利用自然風能提水驅動水體外部循環實現曝氣充氧的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及水環境改善與水生態修復及清潔能源利用領域，具體涉及一種利用自然風能提水驅動水體外部循環實現曝氣充氧的方法。
【背景技術】
[0002]由于污染物匯入增加，地表水體尤其是靜止或流動性差的封閉緩流水體比較容易受到污染。許多河流及湖庫存在流動緩慢、水域封閉、水環境容量小、水體自凈能力低等特點，容易產生水體富營養化等問題，水質安全與水生態健康難以得到有效保障。人工曝氣復氧技術的研究在國外已經開展了 40多年，在水質凈化研究中占有重要位置，在德國的Fulda河、Teltow河和Emseher河和美國密西西比河Miunesoda碼頭附近的河道安裝曝氣設備，取得了明顯的治理效果，有效地控制了水體異味的產生和藻類的過量繁殖。為迎接1986年亞運會和1988年夏季奧運會，在韓國水縈江河口釜山港灣的快艇區域安裝了 9臺的曝氣裝置，研究表明，曝氣能夠有效地改善水縈江河口快艇區域的水質，可以增加D0、削減C0D、改善透明度、消除異味。
[0003]水體曝氣是氣液相間的一種復雜的傳質過程，曝氣的方式和設備選擇取決于多方面的因素:污染水體水質改善的要求(如消除黑臭、改善水質、恢復生態等)、外部條件(包括水深、流速、河道斷面形狀、周邊環境條件等)、水體功能(如航運功能、景觀功能等)、污染源特征(如長期污染負荷、沖擊污染負荷等)等。常用的曝氣方式有鼓風曝氣、機械曝氣、射流曝氣和無泡供氧等，實際應用水體充氧設備可分為純氧曝氣系統和空氣曝氣系統，具體包括:鼓風機一微孔布氣管曝氣系統、純氧一微孔管曝氣系統、純氧一混流增氧系統、葉輪吸氣推流式曝氣器、水下射流曝氣設備、葉輪式增氧機等，污染水體曝氣復氧工程中充氧設備的應用一般有如下兩種形式:固定式充氧站和移動式充氧平臺。上述各種人工曝氣充氧設備充氧效率比較高、充氧效果都比較好，但普遍存在問題是動力消耗大、設備投資比較高、技術要求比較高、管理維護比較復雜。
[0004]跌水曝氣系統是人工曝氣的另外一種形式，利用水在下落過程中與空氣中的氧氣接觸而實現復氧的，具有結構簡單、造價低、能耗小、曝氣效果穩定的優點，跌水曝氣系統中，氧氣向水中轉移發生在以下過程中:(I)水在空氣中下落，與氧氣接觸；(2)下落的水遇到障礙物，發生流態的變化，引起對空氣的攜帶和裹夾；(3)與水面接觸后，使水體產生擾動，提高大氣復氧能力。常見的跌水曝氣系統為水利設施中常用的泄水建筑物堰、閘、壩等，也可以借助噴泉等動力提水系統來實現。堰、閘、壩跌水曝氣系統存在的問題包括建設投資比較高、改變河流生境、難以在湖泊中實現等，故不宜以曝氣充氧作為主導功能；噴泉等動力提水跌水曝氣系統的缺點主要是動力消耗大。故減少動力消耗、提高充氧效率、穩定充氧效果是人工曝氣系統廣泛推廣應用的前提。
[0005]人工水力循環技術是近年來改善河湖水體質量的一種有效的工程措施，利用工程措施，調水改善水動力條件，具體操作是在防洪安全的前提下，通過水利工程的科學調度，啟動抽水栗(站)，調活城市河湖水體，增加水量，加快循環，加大稀釋和自凈能力，利用河湖的水動力特性進行水資源調度和利用河湖本身的自凈功能與生物的凈化功能改善水質。人工水力循環是根據水動力學基本原理，給處理水體施加動力，使水體由靜變動，實現其緩慢而均勻的流動；通過流動形成的水體交換和稀釋，使水的體外處理凈化變為可能；流動所造成的表面更新為加快大氣復氧提供了條件，有利于增強水體的自凈能力，污染物質氧化加快，改善水生生物的生存環境。
[0006]但水力循環技術的理論尚不完善，目前主要強調紊流稀釋、生物氧化在處理過程中的作用，而在其它如鈍化底泥、減緩底泥釋放磷等方面的作用理論研究不夠，且人工水力循環技術充氧效率低，生物氧化效果差。如果將人工水力循環技術與跌水曝氣技術有機結合，一方面，強制循環造成的流動促使水體表面更新，增加了紊動，從而改進了氧的傳遞和擴散有利于氧的傳遞和擴散，促進了水面復氧，提高了跌水曝氣充氧效率；另一方面，經過跌水復氧后的水體，在水力循環作用下不斷地交換、稀釋，使水體自凈能力得以提高。結合水力循環和曝氣復氧技術改善水體質量的研究，目前國外鮮有報道，國內有采用跌水曝氣、水閘泄流、活水噴池相結合進行增氧和在山區滯流水域根據河道沿程特點設計梯級橡皮壩跌水增氧以及栗閘結合調水的工程示例，對于消除城市河道水質異味、惡化效果良好，幾乎沒有二次污染。但應用于閘壩建設、運行管理的投資仍然比較高，并且水壩的建設會對河流生境帶來很大的影響，且如此的水力循環與曝氣復氧技術也很難用于無法建設水壩的湖泊水體。
[0007]清潔能源一風能最常見的兩種利用方式是發電和提水，我國風力提水有悠久的歷史，并用于農田灌溉、海水制鹽、水產養殖、灘棘改造、人畜飲水、草場改良等提水作業，有較好的經濟效益和社會效應。目前在風力提水機組的產品品種上，我國已基本形成南方型低揚程大流水機組和北方型高揚程小流量風力提水機組兩大系列，約有十幾種產品型號的風力提水機，主要用于福建、江蘇、天津、內蒙古、河北、山東等地。我國東南沿海地區風能資源較豐富，大部分地區年平均風速為4m/s左右。為滿足農田灌溉、水產養殖和鹽場制鹽等低揚程大流量提水作業需要，低揚程風力提水裝置被開發應用，用于提取地表水，其揚程一般為0.5?3.0m，流量為50?100m3/h。內陸風能資源較好的區域在中國北部，如內蒙古、甘肅、青海等地年均風速4?6m/s，3?20m/s風速年累計4000?5000h，此類地區大多為草原牧區，人口分散，難通電網，因此，高揚程小流量深井風力提水機組被用來為牧民和牲畜提供飲水或小面積草場灌溉，對于改善當地牧民的生活、生產條件具有明顯的社會意義，其揚程一般為10?146m之間，流量為0.5?5m3/h。
[0008]我國適合風力提水的區域遼闊、作業眾多，因此發展風力提水是彌補當前農村、牧區能源不足的有效途徑之一。但風力提水的前提是風能資源和水資源，我國東南沿海、遼東和山東半島以及海上島嶼等地區，風能資源豐富，地表水源也豐富，是我國以抽提地表東為主的最佳風力提水區；內蒙、青海、甘肅和新疆北部河谷地帶，風能資源豐富，地下水源也豐富，是我國以抽提地下水為主的較佳風力提水區。風力提水工程選址時風能資源應具備以下條件:年平均風速大于等于3.5m/s、年有效風速小時數大于3000h、盛行風向的風頻應大于40%等，故風速是風力提水工程應用的限制因子。另外風力提水機的啟動風速也至關重要，一般情況下，風力提水機的啟動需要三級風(風速為4m/s)，大部分產品需要在風速
2.5-3m/s時啟動。
[0009]從環境保護和資源合理利用的角度出發，風力提水技術在我國具有較大的潛在市場和廣闊的發展前景，但目前風力提水行業發展存在著應用數量不多、推廣進展緩慢等問題。
【發明內容】
[0010]本發明的目的是針對上述現狀，旨在提供一種能地表水體提升傳輸實現水體內或水體間的水力循環，促進水體流動和增加水體中的溶解氧的利用自然風能提水驅動水體外部循環實現曝氣充氧的方法。
[0011]本發明目的的實現方式為，利用自然風能提水驅動水體外部循環實現曝氣充氧的方法，將河流、湖泊、水庫、池塘或城市景觀水體通過人工溝渠和/或輸水管道及其上設置的提水風車，將自然風能轉化為機械能驅動水體外部循環，提水形成落差之后以不同的跌水方式回至河流、湖泊、水庫、池塘或城市景觀水體，實現對湖泊、水庫、池塘或城市景觀水體中的人工湖曝氣充氧，促進水體的流動和增加水體中的溶解氧；
[0012]所述提水風車啟動風速為1.6-2.0m/s ;
[0013]所述提水落差為1.0-20m。
[0014]本發明具有如下優點