一种河流湖泊的水净化方法及其专用造流曝气设备

摘要

本发明提供一种河流湖泊的水净化方法，其特征在于，以河流湖泊为天然的处理池，通过设置在河湖中的造流曝气设备进行人工造流，将封闭缺氧的河湖水变为富含氧气的循环水流，形成接触氧化曝气池；在接触氧化曝气池中水流的流路上设置生物床填料，利用生物氧化法分解水中的有机污染物。本发明还提供专用造流曝气设备，包括涡流泵、进水管、混流道和出水管，其特征在于，所述进水管带有与水面空气连通的空气入口，在所述进水管和/或出水管外套设有单极磁环。实施本发明的方法可以快速、高效、低能地降低河湖水中的COD、BOD、SS含量，防止有机淤泥的淤积，消除水体臭气，还能防止夏季鱼虾缺氧死亡，具有无可比拟的优越性。

说明书

技术领域

本发明涉及环保领域，尤其是涉及河流湖泊的水净化方法及其设备。

背景技术

随着社会经济的高度发展，人类社会的工业化和城市化日益加剧，水污染日益严重。近10年来，我国城市生活污水排放量每年以5％的速度递增，在1999年首次超过工业污水排放量。2001年城市生活污水排放量为221亿吨，占全国污水排放总量的53.2％。2002年全国工业和城镇生活废水排放总量为439.5亿吨，其中城镇生活废水排放总量为232.3亿吨，比上年增长0.9％。由于如此巨大的排污压力，各地污水处理厂长期超负荷运作，甚至未经处理过的污水被直接排放到江河湖泊，使江河湖泊慢慢失去自净能力，形成以黑臭缺氧为代表的第一代水污染，或形成以重金属、有毒化学品污染为代表的第二代水污染，或形成以营养元素超量污染为代表的第三代水污染，更甚的是在很多江河湖泊中三代污染同时出现，使我国的江河湖泊水污染治理更为艰辛。

在河湖治理技术领域，通常采用的有建设一级水质净化厂，将河水引进厂内简单处理后排放回河的工艺。现有技术的工艺系统中，一般是直接采用加药、沉淀、排放回河工艺，而没有接触氧化工艺，所以处理后的出水就算各项常规指标能达到一级排放标准，但水中的溶解氧没有得到明显的提高，进而经处理后的水再排入河湖后，水的自净能力没有明显提高，水的质量又打回原形，继续发黑发臭。而且对于处理庞大流量的河湖水而言，现有的治理工艺还存在着占地面积大，投资费用高，运行费用高等问题。

河湖水质的污染通常是有机污染物的超标或水中氮、磷营养元素含量较多造成藻类异常繁殖的富营养化污染。有机污染物过多、溶解氧不足，厌氧分解产生的臭气和黑液造成水体发黑发臭。在污水处理行业，对于有机污染型污水，生物接触氧化法是非常成熟的好方法，但由于设备和工艺的局限，目前它只限于用在污水处理厂等处，还没有直接在河湖中采用。

发明内容

本发明的目的在于解决现有河湖治理中，水的自净能力得不到改善，水质不能保持，净水设备占地面积大、投资费用和运行费用高的问题，而提供一种可以提高水的自净能力，治理效果好，成本低，实用性强的河流湖泊的水净化方法及其设备。

本发明的河流湖泊的水净化方法的特征在于，以河流湖泊为天然的处理池，通过设置在河湖中的造流曝气设备进行人工造流，将封闭缺氧的河湖水变为富含氧气的循环水流，形成接触氧化曝气池；在接触氧化曝气池中水流的流路上设置生物床填料，利用生物氧化法分解水中的有机污染物。

根据本发明的河流湖泊的水净化方法，其特征在于，在河流湖泊中的接触氧化曝气池中投放氨氮硝化剂，每次用量为0.5-5克/立方水，投放频率为3-5天1次，投放期间不超过2个月。

根据本发明的河流湖泊的水净化方法，其特征在于，在所述河流湖泊中的接触氧化曝气池中设置中央隔板，将造流曝气设备在所述隔板两侧等间隔设置，隔板两侧的造流方向相反，使接触氧化曝气池中的污水象氧化沟一样循环流动。

根据本发明的河流湖泊的水净化方法，其特征在于，所述河流湖泊中的接触氧化曝气池有两级或两级以上，互相串联，最上游的是第一级接触氧化曝气池，最下游的是末级接触氧化曝气池，各级接触氧化曝气池之间用隔板隔开，并使水流可以从上游向下游流动。

根据本发明的河流湖泊的水净化方法，其特征在于，在所述第一级接触氧化曝气池的上游设置有起过滤作用的格栅。

根据本发明的河流湖泊的水净化方法，其特征在于，在所述末级接触氧化曝气池的下游设置有起清除悬浮物作用的气浮池。

本发明的原理是这样的：自然界的河流湖泊本来具有一定的自净能力，能自我净化水质，保持水质洁净。但当人类的污染物超标排放时，往往会大大超过水体自身的净化能力，甚至使水体自身的净化能力为零，使水体特别是底层水体严重缺氧，极大地抑制了好氧微生物(硝化细菌等)的活性。在缺氧状态下厌氧微生物大量繁殖，对落入水底的有机物进行厌氧分解，产生硫化氢、甲烷、氨等有害气体，释放臭气并造成鱼虾大量死亡甚至绝迹。硫化氢又与水中的铁反应，生成硫化铁使水体发黑。得不到及时分解的有机物沉积在水底，形成黑色淤泥，并发出恶臭。对于湖泊、水库、河道的水闸门前蓄水区等水体而言水体具有封闭性和非流动性，呈现“一潭死水”的特征，水质更容易腐败发臭。

要治理河湖中有机污染物超标造成的水体污浊、黑臭污染，首先必须运用人工方法提高河流、湖泊水体的自净能力，而最有效的方法就是对严重缺氧河流、湖泊人工造流并进行高效曝气增氧，将严重缺氧的死水区变成富含氧气、充分流动交换的活水区。但是在河湖中进行的曝气不能采取一般污水处理厂曝气头曝气那样的面曝气，而只能采取点曝气。因为在河流、湖泊中铺设遍布全区的曝气管网是不现实的。而且氧气自身在水中的传递速度很慢，在一大气压下20℃时的水中氧的溶解度仅为0.00917g/l，采取点曝气增氧时水体必须流动，才能将曝气点处的富氧水块与远离曝气点的贫氧水块充分交换，实现全水域曝气。流速较快的河流自身可以实现富氧水体块与贫氧水块的交换，但对于湖泊、水库、河道的水闸门前蓄水区、平原地区水流极其缓慢的河流等水体而言，水体基本为非流动的死水，必须在曝气的同时进行人工造流，实现全水域曝气，才能让富氧水与贫氧水进行迅速交换。

营造出庞大的富氧循环水流之后，再在水流流路上敷设高效填料-方形块状生物床，便在污染河湖里成功实现了生物接触氧化法的技术条件，形成了水域内生物接触氧化法直接净化河流、湖泊的技术体系。

选择投放的氨氮硝化剂为合成的、特选的粉末状微生物复合物，含有处于潜伏期的纯的硝化细菌和亚硝酸菌，以及营养盐，适合在缺氧条件下对污水进行脱氮处理。亚硝酸菌主要支持微生物的作用过程，使氨氮转化成亚硝酸盐氮，生物氧化作用可提升硝化菌进行硝化作用；硝化菌是自养生物菌，是以二氧化碳为碳源进行合成作用的，它的复制速度为8-16小时；氨氮硝化剂发生的两种作用可使水中的氨减少，进而毒性减弱，所发生的上述两种作用并没有过多地消耗溶解氧，因为它们已经被氧化过了。根据需要选择投放的用量和频率，可以优化处理过程及消除由于底泥翻起产生的恶臭。

由于水量庞大，传统工艺曝气造流的电耗大得惊人，根本很难实现，因此，为了实现本发明方法，本发明还提供一种超大流量造流曝气设备，其具有大流量、低能耗的特点，成功解决了低成本造流和全流域造流曝气增氧的问题。

本发明的专用造流曝气设备包括涡流泵、进水管、混流道和出水管，所述涡流泵的叶轮组件设置在混流道内，水流由进水管流入，经混流道，由出水管排出，其特征在于，所述进水管带有与水面空气连通的空气入口，在所述进水管和/或出水管外套设有单极磁环。

根据本发明所述的造流曝气设备，其特征在于，所述进水管连接有一级射流器，所述一级射流器具有水流入口和与水面空气连通的空气入口，在混流道和出水管之间设置有二级射流器，在所述二级射流器外装有带吸水管的整流放大器，所述整流放大器外套设有单极磁环。

根据本发明所述的造流曝气设备，其特征在于，在所述整流放大器内镀有催化剂薄膜。

根据本发明所述的造流曝气设备，其特征在于，所述单极磁环是采用航天技术材料SRO₆Fe₂O₃制作的永磁单极磁环。

本发明的造流曝气设备的工作原理是：根据气体向液体迁移的“双膜理论”可知，迁移率主要与气体和液体两相之间的接触表面和交换过程中液相亏氧梯度有关，当溶解氧达到饱和度时，再往水中注入更多的氧也无法再提高水的溶解氧。因此，为能研制出结构合理、性能良好的曝气增氧机，有很多研究者都竞相努力向“打碎气泡”和使劲搅拌水体以加强混合的方向去提高动力效率，而忽略了改变水的溶解性去提高氧迁移率。而本发明的造流曝气设备，除了利用“打碎气泡”和使劲搅拌水体，还运用无能耗的单极磁环制造强磁区磁化污水的方法去降低水的表面张力而改变水的溶解性来提高氧迁移率。本发明巧妙地运用最先进的流体力学设计原理，利用了二级射流及整流放大的能量转换原理，使其消耗同样的电力能营造出比普通水泵大20-30倍的水流量，在水中形成庞大的水平循环水流，同时还能进行高效曝气增氧，因而特别节能，用很小的耗能就能将庞大的水体搅动，使整个水体由死水变为富含氧气流动水，因而提高了河流、湖泊的自净能力。

实施本发明的方法可以快速、高效、低能地降低河湖水中的化学耗量(COD)、生物需氧量(BOD)、悬浮物(SS)含量，防止有机淤泥的淤积，消除水体臭气，还能防止夏季鱼虾缺氧死亡。其专用的造流曝气增氧机和填料全部沉没在水中，丝毫不影响水面景观。具有无可比拟的优越性。

附图说明

图1是本发明河流湖泊水的净化治理方法的工艺流程简图；

图2是根据本发明方法，在河湖中设置造流曝气设备的布置图；

图3是本发明河流湖泊水的净化治理方法的专用造流曝气设备的结构示意图；

图4是普通磁铁的磁力线分布示意图；

图5是图3所示的造流曝气设备中所使用的单极磁环的磁力线分布示意图。

具体实施方式

本发明方法是把河流两侧护岸已被衬砌的水渠本身当作污水治理的构筑物，不再建设专门的处理厂。接触氧化曝气池、气浮池均放在水渠内，粗格栅和细格栅也都设置在水渠内。

为了直接在水渠内进行治理，必须设计污水的总水力滞留时间足够8-12小时，为曝气好氧净化创造条件。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，河湖的水净化方法包括以下流程：

1.粗格栅过滤：

格栅是污水处理行业必备的设备。特别是水渠内这种露天开放式水环境，人们丢弃的塑料、纸张等固体垃圾很多，必须用格栅拦截这些粗大垃圾，为后续曝气处理流程创造条件。本工艺中粗格栅采用间距为20mm的全自动清污格栅。全自动清污粗格栅的台数根据实际情况而定。

2.细格栅过滤：

对于淹没式生物床接触氧化法而言，生物接触填料是微生物挂膜的地方，填料内缝隙比较宝贵，不应被无机悬浮物充满，否则会降低使用效率。因此需要加设细格栅，对较小的无机悬浮物进行清除。本工艺中细格栅采用间距为5mm的全自动清污格栅。全自动清污细格栅的台数根据实际情况而定。

3.接触氧化曝气池处理：

根据不同水质条件下成功的淹没式生物床接触氧化法污水治理经验和数据，确定本工艺在曝气池总水力停留时间为12小时。根据水渠污水流量，每小时流量。水渠水深及宽度，则可算出储水12小时需要的水渠长度。

计算公式为：

如图2所示，为保证较好的净化效果，一般生物接触氧化池数量不少于2座，串联起来使用。多级串联的好处是第一段接触氧化池用来承接排入污水的负荷冲击，好氧微生物菌种比较适应较高的BOD负荷和负荷变动冲击；末段接触氧化池则用来对经初步治理后的较低BOD负荷的污水进行进一步精细净化，好氧微生物菌种比较适应较低BOD负荷，且不与排入的原污水直接混合，能保证出水的质量。

理论设计中水渠内中用于生物接触氧化池的总长度应对等分割，1级接触氧化曝气池和2级接触氧化曝气池长度平均。将上游的水渠作为第一级接触氧化曝气池，下游的水渠作为第二级接触氧化曝气池。其中最后部份增设一区间作为气浮池使用，用隔板隔开。

在接触氧化曝气池内，沿河两岸等间隔设置“超大流量造流曝气机”。两岸的曝气机造流方向相反，使得河渠内污水像氧化沟一样循环流动。

由于有机污染型河流治理专用设备-“超大流量造流曝气机”的造流能力远大于曝气充氧能力，因此应以需氧量来计算所需机器数量。

以每除去1kgBOD₅需要1kgO₂计算，水渠内的BOD₅平均为∑mg/L，每天的BOD₅总量Q为：Q＝∑×1000×每天流量×0.001×0.001＝kg/d

再将每天的BOD₅总量Q换算成每小时需氧量为Q₁；

按照本工艺专用的造流曝气设备的氧转化率指标(氧气在水中的转化率可达到50％-60％)计算，实际每小时需氧量为Q₂，再根据Q₂计算出实际电耗：

Q₂÷2.2kgO₂/kw.h＝实际电耗(kw/h)

所需要“超大流量造流曝气机”台数＝总功率实际电耗(kw/h)÷“超大流量造流曝气机”的功率，考虑到水渠内两侧曝气机需要等间隔布置，机器数量应取偶数。

在中央隔板的隔离下，水渠被分割成氧化沟一样的形状，超大流量造流曝气机”一边曝气一边使污水沿河岸缓缓循环流动。由于污水得以充分流动搅拌，曝气机处的富氧水团被均匀分散到河道各处，使得整个河道中的污水都处于好氧状态，从而能从根本上杜绝臭气的发生。

与此同时在水渠内设置生物床(由球形填料组成)，这样就在河道中实现了接触氧化法的技术条件，填料上将会生长大量的好氧微生物，形成生物膜，依靠生物膜分解河水中的有机污染物。

填料的使用量＝水渠内每天排放的BOD₅总量÷每立方米填料每日可承担BOD₅负荷

4.气浮池处理：

接触氧化曝气池处理后水中含有脱落的生物膜，另外原污水中无机细小悬浮物SS也较多，接触氧化曝气池处理后直接排放则SS不易达标。因此工艺中在最后一道工序中采用气浮工序。原理上最后一道工序也可以采用沉淀法，但在露天水渠环境中沉淀池污泥不便清理，而气浮法则直接将悬浮物带到水面，便于清除。故本方案中采用气浮法。

按照本工艺的设计可以保证治理后出水达国家地表水4类水标准(GB3838-88)，即：

去除率％治理后排水标准mg/L臭气＞90闻不到明显臭气漂浮物＞90消除水面油斑、落叶及其他集聚物SS＞91＜10BOD＞90＜6COD＞88＜20DO＞3凯氏氮(含氨氮和有机氮)＞93＜2

本发明还提供一种人工造流和曝气增氧同步进行的河流湖泊治理专用设备，采用无能耗的单极强磁场技术打破水中溶解氧溶解率与饱和极限，溶入最佳的流体力学设计，彻底打破了传统曝气增氧设备的使用及增氧极限，具有作用区域大、结构简单、低能耗、无噪音、增氧动力效率高的优点，能实现传统曝气增氧设备的更新换代。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，专用的造流曝气设备包括由防水电机1、泵体2、泵盖3、传动轴4、叶轮5和机脚18组成的涡流泵，及进水管6、进气管7、进气阀8、混流道9、一级射流器10、多孔板塞11、单极磁环12、催化剂薄膜13、二级射流器14、整流放大器15、吸水管16、喷射管17等。其中，涡流泵的叶轮5设置在混流道9内。

进水管6带有一个三通管，水面空气由进气管7经进气阀8和三通管进入进气管6。进气管6的前端联接一级射流器10，一级射流器10外套上多个由美国航天技术材料SRO₆Fe₂O₃制作的单极磁环12，一级射流器喷嘴处装有穿孔板塞11。进水管6、进气管7、进气阀8、混流道9、一级射流器10、多孔板塞11等构成负压气液混合区。

二级射流器14设置在混流道9和喷嘴17之间，在二级射流器14外装有整流放大器15。整流放大器14内镀有催化剂薄膜13，在整流放大器15下装有连接河湖水的吸水管16，在整流放大器15外套设有单极磁环12。混流道9、二级射流器14、单极磁环12、整流放大器15、吸水管16、喷嘴17等构成正压气液混合区。

所述单极磁环12是采用美国航天技术材料SRO₆Fe₂O₃制作，其磁力线分布如图5所示，而普通磁铁的磁力线分布如图4所示。

所述整流放大器13是长圆桶形设计，其一端连接二级射流器14，另一端连接喷嘴17，所述整流放大器13的内部空间为二级射流器14的20倍以上，且喷嘴17延伸入整流放大器13的内管的长度约为整流放大器13的总体长度的三分之二，使从吸水管16的进水经过一段流程后再从喷嘴17喷出。

本发明造流曝气设备的工作原理是：涡流泵的叶轮工作产生负压，由负压作用而不断吸入水与空气并且经一级射流器及穿孔板塞的作用使水与空气充分混合而形成负压区第一级增氧，一级射流器内形成负压吸入水面空气与压力水在内置穿孔板塞的区间内激烈混合，使气液流在内置穿孔板的区间内强制通过后被碎分成微小气泡，形成气液混合流，进行乳化反应，促进了氧分子的扩散作用，加速了溶氧过程。经一级射流器喷嘴高速喷出的气液混合体强制通过单极磁环产生的强磁区，即穿孔板塞区，当气液混合流经一适当聚集的强磁场时，水作为导体将产生一个电动势，这个电动势将使水带上直流正电荷而互相排拆、分离，这导致水的表面张力大大降低，从而使水具有溶解性，这样水能溶解更多的可溶解性物质，从而提高了氧在水中的溶解率，进而提高水中溶解氧的饱和度(能提高25％)。涡流泵在由机械能转为液体能的过程中，液体与叶片之间重复发生作用，伴随着强烈地涡流扰动混合现象，这现象有利于增氧混合，并且涡流泵有良好的自吸、气水混合、及气液混合物输送的能力。然后以涡流泵的强大推流动力支持后二级射流器及整流放大器的工作。即一级水-气提升，另一级水-水提升及整流放大。这股达到超饱和状态的溶氧水进入第二级射流器进行第二次喷射，经二级射流器喷嘴高速喷出的气液混合体与经整流放大器吸水管吸进的水强制通过单极磁环产生的强磁区，再进一步提高被吸进水的溶解性而在正压区进行二次充氧。在由喷嘴喷入到特殊设计的整流放大器内时，由于整流放大器是长圆桶形设计，内部空间是二级射流器的20倍以上，且喷嘴内管延伸入整流放大器，因此，所通过的水经二级射流器的强大推流冲击力作用，外围的水源源不断地被整流放大器吸水管限量吸入并被磁化、加速、混合，再进一步乳化增氧后形成均速大水流。由于速度均一的大动量水流大幅减少了涡流泵水直接在水中扇面喷射时的动量损失，流量得以大幅度放大，通常可以增量20倍以上，使得在水中营造出的可见水流长度大幅提高数倍，达到100米以上。在正压区的整流放大器内，通过单极磁环产生的强磁区发生的磁力线与整流放大器内镀有的催化剂薄膜进行磁力线催化氧化反应。催化剂薄膜的主要成份为纳米二氧化钛及纳米铁粉组合物，在磁力线作用下催化剂膜禁带(valence联合)上的电子吸收电磁波而被激发到导带(传导)上，即在导带上产生带有很强负电性的高活性电子，同时在禁带上产生带正电的空穴(h+)，从而产生具有很强活性的电子--空穴对，形成氧化还原体系。这些电子--空穴对迁移到催化剂膜表面后，与溶解氧及H₂O发生作用，最终产生具有高度化学氧化活性的羟基自由基(.OH)和超氧化物离子(superoxide离子)，.OH是强氧化剂，常常可以将有机物完全矿化为CO₂和H₂O。水在通过磁场时，会产生微弱的电流，水中的钙和铁等杂物也同时会产生带正电和负电的离子，离子由于正负电的关系而相互吸引，使较粗杂物凝聚而随水流排走，而较细部分有机物微粒进一步氧化，以达到杀菌、灭藻及去除部分COD、BOD、SS的目的。经过上述负压区及正压区的一连串工作及反应从而使人工造流、曝气增氧和杀菌净化水质等三种功能同时完成。

由于本河流湖泊治理专用造流曝气增氧设备采用了美国航天技术材料SRO₆Fe₂O₃制作的单极磁环产生强磁区对水质进行磁化，从而提高了氧在水中的溶解率，提高水中溶解氧的饱和度，取消了通常增氧机的减速装置，选用进口防水电机直接高转速驱动(超过2000转/分钟)，机械效率高，运转平稳，无噪音、造流增氧范围大，增氧动力效率高。因此，其动力效率可达2.5-2.8kgo₂/kw.h。在整流放大器内进行的磁力线催化氧化反应，通常COD能降低20-40％，BOD能降低30-50％，SS能降低15-20％。

本设备具有如下特点：

a.高效率溶氧

独特的负压区、正压区合理设计，吸入空气量多，与水混合均匀，产生气泡细而多，水的表面张力经磁化后降低，水的溶解性提高，进而溶氧率高。

b.超大流量造流

正压区二级射流及整流放大的合理设计，完成低能耗驱动超大流量人工造流。营造超长可见水流，促进死水区流动化与活性化。

c.易安装免维护

自动着脱装置与不附着脱装置二种可供选择，安装简单维护容易。机器沉没于水底，不影响水面景观，不产生任何二次危害。

本设备的性能指标如下：

    型号  功率(KW)  增氧(kg/d)造流量(m³/d)    S-15    0.15    9.9    2200    S-25    0.25    16.5    4000    S--40    0.4    26.4    5700    S-75    0.75    49.5    10500    S-150    1.5    99    18000    S-220    2.2    145.2    29000    S-370    3.7    244.2    46000    S-550    5.5    363    70000    S-750    7.5    495    105000

本设备的使用范围：

a.应用于河流、湖泊的造流、复氧、除臭、杀菌、灭藻。

b.应用于工厂化养殖场的造流、复氧、除臭、杀菌、灭藻。

c.应用于景观鱼池的造流、复氧、除臭、杀菌、灭藻。

d.应用于景观喷泉的造流、复氧、除臭、杀菌、灭藻。

e.应用于亲水公园的造流、复氧、除臭、杀菌、灭藻。