机械混合充氧一体化湖泊水库原位水质改善装置

摘要

本发明公开了一种机械混合充氧一体化湖泊水库原位水质改善装置，该装置包括上升筒装置、出流筒装置、文丘里进气装置和电机驱动装置，其通过电机驱动叶片旋转，产生向上的提升力，使底部水体依次流经下部上升筒、中部上升筒、缩小管、曝气室、出流筒装置，混合湖库上下层水体；在缩小管处因流速较快而产生一定的负压，空气因文丘里原理而依次经进气管、柔性软管被吸入缩小管，与来自上升筒的水流一起进入曝气室，充氧后的水经出流筒流出装置进入外部水体。本发明机械混合充氧一体化湖泊水库原位水质改善装置，其将混合充氧的核心和关键单元都置于水体表层，无需复杂的供气设备和水下管道系统，使用维护方便，降低水质原位改善的投资和运行成本。

说明书

【技术领域】

本发明属于湖泊水库水质污染控制领域，具体涉及一种机械混合充氧一体 化湖泊水库原位水质改善装置，其适用于混合水深较大的分层湖泊水库，并向 水体充氧，控制水体内源污染和富营养化。

【背景技术】

湖泊水库是世界上最珍贵的可直接利用的淡水资源，其中水库正逐渐成为 多数城市的主要供水水源，水源水库的重要性日渐彰显。当前，湖泊水库环境 面临的水体富营养化问题非常突出，湖泊水库水质的恶化直接影响城市水资源 的可持续利用，更严重威胁到城市的供水安全。水深较大的湖泊水库易发生由 于剧烈垂向温度梯度的存在引起不同密度水体分层的现象，易于扰动、混合的 表层水体与相对稳定的底部水体缺乏交换，这使得水体分成三个不同温度和密 度的水团层：变温层、跃温层（斜温层）和等温层。水体分层后，由于上下层 水体间相对静止，缺乏交换，下层水体得不到氧气的补充，溶解氧逐步减少， 厌氧条件会引起底泥有机质、氮、磷、铁、锰的溶解释放，造成水体内源污染， 水体色度、嗅味加大，pH值下降，水质恶化，藻类大量繁殖等，直接加快水体 的富营养化进程。

目前湖泊水库水体污染主要有藻类、沉积物和溶解氧三个问题。藻类控制 技术主要有三种：降低水体氮、磷等营养盐含量，如对点源（生活污水和工业 废水）和非点源污染进行控制，以削减外源性氮、磷负荷；创造低温、低光照、 低溶解氧等不利的生长环境（如水力混合）；采用化学（如投加硫酸铜）、生物 （如养鱼）、物理（捕捞收割）等方法直接去除已生长的藻类。对于沉积物中污 染物的控制技术主要有投加化学氧化剂和钝化剂对沉积物进行氧化和钝化处 理，此外沉积物覆盖和疏浚也有使用，但成本较高、实施不易、还会新增污染 物。增加水体溶解氧的技术主要有破坏水体分层（机械、水力、曝气）和等温 层曝气两种，其中机械、水力破坏分层都仅仅具有混合功能、不对水体充氧， 等温层曝气只对底部水体充氧、不破坏分层，扬水曝气技术把混合充氧集中于 一体。综合各种湖泊水库水体污染控制技术的环境、经济和社会效益，曝气混 合充氧是目前相对较好的技术，并且应用也最为广泛。但尽管如此，目前的曝 气混合充氧技术都是在湖泊水库底部进行曝气充氧，同时利用气体提升水体进 行混合，由于供气压力必须大于水深，导致混合充氧系统的能量需求很大、需 要大型空压机，并且能耗高、能量效率低（一般在10%以下），此外水下安装维 护困难。

中国库容1亿立方以上的水库大约有3800多座，大多呈现富营养化的状态。 因此经济高效、易于实施的混合充氧新技术和装置的研发是湖泊水库水体污染 控制的迫切技术需求。

【发明内容】

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种机械混合充氧一体化 湖泊水库原位水质改善装置，该装置能在水体表层应用基于太阳能的电机驱动 装置混合上下层水体，同时对被提升的等温层水体进行充氧，经济、高效、便 捷地原位改善湖泊水库水体水质。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

机械混合充氧一体化湖泊水库原位水质改善装置，包括上升筒装置、出流 筒装置、文丘里进气装置和电机驱动装置；其中，文丘里进气装置包括两端开 口纵向设置的缩小管，其周向设置有若干软管；

上升筒装置包括上部上升筒、上部锥形筒、下部锥形筒、中部上升筒和下 部上升筒，其中，下部上升筒的周向设置有下部挡板，上部锥形筒与缩小管的 上部开口端相连通，上部上升筒固定在上部锥形筒之上，下部锥形筒与缩小管 的下部开口端相连通，中部上升筒固定在下部锥形筒之下，下部上升筒通过两 套对称设置的定位插销箱与中部上升筒相连接，且下部上升筒的底部通过铁链 与锚固墩相连接；

出流筒装置包括顶板、上部直筒和下部直筒，其中，顶板上开设有若干空 气溢流孔，其固定在上部直筒上端，下部直筒固定在上部直筒下端，在上部直 筒的周向还设置有浮筒，该出流筒装置设置在上升筒装置的周向；

电机驱动装置包括电机、连接轴和叶片，其中，电机设置在顶板上，叶片 设置在上部上升筒和上部锥形筒形成的曝气室内，电机通过连接轴与叶片相连 接。

本发明进一步改进在于：每套定位插销箱均包括沿下部上升筒的外壁纵向 设置的插销滑槽、设置在该插销滑槽内的若干滚轮，沿中部上升筒的外壁设置 的具有插销滑道的插销座、设置在插销座中的插销和插销座端面的弹性膜，插 销的伸出端穿过中部上升筒的壳体与该插销滑槽内的若干滚轮相配合。

本发明进一步改进在于：每套定位插销箱还包括用于保护弹性膜的壳体， 该壳体固定在插销座上，且其开口朝向弹性膜。

本发明进一步改进在于：每套定位插销箱还包括设置在插销周向的两个滚 动轴承。

本发明进一步改进在于：插销为圆柱形，其根部固定在橡胶膜上，端部成 锐三角斜面，斜面在下，且端部伸入插销滑槽内的两个滚轮之间。

本发明进一步改进在于：还包括设置在下部上升筒顶端的上导向密封圈和 设置在中部上升筒底端的下导向密封圈。

本发明进一步改进在于：上导向密封圈和下导向密封圈均采用橡胶材料制 成。

本发明进一步改进在于：顶板上设置有用于防止电机进水的圆筒形护板。

本发明进一步改进在于：叶片均匀设置在连接轴的周向，其数量为6个。

本发明进一步改进在于：软管的数量为4个，4个软管穿过上部直筒并与对 应的4个进气管相连通。

相对于现有技术，本发明具有如下技术效果：

本发明机械混合充氧一体化湖泊水库原位水质改善装置，其将水体混合充 氧过程全部实现于水体表层，采用电机驱动叶片旋转进行水体提升和全层混合， 无需在地面设置高能耗的空气压缩机和水下设置大量的耐压供气管道；根据文 丘里管原理在水体表层自然吸入空气，并在叶片的高速旋转下强化氧的传质过 程，提供充氧效果；采用定位插销使装置能随水位变化而自动调节。

【附图说明】

图1为本发明机械混合充氧一体化湖泊水库原位水质改善装置的结构示意 图；

图2为本本发明定位插销箱的结构示意图。

其中：1、电机；2、空气溢流孔；3、浮筒；4、上部直筒；5、螺钉；6、 下部直筒；7、进气管；8、软管；9、上部上升筒；10、连接轴；11、叶片；12、 顶板；13、上部锥形筒；14、下部锥形筒；15、中部上升筒；16、下部上升筒； 17、下部挡板；18、缩小管；19、圆筒形护板；20、定位插销箱；21、上导向 密封圈；22、下导向密封圈；23、铁链；24、锚固墩；25、插销滑槽；26、滚 轮；27、插销座；28、螺栓；29、壳体；30、弹性膜；31、滚动轴承；32、插 销；33、曝气室。

【具体实施方式】

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明机械混合充氧一体化湖泊水库原位水质改善装置，包括上 升筒装置、出流筒装置、文丘里进气装置和电机驱动装置；其中，文丘里进气 装置包括两端开口纵向设置的缩小管18，其周向设置有4个软管7，4个软管8 穿过上部直筒4并与对应的4个进气管7相连通。

上升筒装置包括上部上升筒9、上部锥形筒13、下部锥形筒14、中部上升 筒15和下部上升筒16，其中，下部上升筒16的周向设置有下部挡板17，上部 锥形筒13与缩小管18的上部开口端相连通，上部上升筒9固定在上部锥形筒 13之上，下部锥形筒14与缩小管18的下部开口端相连通，中部上升筒15固定 在下部锥形筒14之下，下部上升筒16通过两套对称设置的定位插销箱20与中 部上升筒15相连接，且在下部上升筒16顶端采用橡胶材料制成的上导向密封 圈21和设置在中部上升筒15底端采用橡胶材料制成的下导向密封圈22，此外， 下部上升筒16的底部通过铁链23与锚固墩24相连接。

出流筒装置包括顶板12、上部直筒4和下部直筒6，其中，顶板12上开设 有若干空气溢流孔2，其固定在上部直筒4上端，下部直筒6固定在上部直筒4 下端，在上部直筒4的周向还设置有浮筒3，该出流筒装置设置在上升筒装置的 周向。

电机驱动装置包括电机1、连接轴10和叶片11，其中，电机1设置在顶板 12上，叶片11设置在上部上升筒9和上部锥形筒13形成的曝气室33内，电机 1通过连接轴10与叶片11相连接，其中，叶片11均匀设置在连接轴10的周向， 其数量为6个，顶板12上设置有用于防止电机1进水的圆筒形护板19。

参见图2，每套定位插销箱20均包括沿下部上升筒16的外壁纵向设置的插 销滑槽25、设置在该插销滑槽25内的若干滚轮26，沿中部上升筒15的外壁设 置的具有插销滑道的插销座27、设置在插销座27中的插销32和插销座27端面 的弹性膜30，插销32的伸出端穿过中部上升筒15的壳体与该插销滑槽25内的 若干滚轮26相配合；每套定位插销箱20还包括用于保护弹性膜30的壳体29， 该壳体29固定在插销座27上，且其开口朝向弹性膜30；每套定位插销箱20还 包括设置在插销32周向的两个滚动轴承31；其中，插销32为圆柱形，其根部 固定在橡胶膜30上，端部成锐三角斜面，斜面在下，且端部伸入插销滑槽25 内的两个滚轮26之间。

为了对本发明进一步了解，现对其工作原理做一说明。

本发明机械混合充氧一体化湖泊水库原位水质改善装置，其安放在湖泊水 库中，依靠装置顶部浮筒3的浮力，使其漂浮、垂直立于水中；依靠铁链23将 装置底部与锚固墩24相连，使装置固定于湖泊水库底部。为适应水位的变化， 该装置通过在中部上升筒15和下部上升筒16上安装两个定位插销箱20，左右 对称布置。四根对称布置的进气管7伸出水面。首先开启电机1，调整转速至一 定值，通过连接轴10带动叶片11旋转，依靠叶片11旋转产生的向上提升力使 水由下向上流动；当等温层水体经过下部上升筒16、中部上升筒15及下部锥形 筒14到达缩小管18时，会因缩小管18较小的过水断面而产生较大的水流速度， 在缩小管18处因流速较快而产生一定的负压，空气随即因文丘里原理而依次经 过进气管7、柔性软管8被吸入缩小管18；依靠水流的向上携带作用和气泡本 身的浮力作用，空气通过缩小管18进入曝气室33，在叶片11高速旋转而产生 的剧烈紊动及切割气泡作用下，空气中的氧气被溶解进入水中，未溶解的氧气 和不能溶解的氮气则随水流上升，直达顶板12，在顶板12之下聚集；通过调节 顶板上空气溢出孔2的开启度，使曝气室33的顶部维持一定的气柱高度，让曝 气室内经过充氧的水流翻过上部内直筒9的顶部而进入上部直筒4，再经过下部 直筒6的出口进入外部水体，充氧后的等温层水体再与周围水体混合，形成自 上而下的循环水流，通过水体循环不断破坏水体分层并向等温层水体充氧，实 现预期的原位水质改善效果。所说的装置的核心和关键部分都在离水面1米范 围内，采用太阳能驱动的电机，也不需要岸上的空气压缩机及其配套电气设备， 节能低碳环保，安装维修非常方便。

实施例：

参见图1。整个装置用有机玻璃加工而成，各个主要单元均可拆卸，便于安 装维修。电机1选用60W的交流减速异步电动机，连接轴10直径为12mm，长 度为250mm，叶片11总共有6片，每片与水平面成45°夹角，长120mm，宽 60mm，塑料制品。为防止电机进水，在电机周围设置圆筒形挡板（19）；为使 装置漂浮、垂直立于水中，在整个装置的顶部外围设置一圈半径为40mm的浮 筒3。上部上升筒9、上部锥形筒13、缩小管17（管径40mm）、下部锥形筒14 （筒径300mm）、中部上升筒15和下部上升筒16互相连接。通过叶片11的搅 动，使水流在下部的上升筒和曝气室中向上流动，空气从进气管7（管径10mm） 和柔性软管8进入缩小管18和曝气室33中，氧气在剧烈紊动及气泡切割等主 要作用下被传递到水中，不能溶解的空气通过顶板12上的空气溢流孔2（孔径 10mm）排除至装置外，上部外直筒4和下部外直筒6（筒径480mm）用螺丝5 相互连接，使从曝气室中溢出的水流向下运动，经下部挡板17导流后，垂向流 动转变为水平流动，充氧后的水体反复在表层和底层之间循环流动。

参见图2，下部上升筒16的顶端有上导向密封圈21，中部上升筒15的底 端有下导向密封圈22，两个导向密封圈均采用橡胶材料制成。中部上升筒15下 端的外侧安装有两个定位插销箱20，左右对称布置。下部上升筒16筒壁上与定 位插销箱20对应位置处设有插销滑槽33，插销滑槽33内有一系列滚轮26，滚 轮26能绕其中心轴滚动，插销箱20由壳体29和具有插销滑道的插销座27组 成，均为圆柱形，两者用螺栓28固定，其间垫有弹性橡胶膜30。壳体29为密 闭空间。插销座27内有插销32和两个环向滚动轴承31。插销32为圆柱形，根 部固定在橡胶膜30上，端部削成锐三角斜面，斜面在下，在正常情况下插销32 端部伸入插销滑槽25内任意两滚轮26之间。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不 能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换， 都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。