一种河流湖泊的水净化方法及其专用造流曝气设备.pdf

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。

1.  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。

2.  根据权利要求1所述的水净化方法，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/次，投放期间不超过2个月。

3.  根据权利要求1或2所述的水净化方法，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。

4.  根据权利要求3所述的水净化方法，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。

5.  根据权利要求4所述的水净化方法，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。

6.  根据权利要求4所述的水净化方法，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。

7.  根据权利要求3所述的水净化方法，其特征在于，在接触氧化曝气池中，总水力滞留时间设计为8-12小时。

8.  根据权利要求3所述的水净化方法，其特征在于，所述造流曝气设备的数量是按以下方法计算：
以每除去1kgBOD₅需要1kgO₂计算，进水渠内的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；
按照造流曝气设备的氧转化率指标计算，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；
考虑到进水渠内两侧曝气机需要等间隔布置，机器数量应取偶数。

9.  一种实现权利要求1所述的水净化方法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。

10.  根据权利要求9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。

11.  根据权利要求10所述的造流曝气设备，其特征在于，所述整流放大器是长圆桶形设计，其一端连接二级射流器，另一端连接有喷嘴，所述整流放大器的内部空间为二级射流器的20倍以上。

12.  根据权利要求11所述的造流曝气设备，其特征在于，所述喷嘴延伸入整流放大器的内管的长度约为整流放大器的总体长度的三分之二。

13.  根据权利要求10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。

14.  根据权利要求9或10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。

一种河流湖泊的水净化方法及其专用造流曝气设备
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。得不到及时分解地有机物沉积在水底，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：