孔，其开口端连接在软管(2)上；所述的软管(2)连接在供气管道(3)上，所述的供气管道(3)连接在风机(4)上；所述的中空纤维膜丝(1)、软管(2)、供气管道(3)、风机(4)的气路均相互连通；气体被风机(4)加压后经供气管道(3)输送到软管(2)，再由软管(2)输送到中空纤维膜丝(1)的中空腔内，通过压力打开透气孔，气体逐渐通过气孔渗透到中空纤维膜丝(1)表面，为附着生长在中空纤维膜丝(1)表面的微生物提供氧气，由微生物借助氧气分解水中的各类污染物，进行水体污染治理；所述软管(2) 上每隔一段长度即设置一浮块(9)；该浮块(9)为采用聚氯酯(PU)材料制成、密度小于水的发泡弹性体。

所述的管状中空纤维膜丝(1)，其外径为0.4～0.8mm，长度为0.1～2m，壁厚为0.005～0.01mm；透气孔直径为0～0.005mm。

所述软管(2)上间隔设置有多丛中空纤维膜丝(1)，各中空纤维膜丝(1) 沿软管(2)长度方向均匀布置在软管(2)上，两相邻的中空纤维膜丝丛间距为 1～10cm，中空纤维膜丝(1)的表面与污水充分接触；每丛中空纤维膜丝(1)，包括3～10根中空纤维膜丝(1)；各中空纤维膜丝(1)均设置在软管的同一横截面上，在软管(2)下部表面的120度范围内均匀布置。

所述软管(2)为一端封闭、另一端开口连接在供气管道(3)上；长度为 1～100m。所述软管(2)为并联的多条，分别连接在供气管道(3)上。

所述的悬浮式受污染水体原位净化处理装置，其还其还包括一自动控制系统，该系统包括一控制器，及设置在供气管道上的压力传感器、泄压阀和电动阀门；其中压力传感器用来监视供气压力，将信号传给控制器；控制器控制电动阀门的开度，调节供气压力在设定范围内；泄压阀在超压时打开释放部分气体，避免内气体超压损坏气路及部件。

所述的悬浮式受污染水体原位净化处理装置，其特征在于：

(41)控制器(8)将气路工作时压力区间为0.027MPa～0.04MPa，风机供气压力设定为0.03MPa；

(42)当以去除COD为主要任务时，将供气压力区间调整为0.03MPa ～0.04MPa，使气路的充气量增大、好氧层相对厚度提高，好氧微生物群体占据优势。

(43)当以去除氨氮、总氮为主要任务时，将供气压力区间调整为0.027MPa ～0.03MPa并采取间歇曝气，充气/停滞时间比为取4～10:1，使好氧、缺氧微生物群体共同发挥作用。

所述的受污染水体原位净化处理装置，其特征在于，

(51)所述自动控制系统的控制器(8)将气路工作时压力区间为0.027MPa ～0.04MPa，风机供气压力设定为0.03MPa；

(52)当压力超过0.033MPa时，控制器(8)关小供气电动阀门(7)，使气路内压力下降到设定的区间；

(53)当压力低于0.027MPa时，控制器(8)开大供气电动阀门(7)，使气路内压力上升到设定的区间；

(54)当压力超过0.04MPa时，泄压阀(6)打开，使气路内压力下降到设定的区间。

本实用新型中空纤维膜丝内部孔道与软管内部连通，风机供气后，通过供气管道、电动阀门和软管，把气体提供给中空纤维膜丝。膜丝表面有微小透气孔，在设定的供气压力下，气体逐渐通过气孔渗透到膜丝表面，为附着生长在膜丝表面的大量的微生物群落提供氧气。微生物借助氧气，分解水中的有机物、氨氮、总磷等污染物，净化受污染的水体。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型提供的受污染水体原位净化处理装置，由特制的中空纤维膜丝丛、中空软管、浮块等组成曝气系统，通过大面积部署的悬浮在水中的中空纤维膜丝丛，为微生物提供一个持久的生长载体，获得更多种类的微生物群体，持续稳定的处理受污染水体，其采用的是微生物原位净化技术，不会带来二次污染。

(2)本实用新型可针对需要去除含碳污染物、含氮污染物或含磷污染物的具体类型及浓度，调整供气压力数值，调节氧气到达中空纤维膜丝空腔内传递深度以及施加在的膜丝透气微孔的压力大小，和/或同时调节持续通入的时长及中间停止通入压力空气的时间间隔，以改变好氧层、缺氧层和厌氧层的厚度比例，使膜丝表面微生物形成不同的优势群体，以达到对不同污染物的快速净化效果；经过实际测试表面，可以缩短30％左右的净化时间，方法简洁高效、且无需额外增加成本；其综合治理效果及治理成本，均显著优于现有生物原位净化技术。

(3)本实用新型提供的膜丝表面附着的微生物一般情况下内层与氧气接触，为好氧层，中间为缺氧层，最外层与水接触为厌氧层。不同的供气压力，氧气在微生物膜内的传递深度不同，膜丝表面微生物的优势群体也不同。可以通过调整供气压力，改变好氧层、缺氧层和厌氧层的厚度比例，以达到不同的效果，可针对性去除含碳污染物、含氮污染物或含磷污染物。

(4)本实用新型提供的中空纤维膜丝，使其内表面疏水而外表面亲水，克服单纯采用疏水材料时微生物难以附着生长、而单纯采用亲水材料时膜丝强度低、寿命短的矛盾，在保证微生物附着生长良好的同时，延长膜丝的使用寿命和延展面积；经过实际测试表明，本实用新型中空纤维膜丝，治理速度加快30％以上，同时其寿命可延长2倍以上。

(5)本实用新型采用软管作为中空纤维膜丝的连接主体，可以变形成各种形状，适用于河流、湖泊等各种水面形状的水域，且对于原生态水生生物、鱼类等完全无害、无影响。

(6)本实用新型采用悬浮式布设，安装便捷灵活，可移动部署，维护管理方便、运行稳定，效果持久。整套装置具有可为水体中物生物提供持久生长载体，获得更多种类微生物，可持续稳定处理受污染水体的优点。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图。

图2为图1中软管及中空纤维膜丝丛连接处的剖面结构示意图。

附图标注：1、中空纤维膜丝(丛) 2、软管 3、供气管道 4、供气风机 5、压力传感器 6、泄压阀 7、电动阀门 8、控制器 9、浮块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行说明，但本实用新型的实施不限于此。

实施例1：

请参见附图1-2，本实用新型提供的悬浮式受污染水体原位净化处理装置，其包括中空纤维膜丝1、软管2、供气管道3、风机4；其中所述的中空纤维膜丝 1为弹性材料制成的，一端封闭、另一端开口的中空管状结构，管壁上设有多数个弹性开闭的微小透气孔，其开口端连接在软管2上；所述的软管2连接在供气管道3上，所述的供气管道3连接在风机4上；所述的中空纤维膜丝1、软管2、供气管道3、风机4的气路均相互连通；气体被风机4加压后经供气管道3输送到软管2，再由软管2输送到中空纤维膜丝1的中空腔内，通过压力打开透气孔，气体逐渐通过气孔渗透到中空纤维膜丝1表面，为附着生长在中空纤维膜丝1 表面的微生物提供氧气，由微生物借助氧气分解水中的各类污染物，进行水体污染治理；所述软管2上每隔一段长度即设置一浮块9；该浮块9为采用聚氯酯PU 材料制成、密度小于水的发泡弹性体。

所述的管状中空纤维膜丝1，其外径为0.4～0.8mm，长度为0.1～2m，壁厚为 0.005～0.01mm；透气孔直径为0～0.005mm。透气孔在内部中空腔内没有压力气体时，在内外层材料的弹性力作用下，处于闭合状态，因此其直径为0；而当中空腔内通有压力气体时，其打开，且直径随着压力气体压力的增加，其开孔的直径也逐步加大，使附着在透气孔及其周围的微生物优势群落也随之变化。

所述软管2上间隔设置有多丛中空纤维膜丝1，各中空纤维膜丝1沿软管2 长度方向均匀布置在软管2上，两相邻的中空纤维膜丝丛间距为1～10cm，中空纤维膜丝1的表面与污水充分接触；每丛中空纤维膜丝1，包括3～10根中空纤维膜丝1；各中空纤维膜丝1均设置在软管的同一横截面上，在软管2下部表面的120度范围内均匀布置。

所述软管2为一端封闭、另一端开口连接在供气管道3上；长度为1～100m。所述软管2为并联的多条，分别连接在供气管道3上。

其还包括一自动控制系统，该系统包括一控制器8，及设置在供气管道3上的压力传感器5、泄压阀6和电动阀门7；其中压力传感器5用来监视供气压力，将信号传给控制器8；控制器8控制电动阀门7的开度，调节供气压力在设定范围内；泄压阀6在超压时打开释放部分气体，避免内气体超压损坏气路及部件。

本实用新型的风机4供气后，通过供气管道3、电动阀门7和软管2，把气体提供给中空纤维膜丝丛1。膜丝1侧壁上设有可弹性开合的微小透气孔，在特定的供气压力下，气体逐渐通过透气孔渗透到膜丝1表面，为附着生长在膜丝1 表面的大量的微生物群落提供氧气。微生物借助氧气，实现分解水中的有机物、氨氮、总磷等污染物、净化水体的目标。

所述制备中空纤维膜丝的材料可以是聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)等材质之一。中空纤维膜丝1均匀布置在软管2的全部长度或者部分长度范围内。膜丝1间距为1～10cm。膜丝1的长度根据受污染水体深度确定，可在0.1～2m范围内选择。

中空软管2是采用硅胶、橡胶、聚氯乙烯(PVC)、聚氨酯(PU)、聚碳酸酯(PC)等材料制备。在软管2的横截面上，下部120度范围内均匀布置3～10 根中空纤维膜丝1。软管2每隔1～5m设置一个浮块9，防止软管2下沉。软管2 靠自身浮力和浮块9的浮力漂浮于水体表面，使中空纤维膜丝丛1悬浮于受污染水体中。软管2长度可根据水面大小在1～100m范围内调整。浮块9可采用聚氯酯(PU)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、脲醛等材料制成的发泡体。

当所述的装置，需要针对性治理特定类型及浓度的污染物时，自动控制系统的工作步骤为：

(41)自动控制系统及控制器8将气路工作时压力区间为0.027MPa ～0.04MPa，风机供气压力设定为0.03MPa；

(42)当以去除COD为主要任务时，将供气压力区间调整为0.03MPa ～0.04MPa，使气路的充气量增大、好氧层相对厚度提高，好氧微生物群体占据优势；

(43)当以去除氨氮、总氮为主要任务时，将供气压力区间调整为0.027MPa ～0.03MPa并采取间歇曝气，充气/停滞时间比＝(4～10):1，使好氧、缺氧微生物群体共同发挥作用；

(5)设置一自动控制系统，该系统包括一控制器8，及设置在供气管道3 上的压力传感器5、泄压阀6和电动阀门7；其中压力传感器5用来监视供气压力，将信号传给控制器8；控制器8控制电动阀门7的开度，调节供气压力在设定范围内；泄压阀6在超压时打开释放部分气体，避免供气管路3内气体超压损坏气路或部件。该控制系统还内置有控制软件及运算、存储单元。

所述自动控制系统保持气路内气压处于正常范围的控制流程为：

(51)所述的控制系统的控制器8，将气路工作时压力区间为0.027MPa ～0.04MPa，风机供气压力设定为0.03MPa；

(52)当压力超过0.033MPa时，控制器8关小供气电动阀门7，使气路内压力下降到设定的区间；

(53)当压力低于0.027MPa时，控制器8开大供气电动阀门7，使气路内压力上升到设定的区间；

(54)当压力超过0.04MPa时，泄压阀6打开，使气路内压力下降到设定的区间。

本实用新型装置的制备过程，包括如下步骤：

(1)制备中空纤维膜丝1，其包括一内部空腔、由疏水材料制成的内层与亲水材料制成的外层，其内部中空，始端开口、末端封闭，侧壁上设有多个均匀分布的透气微孔；

(2)制备悬浮式受污染水体原位净化处理装置，其包括依次连接并连通的风机4、多个供气管道3及软管2；其中风机4为供气端，供气管道3为供气主路，各软管2连接在供气管道3上形成供气支路；软管2上设有多个出气接口，将所述中空纤维膜丝1始端开口连接在该出气接口上，使各中空纤维膜丝1作为出气端；

(3)将悬浮式受污染水体原位净化处理装置的供气主路、支路及出气端均设置到受污染水体中，并使其悬浮在水体中；

(4)使风机工作，向供气管道3及软管2通入压力空气，该压力空气经过各软管后到达中空纤维膜丝1的空腔，通过压力打开透气微孔，气体逐渐通过该透气微孔渗透到中空纤维膜丝1的外侧表面，为附着生长在中空纤维膜丝1表面的微生物提供氧气，由微生物借助氧气分解水中的各类污染物，进行水体污染净化治理；且针对需要去除含碳污染物、含氮污染物或含磷污染物的具体类型及浓度，调整供气压力数值，调节氧气到达中空纤维膜丝1空腔内传递深度以及施加在的膜丝1透气微孔的压力大小，和/或同时调节持续通入的时长及中间停止通入压力空气的时间间隔，以改变好氧层、缺氧层和厌氧层的厚度比例，使膜丝1 表面微生物形成不同的优势群体，以达到对不同污染物的快速净化效果；

本实用新型使中空纤维膜丝1内外侧表面，分层与微生物接触：使内层微生物与氧气接触，为好氧层微生物优势生长空间；中间为缺氧层，为缺氧微生物优势生长空间；最外层与水接触为厌氧层，为厌氧微生物优势生长空间。本实用新型采用不同的供气压力时，使氧气在微生物膜内的传递深度发生变化，从从而使膜丝丛1表面微生物的优势群体也发生改变。从而，通过调整供气压力，改变好氧层、缺氧层和厌氧层的厚度比例，以达到不同的治理效果，达到针对性去除含碳污染物、含氮污染物或含磷污染物，并且提高治理效率的目的。

本实用新型采用悬浮在水中的中空纤维膜丝丛1，为微生物提供一个持久的生长载体，获得更多种类的微生物群体，持续稳定的处理受污染水体。膜丝丛1 分布均匀，有利于与水中污染物的充分接触。

本装置安装便捷灵活，维护管理方便、运行稳定，效果持久，并可根据水体污染类型的不同，调整供气压力，改变氧气穿透微生物膜的深度，以调整微生物群体比例，针对性处理受污染水体。

本实用新型的工作原理是：自动控制系统启动，控制器8控制风机4供气后，使曝气系统启动，通过供气管道3、电动阀门7和软管2，把气体提供给中空纤维膜丝(丛)1。膜丝1表面有微小气孔，在特定的供气压力下，气体逐渐通过气孔渗透到膜丝1表面，为附着生长在膜丝1表面的大量的微生物群落提供氧气。微生物借助氧气，分解水中的有机物、氨氮、总磷等污染物净化水体。整套装置具有可为水体中物生物提供持久生长载体，获得更多种类微生物，可持续稳定、高效、低成本处理受污染水体的优点，且不会产生二次污染。

具体应用例：

将本实用新型提供的装置，应用在珠江流域某受污染河涌水的处理中，以测试实际治理效果。

取珠江流域某河涌污水，采用本实用新型处理装置进行中试实验。容积 0.16m³，膜丝1填充量140m/m²。HRT为1d，模拟河道流速20mm/s，进行连续 30天的中试实验。水质监测发现，从第20天开始，出水水质稳定达到地表水环境质量标准(GB3838-2002)III类水体标准，治理加速效果较为显著。治理后第20 天的进出水水质参数如下：

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。