修复受污染水体的太阳能曝气系统及修复该水体的方法

摘要

本发明公开了一种用于修复受污染水体的太阳能曝气系统和修复受污染水体的方法。所述太阳能曝气系统包括太阳能转化装置、气体扩散装置、曝气机、气体发生装置、水体溶解氧测量装置以及控制装置。本发明的太阳能曝气系统或者修复受污染水体的方法通过提高曝气效率以增加水体溶解氧含量，使底部水与上部水充分混合，提高有益水体自净能力的微生物，使受污染水体得到有效修复。

说明书

技术领域

本发明涉及环保技术领域，更具体地，涉及一种用于修复受污染水体的太阳能曝气系统以及修复该受污染水体的方法。 

背景技术

随着人口的增长和经济的快速发展，越来越多的工业废水、生活污水以及农业源污染物被排入江湖水体，已远超过水体的自净能力，造成水体被污染或损害。受污染或损害的水体使原本清澈的水体出现浑浊、溶解氧降低、鱼类减少、藻类爆发、生态系统被破坏等问题。因此，受污染或损害的水体的治理是刻不容缓的。 

为受污染或损害的水体曝气，提高其溶解氧含量是一种常见的水体修复手段。为水体曝气可以抑制藻类过量繁殖，促进鱼类、水生植物和微生物的生长，使水体中的铁离子沉淀，并且吹脱出水体中的H₂S、CO₂、NH₄、挥发性有机物以及其他有害物质。因此，曝气既降低了富营养化水体中氮、磷、铁等的浓度，又提高了池塘、湖泊、水库等水体的健康水平，维持水生生物的正常生长。 

在富营养化的池塘、湖泊或水库等水体中，水中溶解氧的含量日变化幅度较大。在白天阳光可以促进水体循环，增加溶解氧含量；而在夜间，尤其是下半夜水体循环引起的增氧作用消失，只有呼吸耗氧作用，水体溶解氧含量下降，溶解氧含量最低的时候发生在黎明前的几个小时。如果在水体溶解氧含量最低的时候曝气，可以大大提高水体曝气的效果。现有的水体曝气系统的缺点在于，往往在白天有阳光照射的时候曝气或一整天都在曝气，而不能根据水体溶解氧含量进行适时开启和关闭曝气系统，造成不必要的浪费。 

此外，湖泊、水库等富营养化水体中的溶解氧的浓度是分层的，上层水的溶解氧的含量高于底部水。水越深或水体污染越重，水中溶解氧含量分层现象越严重。水体溶解氧含量分层不利于水体生态系统健康，因此应该使水体循环起来，防止分层。 

现有的曝气系统有使用电力驱动的，无论其是通过输送的电力或者传统的现场发电，都将大大增加曝气成本。另外，现有的曝气系统也有使用电太阳能发电来驱动的，但是这样的曝气系统的缺点在于：曝气效率低，不能根据溶解氧含量开启或关闭曝气系统；存在溶解氧含量高、不需要曝气的时候在曝气，而当溶解氧含量较低需要曝气的时候，太阳能转化的电能已消耗完毕，不能为水体曝气；而且现有水体太阳能曝气设备都是漂浮在水面，对溶解氧含量低的底层水的曝气效果差，不能使低层水与上层水充分混合，从而避免水体分层现象。 

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种用于修复受污染或损害的水体的太阳能曝气系统，该太阳能曝气系统通过提高太阳能电池板的发电效率、在水体中形成细气泡层流柱以提高氧进入受污染水体的效率、在水体底部形成细气泡层流柱使水体循环起来以防止水体分层、根据水体中的溶解氧含量开启或关闭太阳能曝气系统、或者选择与曝气机大小相匹配的陶瓷微孔气体扩散器等手段，提高曝气的效率，从而克服现有的曝气系统中的各种技术问题。 

进一步地，本发明提供一种修复受污染或损害的水体的方法，该方法通过提高曝气效率、增加水体溶解氧含量、使底部水与上部水充分混合以及提高有益水体自净能力的微生物，使受污染水体得到以有效修复。 

本发明通过以下技术方案来实现上述技术目的。 

根据本发明的一个方面，提供一种用于修复受污染水体的太阳能曝气系统，包括： 

太阳能转化装置，用于将所吸收的太阳能转化为电能； 

气体扩散装置，用于将空气、氧气和/或者臭氧以微气泡的形式输送至受污染水体中； 

曝气机，由太阳能转化装置所产生的电能来驱动，用于将空气、氧气和/或者臭氧通过输送管输送至气体扩散装置，进而释放至所述受污染水体中； 

水体溶解氧测量装置，用于测量所述水体中的实时氧含量；以及 

控制装置，用于根据水体溶解氧测量装置所测量的水体中的实时氧含量低于设定值或者超过设定值来开启或关闭曝气机。 

进一步地，所述太阳能曝气系统进一步包括用于产生氧气或臭氧的气体产生装置，并且由所述控制装置根据所测量的水体中的实时氧含量低于设定值来开启所述气体产生装置、或者超过设定值来关闭所述气体产生装置。 

进一步地，所述太阳能转化装置包括太阳能电池板和太阳光追踪装置，所述太阳光追踪装置驱使太阳能电池板追踪太阳使得太阳光垂直照射在太阳能电池板上。 

进一步地，所述气体扩散装置被设置于水体的底部。 

进一步地，所述气体扩散装置包括多个气体扩散器，所述气体扩散器的数量是根据水体的体积和/或面积来确定的。 

进一步地，所述气体扩散装置是微孔圆盘式气体扩散器，优选为陶瓷微孔圆盘式气体扩散器。 

进一步地，使所述气体扩散器的微孔的孔径、微孔之间的距离、所述气体扩散器与水面的深度以及每个气体扩散器释放出的气体流量相互匹配，从而在水体的底部到水面形成细气泡层流柱。 

进一步地，控制单位水体面积中气体扩散器的数量以及气体扩散器的表面积，维持释放出的气体在水体的底部到水面形成细气泡层流柱。 

进一步优选地，所述气体扩散器的微孔的孔径为10～90μm、微孔之间的距离2～5mm、所述气体扩散器与水面的深度4～8m以及每个气体扩散器释放出的气体流量为3～5m³/h。需要指出的是，根据本发明的气体扩散器可以是具有相同孔径的气体扩散器，也可以是具有不均匀孔径的气体扩散器，只要其微孔的孔径在10～90μm范围内。优选地，根据本发明的气体扩散器具有相同的孔径。优选地，根据本发明的气体扩散器的微孔是均匀分布的。最优选地，根据本发明的气体扩散器具有相同孔径且均匀分布的微孔。 

进一步优选地，所述气体扩散器的微孔的孔径为20～70μm、微孔之间的距离2～5mm、所述气体扩散器与水面的深度4～6m以及每个气体扩散器释放出的气体流量为3～5m³/h。 

进一步优选地，所述气体扩散器的直径为200～300mm，每十平方米水体面积中气体扩散器的数量为3-7个，优选为5～7个。 

进一步地，所述控制装置包括： 

能量控制设备，包括太阳能光伏控制器、逆变器和蓄电池，其中太阳能光伏控制器控制太阳能电池板将太阳能转化为电能以及控制将所产生的电能输送至逆变器或者蓄电池，逆变器将直流电转化为适用于曝气机的交流电压，蓄电池用于储存所产生的电能； 

操作控制设备，与控制水体溶解氧测量装置连接，并且根据水体溶解氧的含量低于或超过预定值来开启或关闭曝气机；和 

气体控制设备，用于控制气体产生装置的开启和关闭，以及用于控制将所产生的氧气或者臭氧、和/或空气输送至气体扩散器的流量。 

优选地，所述曝气机是压缩机或鼓风机。 

优选地，通过气体控制设备来控制各气体扩散器释放出的气体的流量。进一步优选地，各气体扩散器释放出的气体的流量都相等。 

优选地，所述气体控制设备包括流量计、阀门和调节器。 

优选地，当实时氧含量低于4mg/L时，开启曝气机和/或气体产生装置；当实时氧含量高于7mg/L时，关闭曝气机和气体产生装置。 

根据本发明的另一个方面，提供一种修复受污染水体的方法，其使用上述的太阳能曝气系统给被污染水体供氧，从而实现修复所述受污染水体。 

具体地，当受污染水体被有机物污染严重时，根据本发明的方法给被污染水体供给氧气或臭氧，氧气或臭氧，特别是臭氧可将大分子有机物降解为小分子有机物或将难生物降解有机物分解为可生物降解有机物，从而实现高效修复所述受污染水体。 

优选地，在水体溶解氧测量装置所测量的水体中的实时氧含量低于4mg/L时，开启所述太阳能曝气系统；在水体溶解氧测量装置所测量的水体中的实时氧含量高于7mg/L时，关闭所述太阳能曝气系统。 

根据本发明的太阳能曝气系统具有如下优点： 

一.太阳能电池板能像向日葵一样追随太阳转动，可以极大地提高太阳能吸收效率； 

二.根据本发明的太阳能曝气系统可以根据水体的溶解氧浓度水平自动 开启或关闭所述曝气系统，从而提高水体的曝气效率，降低能耗； 

三.根据本发明的曝气系统可以通过控制气体扩散器与受污染水体的水深、气体流量的匹配，从而形成细气泡层流柱，以提高空气中的氧、或者氧或臭氧进入受污染水体的效率；以及 

四.根据本发明的曝气系统的微孔曝气器在水体底部，在水体中形成从底部到表层均匀分布的细气泡层流柱，从而加强水体循环，提高曝气效率，并且防止水体溶解氧分层。 

附图说明

图1是根据本发明实施方式的太阳能曝气系统的示意图。 

图2是根据本发明的太阳能曝气系统所使用的微孔陶瓷扩散器的结构示意图。 

图3是根据本发明实施方式的太阳能曝气系统的构成框架图。 

具体实施方式

以下详细描述本发明的具体实施方式，但是本发明的保护范围并不限于这些具体的实施方式。 

根据本发明的一个实施方式，提供一种用于修复受污染水体的太阳能曝气系统，包括：太阳能转化装置，用于将所吸收的太阳能转化为电能；气体扩散装置，用于将空气、氧气和/或者臭氧以微气泡的形式输送至受污染水体中；曝气机，由太阳能转化装置所产生的电能来驱动，用于将空气、氧气和/或者臭氧通过输送管输送至气体扩散装置，进而释放至所述受污染水体中；水体溶解氧测量装置，用于测量所述水体中的实时氧含量；以及控制装置，用于根据水体溶解氧测量装置所测量的水体中的实时氧含量低于设定值或者超过设定值来开启或关闭曝气机。 

进一步优选地，所述太阳能曝气系统进一步包括用于产生氧气或臭氧的气体产生装置，并且由所述控制装置根据所测量的水体中的实时氧含量低于设定值来开启所述气体产生装置、或者超过设定值来关闭所述气体产生装置。 

为了提高曝气效率以及水体修复效果，本发明的太阳能曝气系统进一步包括有用于产生氧气或臭氧的气体产生装置，即氧气发生器和/或臭氧发生器。氧气发生器可以极大地提高氧气的转移量，氧气发生器能够挤走空气中的氮 气，进而产生浓度高达95%的氧气，安装氧气发生器可以使水体中的氧气浓度提高3倍以上。臭氧发生器不但提高氧气的转移量，而且臭氧也能有效降解水体中的难降解有机物。氧气发生器可以与臭氧发生器一起使用或单独使用。 

进一步优选地，所述太阳能转化装置包括太阳能电池板和太阳光追踪装置，所述太阳追踪装置驱使太阳能电池板追踪太阳使得太阳光垂直照射在太阳能电池板上。 

根据本发明的太阳能曝气系统中的太阳能电池板被设计为追踪太阳光的可转动电池板。当太阳光直射电池板时，光电转化效率会最高。因此，与传统的固定电池板每天只有一定时间达到其最大光电转化效率相比，根据本发明的太阳能电池板可以在有太阳光照射的所有时间内都可以达到最大光电转化效率，由此提高了本发明的太阳能曝气系统的工作效率。所述太阳光追踪装置可以是现有技术中的任何追踪装置，例如，可以是按照太阳运动规律定时控制太阳能电池板转动的控制装置。 

进一步优选地，所述气体扩散装置被设置于水体的底部。通过气体输送管道将空气或者由气体产生装置所产生的氧气或臭氧输送至气体扩散装置。所述气体输送管可以是任意材料的管道，例如，可以是传统的PVC材料、聚丙烯或者其他塑料的管道。优选使用有弹性的PVC材料。为了防止曝气管漂浮在水面，配置重物以使其沉于水底。采用微孔圆盘式气体扩散器，并放置在水体的底部，这样从底部向上形成细气泡层流柱，提高氧气扩散效率。 

进一步优选地，所述气体扩散装置包括多个气体扩散器，所述气体扩散器的数量是根据水体的体积和/或面积以及气体扩散器的表面积来确定的。例如，优选每十平方米水体面积均匀布设3～7个气体扩散器，优选为5～7个，其中气体扩散器的表面直径优选为200～300mm的微孔圆盘式气体扩散器，进一步优选为陶瓷微孔圆盘式气体扩散器。 

进一步优选地，使所述气体扩散器的微孔的孔径、微孔之间的距离、所述气体扩散器与水面的深度以及每个气体扩散器释放出的气体流量相互匹配，从而在水体的底部到水面形成细气泡层流柱。此外，优选进一步控制单位水体面积中气体扩散器的数量以及气体扩散器的表面积，维持释放出的气体在水体的 底部到水面形成细气泡层流柱。 

通过上述参数的设置，根据本发明的太阳能曝气系统能够使气体扩散器产生细气泡且形成层流柱。气体扩散器的气孔大小、气孔间距、安装深度以及曝气机的气体流量等参数，甚至进一步优选气管长度、气体扩散器的表面积等参数都要相互匹配以使得从水体的底部到水面产生层流柱。一般说来，安装在较深水体中的气体扩散器，其气孔之间的距离就要相对大一些，以防止起泡上升过程中发生合并。在较浅的水体中，气体扩散器气孔要小一些以防止气泡凝聚。而且，曝气机输送的气体的量要合适，才能形成气体层流柱。气泡在层流柱中上升的过程中，水体也会随着上升，使得底部水体与上层水体发生交换。 

本发明通过设计合适的微孔圆盘式扩散器来实现在水体中形成层流柱。本发明的微孔圆盘式扩散器的优点在于产生的气泡小，这使得气泡的比表面积更大，从而增加了氧气的转移量。而且，气泡的上升速度很慢，气泡有充分的时间向水体转移氧气。气泡紊流或湍流容易使气泡发生合并，从而极大地降低了氧气的转移。本发明就是利用细气泡层流柱来最大化氧气的转移。细气泡通过其极大的表面积来加快氧气转移。另外，由于细气泡层流柱在上升过程中有更多的水参与，因此层流柱比紊流柱更能加快水体循环。同时，层流比湍流更慢，这就增加了气泡与水体接触的时间，从而提高了效率。细气泡层流柱使大量的氧气转移到水体中。由于太阳电池板的价格不菲，所以曝气效率尤其重要。 

例如，为了获得稳定的层流柱，优选所述气体扩散器的微孔的孔径为10～90μm、微孔之间的距离2～5mm、所述气体扩散器与水面的深度4～8m以及每个微孔释放出的气体流量为3～5m³/h。以及进一步优选每十平方米水体面积均匀布设3-7个表面直径为200～300mm的微孔圆盘式气体扩散器。 

进一步优选地，所述气体扩散器的微孔的孔径为20～70μm、微孔之间的距离2.5～4mm、所述气体扩散器与水面的深度2～6m以及每个微孔释放出的气体流量为3～5m³/h。以及进一步优选每十平方米水体面积均匀布设5-7个表面直径为200～300mm的微孔圆盘式气体扩散器。 

进一步优选地，所述控制装置包括：能量控制设备，包括太阳能光伏控制器、逆变器和蓄电池，其中太阳能光伏控制器控制太阳能电池板将太阳能转化 为电能以及控制将所产生的电能输送至逆变器或者蓄电池，逆变器将直流电转化为适用于曝气机的交流电压，蓄电池用于储存所产生的电能；操作控制设备，与控制水体溶解氧测量装置连接，并且根据水体溶解氧的含量低于或超过预定值来开启或关闭曝气机；和气体控制设备，用于控制气体产生装置的开启和关闭，以及用于控制将所产生的氧气或者臭氧、和/或空气输送至气体扩散器的流量。 

所述光伏控制器将太阳能转化为电能，直交流逆变器将直流电转化为220伏交流电，并储存于蓄电池中。根据本发明的太阳能曝气系统安装有蓄电池，其优势在于，蓄电池能够在水体最需要氧气的时候维持系统的运行（尤其在晚上）。太阳能板与光伏控制器连接，光伏控制器又与直交流逆变器和蓄电池连接，蓄电池又与操作控制器连接。操作控制器与水体溶解氧测定仪连接，根据所测量的水体溶解氧的含量低于或超过预定值来开启或关闭曝气机、氧气发生器或臭氧发生器。 

进一步优选地，所述曝气机是压缩机或鼓风机。该曝气机的功率是根据安装的气体扩散器的数量来确定的，当安装的气体扩散器的数量较多时，需要配置较大功率的曝气机。 

进一步优选地，所述气体扩散装置包括多个气体扩散器，其由气体控制设备来控制。进一步优选地，所述气体流量控制器包括流量计、阀门和调节器。通过流量计和阀门调节器来控制各个气体扩散器的气体流量。 

进一步优选地，本发明的太阳能曝气系统根据水体溶解氧含量自动开启或关闭该系统中的设备。在夜间尤其是黎明前几个小时，水体溶解氧含量是一天中最低的时候，在此时开启曝气系统，曝气效果更好。 

操作控制器与水体溶解氧测定仪相连，溶解氧测定仪放在水中，能够监测水体中溶解氧浓度，并将信号传递到操作控制器，操作控制器再控制电子开关，根据溶解氧浓度开启或关闭气体处理设备，将水体溶解氧浓度维持在一个稳定水平。控制器也可以与光感应器连接，评估阳光照射到水体的强度，在阳光照射到水体的强度很低（黎明前）开启气体处理设备。 

本发明的特点是有一个在特定时间启动控制设备运行的开关控制器，即电子开关控制器，根据水体中的溶解氧浓度控制气体处理设备的运行时间。曝气 机向气体扩散器提供空气或者氧气或臭氧。为了在水体中形成层流柱，曝气机要与气体扩散器相匹配。曝气机的选择要根据气体扩散器安放在水体中的深度、气体扩散器的大小以及孔径大小和分布等因素决定。 

例如，当实时氧含量低于4mg/L时，开启曝气机和/或气体产生装置；当实时氧含量高于7mg/L时，关闭曝气机和气体产生装置。 

根据本发明的另一实施方式，提供一种修复受污染水体的方法，其使用上述的太阳能曝气系统给被污染水体供氧，从而实现修复所述受污染水体。 

进一步优选地，在水体溶解氧测量装置所测量的水体中的实时氧含量低于4mg/L时，开启所述太阳能曝气系统；在水体溶解氧测量装置所测量的水体中的实时氧含量高于7mg/L时，关闭所述太阳能曝气系统。 

除了气体扩散器和气体输送管道，本发明的太阳能曝气系统的其它设备都安装在水体的岸边上。这使得它们更方便维护。为了避免强风的别的恶劣天气的影响，陆上设备必须安装稳固。本发明的太阳能设备能够让水体曝气远离传统电网。另外，设备的运行不需要消耗燃料。因此该设备适用于偏远地区和电价较高地区。 

以下进一步结合附图详细描述本发明的优选实施方式。 

图1是根据本发明的一个实施方式的太阳能曝气系统的示意图。简单来说，根据本发明的太阳能曝气系统包括：包含太阳能电池板11和太阳光追踪装置12的太阳能转化装置10；包含陶瓷气体圆盘扩散器21和气体输送管22的气体扩散装置20；曝气机30；水体溶解氧实时测量装置40；以及控制装置50，其中所述控制装置包括太阳能光伏控制器51、蓄电池52、逆变器53、操作控制设备54和气体产生控制设备55以及气体流量控制器56。此外，还可以包括用于产生氧气或者臭氧的气体产生装置60。 

图2是根据本发明的太阳能曝气系统所使用的圆盘式微孔陶瓷扩散器的结构示意图。如图2所示，圆盘式微孔陶瓷扩散器的直径D、微孔的孔径d、微孔之间的距离w等参数与微孔陶瓷扩散器的气体流量必须相适应，才可以获得从受污染水体的底部到水面的细气泡层流柱。本发明的太阳能曝气系统所使用的微孔陶瓷扩散器的数量是根据受污染水体的面积和/或体积来确定的，一般每十平方米的水体面积可以为5-7个直径为200-300mm的圆盘式微孔陶 瓷扩散器。 

图3为根据本发明的太阳能曝气系统的构成框架图。如图3所示的，首先，太阳光跟踪装置12使太阳光垂直照射在太阳能电池板11上，从而使得太阳能转化装置更高效地产生电能。太阳能光伏控制器51将产生的电能输送至逆变器53，通过逆变器53将所产生的直流电转化为适合于曝气机30使用的电压（例如，220伏特）的交流电。另外，将剩余的电能或者该曝气系统不工作时所产生的电能输送至蓄电池52，并储存在蓄电池52中。曝气机30在通电以后开始曝气，将空气或者气体产生装置60所产生的氧气或者臭氧输送至气体流量控制器56，气体流量控制器56包括流量计、阀门和调节器（图中未示出），通过流量计、阀门调节器调节进入气体扩散器21的气体的流量。水体中氧实时测试装置40测量受污染水体中的实时氧含量，并且通过无线或者有线方式与控制装置50连接，如果该测量的氧含量超过预定值（例如，7mg/L），操作控制设备54会关闭曝气机30以及气体流量控制器56，相应地，气体产生控制设备55会关闭气体产生装置60。相反地，如果该测量的氧含量低于预定值（例如，4mg/L），操作控制设备54会开启处于关闭状态的曝气机30以及气体流量控制器56，相应地，气体产生控制设备55会开启气体产生装置60。由气体流量控制器56所流出的气体经气体输送管道22输送至气体扩散装置20。经过精心设计的气体扩散器20将气体均匀地释放至受污染的水体中，形成稳定的层流柱。 

相对于现有的曝气系统，根据本发明的太阳能曝气系统具有如下优点：首先，根据本发明的太阳能曝气系统可以根据水体的溶解氧浓度水平自动开启或关闭所述曝气系统，从而提高水体的曝气效率，降低能耗；其次，根据本发明的曝气系统可以通过控制气体扩散器与受污染水体的水深、气体流量的匹配，从而形成细气泡层流柱，以提高空气中的氧、或者氧或臭氧进入受污染水体的效率；再次，根据本发明的曝气系统的微孔曝气器设置在水体底部，在水体中形成从底部到表层均匀分布的细气泡层流柱，从而加强水体循环，提高曝气效率，并且防止水体溶解氧分层。 

实施例 

根据本发明的太阳能曝气系统对气体扩散器的要求，制备或者购买得到磷 硅酸铝陶瓷气体扩散器，其为微孔圆盘式气体扩散器，其表面直径、微孔直径、微孔间距、每个气体扩散器的气体流量以及水深等数据如表1中实施例1-12（Ex.1-12）所示。为了比较，进一步制备或者购买得到磷硅酸铝陶瓷气体扩散器，其表面直径、微孔直径和微孔间距与所使用时每个气体扩散器的气体流量和水深等参数不相匹配，具体参见表1中的比较例1-6（CEx.1-6）。 

观测各实施例和比较例的受污染水体中的气泡运动状态（层流、湍流或紊流等状态）、曝气4.5小时后的受污染水体中的实时氧含量以及待曝气后使得受污染水体中的实时氧含量达到7mg/L所需要的曝气时间，具体测试结果如表1所示。 

由表1可以看出：当气体扩散器的表面直径为200～300mm、微孔孔径为10～90μm、微孔之间的距离2～5mm与所述气体扩散器至水面的深度为4～8m和每个气体扩散器释放出的气体流量为3～5m³/h相匹配时，可以获得稳定的气泡层流柱，并且使同样的受污染水体达到其中氧含量为7mg/L时所需要的曝气时间明显更短，具体参见实施例1-12.相比之下，当气体扩散器的表面直径、微孔孔径、微孔之间的距离、气体扩散器与水面的深度和每个气体扩散器所释放出的气体流量不相匹配时，难以获得稳定的细气泡层流柱，而且使同样的受污染水体达到其中氧含量为7mg/L时所需要的曝气时间明显更长，并且在相同曝气时间内，同样的受污染水体中实时氧含量也明显更低，具体参见比较例1-6。