技术领域
[0001] 本
发明属于富氧
水质净化技术领域，特别是涉及可自由旋转的鱼鳃式携氧净化系统。
背景技术
[0002] 水
生态系统是自然界最重要的生态系统之一，对于社会经济的发展和进步有着不可替代的作用。在过去的几十年间，人类通过控制、改变河流、湖泊的自然形态和水文特性来实现供水、发电、航运等目的。这些因素的累积效应引起了水生生态系统的巨大变化，加上工业
废水和生活污水的无序排放，导致了河道破坏、径流枯竭、水质恶化、
水体自净能
力的降低以及生态功能退化；另外，许多河湖边坡被“硬化”或“渠化”，人为地破坏了自然河流健康的
生物链，河岸带植被减少以及岸坡浆砌化导致了生物缺少附着空间和
生存空间，使得河流自净能力越来越弱，河湖生态系统严重恶化，有的地区因水体日渐富营养化甚至黑臭，而水体中溶解氧含量过低是导致水体黑臭的主要原因。对富营养化水体进行曝气富氧增加水中的溶解氧含量，可以实现水中的污染物在好氧
微生物作用下高效去除，进而改善水体黑臭现象。
[0003] 目前已有的曝气富氧技术具有净化效果好、可提高
生物多样性、运行管理相对容易、造价低廉、无二次污染等优点，已成为目前河湖受污染水体生态修复中常用技术。中国
专利申请201310756465.5提出了一种“
太阳能曝气增氧-
植物床载带
生物膜装置”、中国专利申请201310248096.9提出了“一种
风与光耦合的富氧纳米基质复合生态浮床”、中国专利申请200820156779.6提出了一种“
风力驱动水下曝气装置”、中国专利申请201310245862.6提出了一种“同步原位修复富营养化河湖水体和
沉积物的可增光富氧生物组构系统”，这些方案为富营养化河湖污染水体生态修复提供了富氧的方法，解决了水域生态系统中局部区域的溶解氧含量低的问题，能够高效地去除水中COD、氮、磷等有机物及其它污染物，但溶解氧扩散的范围较小，难以实现水域生态系统大范围的富氧。
[0004] 如何克服
现有技术的不足已成为当今自然清洁
能源技术领域中亟待解决的重点难题之一。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供可自由旋转的鱼鳃式携氧净化系统，本发明通过大面积增加缓流水体中的溶解氧实现水体中的有机污染物和营养盐高效去除，具有外形美观、结构简单和经济实用的优点，适用于缺氧型缓流水体的生态治理和修复。
[0006] 根据本发明提出的可自由旋转的鱼鳃式携氧净化系统，它包括太阳能光伏板、
控制器、逆变器、光伏线缆、
蓄电池、防水箱、气
泵、直通、固定曝气管以及
支撑原件组成的太阳能曝气区，其特征在于太阳能曝气单元与旋转曝气管、旋转三通、喷气管、鳃丝状
活性炭纤维组成的鳃丝状散氧-好氧微生物生存区以及由挺水植物、沉水植物和镂空基质填料篮组成的基质填料水生植物净化区三者依次相连于
框架上，其中：太阳能光伏板通过支撑原件安装在框架中间的竹排上，控制器、逆变器、
蓄电池和气泵放置在防水箱内，太阳能光伏板、控制器、逆变器、蓄电池通过光伏线缆连接，固定曝气管通过直通连接在气泵上，旋转曝气管和喷气管通过旋转三通连接在固定曝气管或旋转曝气管上，鳃丝状活性炭纤维缠绕在喷气管上，挺水植物和沉水植物种植在悬挂于框架上的镂空基质填料篮中。
[0007] 本发明实现的原理是：本发明以“鱼鳃呼吸方式”为出发点，将太阳能曝气产生的O2通过可以自由旋转的曝气管和喷气管扩散至更大的面积，增加了水体中的溶解氧含量，一方面，经过好氧微生物挂膜后的鳃丝状活性炭纤维可以截留并降解水中的污染物；另一方面，在溶解氧充足的情况下，基质填料的
吸附作用和水生植物的光合效率增加，从而实现去除水体中污染物和提升水质净化效果的目的。
[0008] 本发明具体实现过程为：本发明通过太阳能曝气单元增加水中的O2，通过万向旋转三通实现喷气管的自由旋转，使水体中溶解氧扩增方式由“线”到“面”，大大增加了水体富氧面积；水体溶解氧含量升高，呈现出好氧状态，利于
硝化作用的进行；在氧气充足的情况下，好氧微生物的降解作用、基质填料的吸附作用和水生植物的同化吸收作用可以更好的得以发挥。
[0009] 本发明与现有技术相比其显著优点在于：
[0010] 一是富氧面积成倍增加。可自由旋转的曝气管使得水体溶解氧分布面积增加数倍至数十倍，使水体中的溶解氧含量更加均匀，可大面积实现水体富氧，有助于发挥好氧微生物的作用，增强缓流水体的
去污能力。
[0011] 二是污染物去除效率高。本发明采用鳃丝状散氧-好氧微生物生存区、基质填料和水生植物有机结合，提高了好氧微生物的作用。
[0012] 三是镂空基质填料篮的使用，实现基质填料的吸附作用、微生物的降解作用和水生植物的同化吸收作用在富氧环境中的效果更优。
[0013] 四是太阳能曝气增氧免除了外加的动力源辅助设施，既降低了成本又无二次污染，有效利用了自然界能源，避免了资源浪费和环境污染。
附图说明
[0014] 图1为本发明提出的可自由旋转的鱼鳃式携氧净化系统的结构示意图。
[0015] 图2为本发明提出的挂膜鳃丝状活性炭纤维与可自由旋转的散氧管的结构示意图。
[0016] 图3为本发明提出的镂空填料基质篮的结构示意图。
具体实施方式
[0017] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
[0018] 结合图1，本发明提出的可自由旋转的鱼鳃式携氧净化系统，其特征在于其由太阳能曝气单元、鳃丝状散氧-好氧微生物生存区和基质填料水生植物净化区构成；太阳能曝气单元、鳃丝状散氧-好氧微生物生存区和基质填料水生植物净化区构成依次连接，并且三者都固定于框架20上；其中太阳能曝气单元由太阳能光伏板1、控制器2、逆变器3、光伏线缆4、蓄电池5、防水箱6、气泵7、直通8、固定曝气管9以及支撑原件10组成；鳃丝状散氧-好氧微生物生存区由旋转曝气管11旋转三通12、喷气管13、散气孔14、气泡石15、鳃丝状活性炭纤维16组成；基质填料水生植物净化区由挺水植物17、沉水植物18和镂空基质填料篮19。
[0019] 具体来说所述的太阳能曝气单元中的太阳能光伏板1通过支撑原件10安装在框架20中间的竹排上，市售的控制器2、逆变器3、蓄电池5和气泵7安置在防水箱6内，防水箱6置于竹排上，太阳能光伏板1、控制器2、逆变器3、蓄电池5、气泵7通过光伏线缆4依次连接；固定曝气管9通过直通8连接在气泵7上，固定曝气管9的材质为不锈
钢管，固定曝气管9用
不锈钢丝固定在框架20上。太阳能发电系统给气泵7提供
能量，将氧气输入到固定曝气管9中。
[0020] 所述的鳃丝状散氧-好氧微生物生存区旋转曝气管11的顶端与固定曝气管9连通，喷气管13通过旋转三通12连接旋转曝气管11上，旋转曝气管11底端密封；旋转三通12可以360度自由旋转，由旋转三通12连接的旋转曝气管11和喷气管13也可以随水流自由旋转，实现大面积的水体富氧。氧气通
过喷气管13扩散到水中，不仅使水体各层水体的溶解氧水平有不同程度的提高，增强水体中深层的氧的利用率；还可提高水与空气的
接触面积，增加水体的溶氧量。富氧环境可以促进缓流水体中硝化作用的进行，消耗有机
碳，提高有机污染物的去除效率。
[0021] 所述的鳃丝状活性炭纤维16的材质为活性炭纤维。活性炭纤维
比表面积大，
孔径分布集中在微孔范围内，具有很好的
生物相容性，是良好的生物膜载体材料。为了避免喷气管13中气孔的堵塞，并保证挂膜效果，活性炭纤维的布设以疏密相间为宜，有气孔处稀疏，间隔1-2cm，无气孔处密集，间隔0.2-0.5cm。喷气管13可以为
硅胶管或PVC管，为保障氧气的利用率，采用微孔曝气，喷气管13的钻孔外部嵌上中空的气泡石15，在无孔处用防水胶将喷气管13与气泡石15密封，足够的气压可以保证喷气管13不被折叠而影响喷氧效果。充足的溶解氧可以促进附着在鳃丝状活性炭纤维16中好氧微生物的生长繁殖，水体中的有机污染物被好氧微生物所吸附、分解成为易被水生植物同化吸收的无机盐。旋转三通12可以使得喷气管13与鳃丝状活性炭纤维16随水流自由摆动，鳃丝状活性炭纤维16上多余、老化的好氧微生物会随着水体流动而自然脱落，保证了好氧微生物的良好的代谢效率。
[0022] 所述的基质填料水生植物净化区中的挺水植物17和沉水植物18种植在悬挂于框架20上的镂空基质填料篮19中。镂空基质填料篮19由生物陶粒、生物沸石以及
混凝土浇筑而成，厚度为1-2cm；沉水植物17为金鱼藻、菹草、黑藻和
马来眼子菜中的一种或几种；挺水植物18为空心菜、水芹菜和香根草中的一种或几种；框架20为目字形结构，框架20的材质为毛竹。挺水植物和沉水植物能通过根系和茎叶吸收富营养化水体中的营养盐。镂空基质填料篮19内填充生物陶粒和生物沸石，生物陶粒与生物沸石的体积比为1:1～2:1，粒径为1～3cm。生物沸石和生物陶粒既可以吸附富营养化水体中的营养盐和有机物，又能为微生物提供生存场所，微生物的降解作用又保障了生物沸石和生物陶粒的循环利用；同时，生物沸石和生物陶粒所吸附的营养盐以及微
生物降解后产生的营养盐可以被种植在镂空基质填料篮19中的水生植物吸收转化为植物组织，通过对植物的收割实现水中污染物的去除。
[0023] 以下结合图1、图2和图3，进一步说明本发明的具体操作步骤：
[0024] 本发明提出的可自由旋转的鱼鳃式携氧净化系统，包括由太阳能曝气区、鳃丝状散氧-好氧微生物生存区以及基质填料水生植物净化区从由上至下依次相连。
[0025] 步骤一：用毛竹制作框架20，如图1所示，用6根直径为0.1m左右的毛竹制成的目字形竹排，在竹排的中间
位置安装支撑原件10，在支撑原件10上安装太阳能光伏板1和防水箱6，在防水箱6内安装控制器2、逆变器3、蓄电池5和气泵7，太阳能光伏板1与控制器2、逆变器
3、蓄电池5通过光伏线缆4连接。
[0026] 步骤二：在气泵7底端用直通8连接固定曝气管9，第一根旋转曝气管11和喷气管13通过旋转三通12连接在固定曝气管9上，第二根及其以后的旋转曝气管11通过旋转三通12连接在上一根旋转曝气管11和喷气管13，位于最底部的旋转曝气管11底端密封。旋转曝气管11和喷气管13的材质为PVC管。
[0027] 步骤三：在喷气管13上开启散气孔14，散气孔直径2mm，每两个散气孔14之间5mm间隔，在散气孔14的外部安装中空的柱状气泡石15，气泡石15的中空内径与喷气管13的外径相契合，边缘处用
密封胶粘合。
[0028] 步骤四：将鳃丝状活性炭纤维16缠绕在喷气管13上，缠绕方式疏密相间。在有气泡石15和散气孔14处，缠绕方式为稀疏，避免气孔堵塞；在无气泡石15和散气孔14处，缠绕方式为密集，足够的比表面积有利于微生物的富集，如图2所示。
[0029] 步骤五：在生物膜反应器中对鳃丝状活性炭纤维16进行微生物挂膜，生物膜反应器的污水中
磷酸盐、COD和
氨氮的初始浓度分别为1.2mg/l、97mg/l、13mg/l，挂膜时间30天，挂膜厚度2-5mm。
[0030] 步骤六：将生物陶粒、生物沸石和混凝土按体积比3:3:1浇筑成厚度1.5cm左右的镂空基质填料篮19，镂空基质填料篮19提手处用直径5mm的不锈钢丝浇筑，提手上设有挂钩，装填生物沸石和生物陶粒，两者的体积比为1:1，再将镂空基质填料篮19悬挂在框架20上。生物沸石的粒径为1-2cm，生物陶粒的粒径为1-2cm，如图3所示。
[0031] 步骤七：镂空基质填料篮19中种植的水生植物类型根据其在水中所处的位置确定，位于上层水体的镂空基质填料篮19中种植挺水植物17空心菜，位于中下层水体的镂空基质填料篮19中种植沉水植物18金鱼藻。
[0032] 设置可自由旋转的鱼鳃式携氧净化系统水箱与普通浮床水箱，以便进行同步试验，水箱的规格为长×宽×深＝131cm×83cm×63cm。试验用水是在
自来水中按一定比例加入
复合肥、
葡萄糖和
营养液配成总氮、氨氮、总磷、磷酸盐、
化学需氧量浓度分别为9.7±0.2mg/l、2.85±0.07mg/l、0.4±0.08mg/l、0.16±0.04mg/l、80.2±3.7mg/l。可自由旋转的鱼鳃式携氧净化系统的规格为框架长×宽＝60cm×40cm、毛竹外径0.1m；镂空基质填料篮的篮口外径为15cm、深度为10cm，数量2个；镂空基质填料篮中空心菜的种植
密度为80株/m2；在装填好基质填料的镂空篮中菹草的种植密度为80株/m2。普通浮床的规格为框架长×宽＝60cm×40cm、毛竹外径0.1m，其上种植空心菜，种植密度为80株/m2。
[0033] 试验历时10天。试验期间，空心菜和菹草在已经生长良好，试验结束时，可自由旋转的鱼鳃式携氧净化系统水箱和普通浮床水箱中的水体净化率见表1。试验结果表明：可自由旋转的鱼鳃式携氧净化系统水箱对水体中N、P污染物的去除效果显著，且可自由旋转的鱼鳃式携氧净化系统水箱中的溶解氧浓度在试验期间是普通浮床水箱中溶解氧浓度的3-20倍。
[0034] 表1：风与光耦合富氧纳米基质复合生态浮床池和普通浮床池净化率(％)对比表[0035]
[0036] 以上具体实施方式及
实施例是对应用本发明提出的可自由旋转的鱼鳃式携氧净化系统的技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案
基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
