專利名稱：地表水域的水質直接凈化方法
技術領域：
本發明涉及環保行業中對河流、湖泊、水庫、海洋港灣、人工河流、人工湖、池塘等地表水域的水質進行處理凈化的一種方法。
背景技術：
河流、湖泊、水庫、海洋港灣、人工河流、人工湖、水池、池塘等地表水域大都存在著較嚴重的污染。污染源主要來自于工業污水、生活污水、雨水徑流所攜帶的面源污水、風沙揚塵攜污等。
我國目前對天然的河流、湖泊、水庫等地表水域的治理措施基本是截污、清淤兩種，截污是截斷污染源，送往污水處理廠，清淤是清除水底原有淤泥，防止淤泥中原有污染物質向水中重新釋放。截污和清淤對地表水域的水質凈化很有好處，這是不容置疑的，但是也存在投資極其巨大、建設周期長的致命弱點，一條小河的治理資金往往需要幾十億元，而且配套管網建設、配套污水處理廠建設極其繁雜，需要數年的工期。
更大的問題是，截污和清淤并不能確保地表水域水質的長期向好？。往往是截污和清淤做過幾年之后，一度好轉的地表水域水質又再度惡化。原因是由于地表水域的露天開放性，雨水徑流所攜帶的面源污水、風沙揚塵攜污等污染源難以避免。而很多地表水域屬于封閉性半封閉性水域，如湖泊、水庫、海港、大湖湖汊、死河汊、城市死水河道等，由于水體封閉、流動緩慢、與外部交換不暢，呈死水狀態，水體的自我凈化能力極度低下，即便較少量的污染源進入水體，由于得不到及時分解凈化，日積月累也會使水質再度惡化。
對于人工開挖的人工湖、人工河道、水池、池塘等地表水域，雖然先天性就解決好了截污和清淤的問題，但這種地表水域大多是封閉死水區域，同樣由于雨水徑流所攜帶的面源污水、風沙揚塵攜污等污染源的進入，以及死水的水質自我惡化，即便原本注入自來水或井水等比較干凈的水源，過不多久水質也會惡化。
中國專利92113369.3、日本專利特開平3-81000等公布了一些湖泊等地表水域的凈化方法和裝置。其基本原理是在水中直接曝氣充氧增加水域中溶解氧含量，或是通過表層水與底層水交換的方式促進底層水溶解氧含量。對受污染的水體而言，增加水體中溶解氧含量防止出現缺氧厭氧現象是十分必要的。這些措施都具有一定的積極意義。
增加水中溶解氧的目的是促進水中好氧微生物的繁殖，最終通過好氧微生物來分解去除水中污染物。但是從微生物的生存特性上考慮，微生物喜歡附著在固體表面生長，同一環境下，水中的微生物含量要比固體表面的微生物含量少一個數量級。自然狀態下，由于地表水域中微生物數量的不足，影響了對污染物的分解凈化速度，因此，單純的曝氣充氧往往耗能不小、效果不佳。
對于封閉型湖泊類地表水域1，一種常見的現有治理技術是用水泵4將湖水抽上來，經過在岸上建造的水處理設施2處理后回流到湖里(參見圖1)。這里的水處理設施是常規的污水處理設施，可以有多種方式，比如過濾、生化、沉淀等等。由于受到水處理設施投資和占地面積的限制、以及水泵抽水能力和電耗的限制，一般對于水量較大的地表水域(比如1萬噸以上)，很難做到每天循環一次，一般是5天、10天甚至更長時間才循環一次。水量越大循環周期就越長。這么長時間才循環一次，使得水體流動極端緩慢仍接近死水，而且藻類的繁殖速度幾個小時就翻倍，岸上水處理設施的治理速度遠遠趕不上污染速度，治理效果不盡人意，而且建設費用高，運行費昂貴，有很多這樣的治理設施建成后不久就棄置不用。
另一種針對河流而言比較常見的背景技術是在河流(水域)1邊開挖水渠3，用水渠3將部分河水引到岸上的水處理設施內2，治理后回流(參見圖2)。落差大、水流急的河流里可以這樣用，省略了水泵的耗能。這里的水處理設施同樣也是常規的污水處理設施，可以有多種方式，比如過濾、生化、沉淀等等。這種方式能處理的水只是河水的一部分，未進入水處理設施內的河水得不到治理。而且受水處理設施投資和占地面積的限制，能處理的水量也較少。
發明內容
本發明的目的就是提供一種地表水域的水質直接凈化方法，設法避免“間接凈化法”的巨大建設投資和耗能，盡可能不做任何土建工程，直接在地表水域內部建立水質凈化體系。改變單純在水域中曝氣充氧的簡單做法，增加微生物數量，大幅度提升地表水域的水質凈化速度。
為了實現上述目的，本發明采取以下技術措施直接在地表水域內部設置曝氣充氧裝置進行曝氣充氧，提高水體中溶解氧含量；并直接在地表水域內部設置微生物附著載體，促使水域中原有土著微生物在微生物附著載體上大量繁殖，形成生物膜，最終依靠生物膜上的大量微生物分解凈化水中的污染物，實現水質的直接凈化。
所述的曝氣充氧裝置是霧化曝氣軟管，直接敷設在所述地表水域中，并與設置在岸上的壓力氣源相聯接；所述的微生物附著載體設置在所述的霧化曝氣軟管的上方或附近。
在所述地表水域內部直接設置水流營造裝置，使水體充分流動，并使所述曝氣充氧裝置所充入的溶解氧隨水流流向所述的微生物附著載體。
在所述地表水域內部還直接種植水生植物，水生植物可以種在水下、岸邊，或是無土種植在漂浮于水面的浮島上。
在所述地表水域內部還直接投灑各種人工培養的微生物制劑或復合生物酶制劑。
在所述地表水域內部還直接放養魚類、貝類等水生動物。
所述的水流營造裝置與所述的曝氣充氧裝置是一體的造流曝氣機，由該造流曝氣機同時實現水流營造和曝氣充氧兩種功能。
本發明將曝氣充氧裝置、微生物附著載體都直接放置在前述地表水域內。這樣就不需要在原有地表水域之外另行開挖新的水處理池或添加新的水處理設施，也就不存在在前述地表水域和外部處理設施之間來回輸送水的問題，因此可以避免土建工程、減少“間接凈化法”的巨大建設投資和耗能。
本發明對地表水域水質凈化的機理是由于微生物附著載體的存在，地表水域中原本存在的土著微生物將很容易地附著在所述微生物附著載體上，形成生物膜，生物膜中的微生物通常可分為好氧微生物和厭氧微生物兩種類型，本發明中所需要的主要是好氧微生物。好氧微生物群一方面需要呼吸溶解氧，一方面以水中有機污染物為食物，最終將有機污染物分解成無害的二氧化碳和水，實現水質凈化作用。在溶解氧充足的情況下，微生物附著載體上的好氧微生物能夠大量繁殖，只有足夠多的微生物數量才能實現比較明顯的水質凈化效果。
從微生物的生存特性上考慮，微生物喜歡附著在固體表面生長，同一環境下，固體表面附著的微生物數量要遠遠大于水中的微生物數量。故此設置微生物附著載體是為大量增殖微生物數量服務的，我們需要的是大量培養好氧微生物，這又加大了對溶解氧的需求，如果溶解氧的供應跟不上也會大大影響好氧微生物的大量繁殖。故此設置曝氣充氧裝置也是為大量增殖好氧微生物數量服務的。
由于本發明方案中同時提供了曝氣充氧裝置和微生物附著載體，完全滿足了好氧微生物大量繁殖的需要，故而能快速有效地實現地表水域水質的直接凈化。
圖1是現有技術“間接凈化法”對靜止水域的一種凈化設施示意圖；圖2是現有技術“間接凈化法”對流動水體的一種凈化設施示意圖；圖3是本發明實施例1的凈化設施示意圖；圖4是圖3的A-A剖視圖；圖5是本發明實施例2的凈化設施示意圖；圖6是圖5的B-B剖視圖；圖7是本發明實施例3的凈化設施示意圖；圖8是圖7的C向視圖；圖9是填料的單根水草式安裝方式示意圖；圖10是圖9的D-D剖視圖；圖11是填料的網箱式安裝方式示意圖；
圖12是一個網箱的立體結構示意圖；圖13是本發明設在河流中的實施例示意圖；圖14是圖13的E-E剖視圖；圖15是本發明設在通航河流中的實施例示意圖；圖16是本發明設在不流動河流中的實施例示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明參見圖3和圖4，該實施例的曝氣充氧裝置由壓力氣源5和霧化曝氣軟管6組成。霧化曝氣軟管直接敷設在所述地表水域1中，并與設置在岸上的壓力氣源5相聯接。所述霧化曝氣軟管6是一種特殊材料制成的軟管，在軟管內部灌入帶壓空氣的情況下，由于軟管結構上的特性，無數微細氣泡11從管壁上滲出，形成霧狀氣流，氧氣從氣體中溶解到水中，實現曝氣充氧功能。由于霧化曝氣軟管6是一種柔軟的類似橡膠管一樣的物體，使得它非常容易地直接敷設在所述地表水域中，敷設方式簡單不受限制，在水底可以呈任意形狀排列。敷設成本非常低廉，加上霧化曝氣軟管6本身售價不貴，故而從經濟角度考慮是非常適合用作大水量的地表水域曝氣充氧裝置的。
在一個要治理的地表水域內，將橡膠管狀霧化曝氣軟管6盡可能均勻地布放在地表水域1的水底，盡量不留下較大的未放置霧化曝氣軟管6的空白水域。霧化曝氣軟管6與岸上的壓力氣源5相連接，在水中自下而上釋放出霧化氣泡11，由于霧化曝氣軟管布置的比較均勻，地表水域內不會出現缺氧死角。同時在地表水域中也均勻設置了許多微生物附著載體(填料)7，填料可以以網箱安裝等方式形成一個個填料區塊，這時填料區塊最好設置在霧化曝氣軟管正上方或附近，當然填料也可以以水草方式或懸浮球漂浮方式分散隨機設置在水里。由于霧化曝氣軟管6也能在幾米的范圍內促成小范圍水流循環，加上溶解氧自然擴散作用、和風力作用也能使溶解氧適當向周圍水體擴散，故霧化曝氣軟管6和填料7也無需擺放過密。這樣地表水域中各處的水中污染物都能跟填料上的生物膜充分接觸，溶解氧也分布均勻，故能產生很好的治理效果。
如圖13和圖14所示的實施例，在流動的河流1內間隔放置微生物附著載體(填料)7，在每一填料7的上游各設置一個曝氣充氧裝置9。曝氣充氧裝置9產生氣泡11提高了其附近水體的溶解氧含量，富含溶解氧的河水隨著水流被帶到填料7，達到凈化的目的。如果在通航的河流(參見圖15)，則可以將曝氣充氧裝置9和填料7分別交替設置在河流的兩岸，小船可以沿曲線12航行。
圖13～14的實施例中所用的曝氣充氧裝置可以是霧化曝氣軟管、表面曝氣機、射流曝氣機、噴水式曝氣機、鼓風曝氣等水處理行業常規曝氣方式中的任何一種或幾種。
參見圖5～圖8，為了進一步提高地表水域直接凈化的效果，除了所述的曝氣充氧裝置和微生物附著載體之外，本發明還在所述地表水域內部直接設置水流營造裝置，使水體充分流動，并使所述曝氣充氧裝置所充入的溶解氧隨水流廣為擴散，并流向微生物附著載體7，以便使地表水域內更廣泛的范圍內溶解氧得到補充，消除地表水域中可能存在的死水缺氧區域。
在地表水域中放置微生物附著載體時，需要將微生物附著載體設置在水流營造裝置的水流波及范圍內，以便使溶解氧隨水流擴散到微生物附著載體周圍。最好將微生物附著載體設置在水流流路上，這樣水中溶解氧以及散布在水中的污染物都會隨著水流輸送到微生物附著載體周圍，使微生物附著載體上的生物膜能充分接受到充足的溶解氧，并能充分地捕捉到水中的污染物，從而發揮出快速高效的水質凈化性能。
圖5和圖6所示的是獨立結構的水流營造裝置8和曝氣充氧裝置9，曝氣充氧裝置9設置在水流營造裝置8與微生物附著載體7之間。水流的存在既能對微生物附著載體7上的生物膜起到沖刷作用，促使老化生物膜的脫落和新生物膜的生長；也能促使地表水域中各處水體與微生物附著載體充分接觸，使廣泛分布在地表水域中的有機污染物、氮、磷、藻類等有害成分在與微生物附著載體7上的生物膜接觸時被生物膜所截留、捕捉、分解，從而起到水質凈化作用。橫向或縱向水流營造裝置8的使用能夠大大促進地表水域的凈化過程，使得地表水域中設置的微生物附著載體的數量或體積可以大大縮減，即便微生物附著載體的體積只占整個地表水域水體積的百分之幾，由于水體處于流動狀態，仍然能夠做到使微生物附著載體上的生物膜與整個水體都充分接觸，使廣大范圍內的地表水域水體都能得到生物凈化。
所述的水流營造裝置8可以是市場上出售的螺旋槳式潛水推流器、水泵、造流曝氣機、轉碟曝氣機、超大流量造流曝氣機等。理想的水流營造裝置的選定標準是能耗低、推動的水流流量大，這樣才能做到節能、經濟。螺旋槳式潛水推流器、大口徑低揚程軸流泵、超大流量造流曝氣機等都是較好的選擇。
所述曝氣充氧裝置9可以是霧化曝氣軟管、表面曝氣機、射流曝氣機、噴水式曝氣機、鼓風曝氣等水處理行業常規曝氣方式，它們都在本發明專利的保護范圍之內。
使用上述污水處理行業傳統曝氣器時，如果沒有水流營造裝置，因為溶解氧在水中的自然擴散傳遞速度很慢，就需要在地表水域中高密度布置大量的曝氣器，否則地表水域中容易出現缺氧區域。但這樣一來，曝氣的投資將非常昂貴，缺乏經濟性，因此，本實施例中使用上述污水處理行業傳統曝氣方式時，同步在地表水域中加上了水流營造裝置，這樣就可以只在地表水域的少數幾個點(局部小區域)進行曝氣，然后通過水流營造裝置將溶解氧傳遞到整個水域中，從而既能避免出現缺氧區域，又能大幅度減少曝氣裝置數量，使投資成本控制在用戶可以接受的程度。
所述曝氣充氧裝置9還可以是一種促進地表水域上下層水體交換的公知設備，雖然沒有直接的曝氣作用，但由于表層水存在大氣復氧作用能從空氣中獲得溶解氧，缺氧的是深層水體，故促進地表水域上下層水體交換也能將富含溶解氧的表層水趕到水底，而將缺氧的底層水體趕到水面接受大氣復氧，從而也能起到曝氣充氧設備同樣的作用，特別是在水深較深、水量較大的水庫等深水水域，該方法更具有其經濟優越性，因而上下層水體交換設備也是一種廣義的曝氣充氧設備，也在本發明的保護范圍之內。
圖7和圖8所示的實施例是將水流營造裝置8和曝氣充氧裝置9合為一體結構，稱作造流曝氣機10，由造流曝氣機10同時實現水流營造和曝氣充氧兩種功能。這種方式非常經濟有效，造流曝氣機10所營造的水流能夠立即將該機器周圍富含溶解氧的水體推到遠處，同時又在進水端吸進溶解氧低的水塊進行充氧，這樣只需在地表水域中間隔較遠距離設置少量的造流曝氣機，就能實現整個大的地表水域的全范圍的充氧曝氣。造流曝氣機的數量不需要太多，從而大大降低了對龐大水量的地表水域進行廣范圍曝氣充氧的成本，使得用戶在經濟上容易接受。
同樣，地表水域中也同時布設微生物附著載體(填料)，填料可以以網箱安裝等方式形成一個個填料區塊，也可以以水草方式或懸浮球漂浮方式分散隨機設置在水里。圖中是一個個填料區塊的示意圖。由于水體充分流動，各處水體中的污染物都能與填料上的生物膜充分接觸，溶解氧也分布均勻，故能產生很好的治理效果。
對于不能流動的河道和海港死水的凈化，因為同屬于封閉半封閉地表水域，故其治理模式可以與圖3、圖5、圖7所示實施例相同，例如圖16是對不能流動的河道的治理方法中的一種，設置了造流曝氣機10和填料7，造流曝氣機10產生的水流在河道的一端(道路13)被阻擋而向兩邊分流反向流過填料7，達到凈化的目的。
本發明所述的微生物附著載體7可以是市場上常見的各種水處理用填料，例如軟性填料、半軟性填料、組合填料、立體彈性填料、蜂窩填料、串孔填料、懸浮球填料、辨帶式填料等等，也可以是新開發出的某種新結構的固體填料，其本質都是一種固體材料，具有較大的比表面積，為微生物提供附著載體，增加地表水域中微生物的含量，都屬于本發明的范疇。
微生物附著載體7(或稱填料)的安裝方式跟所使用的填料的種類相關，一般采用與污水處理行業相同的安裝方式即可。例如常用的軟性填料、半軟性填料、組合填料、立體彈性填料、辨帶式填料等填料的形狀都是繩索狀，可以采取網箱式安裝、水草式安裝、浮動懸掛式安裝等方式。網箱式安裝(如圖11和圖12所示)是用金屬或非金屬材料做成一個個網箱式框架71，將各種繩索狀填料捆扎在框架上，然后將填料網箱沉到水中，網箱不露出水面，這樣不影響水面景觀。水草式安裝(如圖9和圖10所示)是在繩索狀填料7的一端系上重物沉到水底，另一端系上浮子，使每根填料像水草一樣直立在水中，并可以隨水流擺動。采用水草式安裝時，填料即可以像水稻拋秧一樣散布在整個地表水域中，也可以在某個區域相對集中，非常靈活。由于填料像水草一樣隨水流擺動，對于有船只行駛的地表水域(城市觀光河道、有游覽船的公園湖等)非常合適，不會對船只造成任何影響。浮動懸掛式安裝是在水面搭建一個浮動式平臺，伸出許多掛臂，像晾衣架一樣懸掛著一根根繩索狀填料。該方法缺點是影響水面景觀，也直接影響水面行船。
微生物附著載體7(或稱填料)的數量跟水質、水體是否流動、治理要求等都有很大關系。具體的使用數量計算，環保水處理行業的一般技術人員按照設計手冊或小型試驗可以確定，不需要創造性勞動。
微生物附著載體(填料)的不同的種類和不同的安裝方式可以與不同的曝氣充氧方式、不同的造流方式交叉搭配使用，構筑出更多的具體實施例來，都屬于本發明的保護范圍。
本發明還可在上述技術方案的基礎上采取以下措施，以提高凈化效果在所述地表水域1內部直接種植水生植物，水生植物可以種在水下、岸邊，或是無土種植在漂浮于水面的浮島上。
也可在所述地表水域1內部還直接投灑各種人工培養的微生物制劑或復合生物酶制劑。
還可在所述地表水域1內部還直接放養魚類、貝類等水生動物。
權利要求
1.一種地表水域的水質直接凈化方法，其特征在于直接在地表水域內部設置曝氣充氧裝置進行曝氣充氧，提高水體中溶解氧含量；并直接在地表水域內部設置微生物附著載體，促使水域中原有土著微生物在微生物附著載體上大量繁殖，形成生物膜，最終依靠生物膜上的大量微生物分解凈化水中的污染物，實現水質的直接凈化。
2.根據權利要求1所述的地表水域的水質直接凈化方法，其特征在于所述的曝氣充氧裝置是霧化曝氣軟管，直接敷設在所述地表水域中，并與設置在岸上的壓力氣源相聯接；所述的微生物附著載體設置在所述的霧化曝氣軟管的上方或附近。
3.根據權利要求1所述的地表水域的水質直接凈化方法，其特征在于在所述地表水域內部直接設置水流營造裝置，使水體充分流動，并使所述曝氣充氧裝置所充入的溶解氧隨水流流向所述的微生物附著載體。
4.根據權利要求1所述的地表水域的水質直接凈化方法，其特征在于在所述地表水域內部還直接種植水生植物，水生植物可以種在水下、岸邊，或是無土種植在漂浮于水面的浮島上。
5.根據權利要求1所述的地表水域的水質直接凈化方法，其特征在于在所述地表水域內部還直接投灑各種人工培養的微生物制劑或復合生物酶制劑。
6.根據權利要求1所述的地表水域的水質直接凈化方法，其特征在于在所述地表水域內部還直接放養魚類、貝類等水生動物。
7.根據權利要求1或2所述的地表水域的水質直接凈化方法，其特征在于所述的水流營造裝置與所述的曝氣充氧裝置是一體的造流曝氣機，由該造流曝氣機同時實現水流營造和曝氣充氧兩種功能。
全文摘要
一種地表水域的水質直接凈化方法，直接在地表水域內部設置曝氣充氧裝置進行曝氣充氧，提高水體中溶解氧含量；并直接在地表水域內部設置微生物附著載體，微生物附著載體設置在曝氣充氧裝置的充氧范圍內，促使水域中原有土著微生物在微生物附著載體上大量繁殖，形成生物膜，最終依靠生物膜上的大量微生物分解凈化水中的污染物，實現水質的直接凈化。本發明將曝氣充氧裝置、微生物附著載體都直接放置在前述地表水域內。這樣就不需要在原有地表水域之外另行開挖新的水處理池或添加新的水處理設施，也就不存在在前述地表水域和外部處理設施之間來回輸送水的問題，因此可以避免土建工程、減少“間接凈化法”的巨大建設投資和耗能。
文檔編號C02F7/00GK1648074SQ20051000724
公開日2005年8月3日 申請日期2005年2月5日 優先權日2005年2月5日
發明者黃建軍 申請人:黃建軍