技术领域
[0001] 本
发明属于
水处理技术领域，具体涉及一种富营养化水体太阳能自动充氧装置及应用。
背景技术
[0002] 富营养化是湖泊分类和演化的一种概念，是湖泊水体的老化现象，属于自然过程。自然条件下，湖泊通过几万年至几十万年的演变，从贫营养湖演变为富营养湖，进而演变为旱地或
沼泽地。
[0003] 现如今，人们所谈论的富营养化通常指水体受到人类活动所产生的磷、氮等
植物营养性物质过量排放的影响，造成藻类疯长，引发的赤潮、水华隔绝大气与水体间的正常复氧，藻类的死亡和腐化过程进一步消耗底层溶解氧，造成水体溶解氧过低，水体环境恶化的现象。
[0004] 一般地，认为无机氮浓度或总磷浓度（TP）分别不小于0.3mg/L或0.02mg/L的水体已进入富营养化的状态。也有其他的学者认为，水体内营养物质负荷量达到或超过临界值，即总磷（TP）为0.2—0.5mg/(L∙a)，总氮（TN）为5—10mg/(L∙a)，是富营养化状态的标志。
[0005] 在最近几十年社会经济发展的同时，不可避免地造成了严重的
水体富营养化现象，对可持续发展形成极大威胁。工程上的治理方法主要有深水曝气、疏浚底泥、置换水体。
[0006] 疏浚底泥是一种通过人
力或机械等手段去除水体底层的泥，即内源性污染源，的治理技术，但采用此法工程量大，在短期改善水质的同时，会不可避免的破坏原有的水体生态平衡。
[0007] 目前现有的方法主要包括：置换水体法是向出现富营养化现象的水体中引入干净、清洁水源，加强水体的流动性，置换原有水体，并控制现有底泥中
营养元素的积累流出，但这种方法成本极高，会对政府带来极大地经济负担，只适用于经济发达、重点管控的地区。深水曝气法通过曝气机向深水曝气的方式，促进水体垂直方向的交换，改善下层水体的缺氧状态，进而降低水体的富营养化程度。此法的缺点是深层曝气对空气
压缩机和曝气机的功率要求高，耗电大，设备成本高，维护
费用高。
发明内容
[0008] 本发明的目的在于，克服
现有技术的缺点与不足，提供一种富营养化水体太阳能自动充氧装置，达到简易有效且低成本的提高水体溶解氧浓度，抑制水体富营养化现象，进而提高水质指标，改善水体
质量目的。
[0009] 为实现上述目的，本发明公开了如下的技术内容：一种富营养化水体太阳能自动充氧装置，其特征在于它包括：太阳能板、托架、装置主体、
蓄电池组、控
制模块、直流潜水
泵、水泵工作室、进水管道、
排水管道、电线、单向
阀、连接环；其中太阳能板1放置于托架2之上，其下方与装置主体3相连，装置主体内装有蓄
电池组4和
控制模块5，水泵工作室7连接装置主体3和进水管道8，经直流潜水泵6进入排水管道9排至水面。所述的装置主体3 顶面完全开放，其上部与太阳能板1及托架2相连，托架
支撑并固定太阳能板，太阳能板及托架位于水面之上，装置主体侧面设
单向阀门11和
拉环12，拉环与底部中心的固定重物13相连，顶面与主体除电线10和排水管道9外均密封相连，末端与可更换为不同长度的进水管道8相连。
[0010] 本发明所述的装置主体3为底面半径1.2m，高20cm的圆柱体，装置主体底面有两开口，一为排水管道，二为电线线路出入口，其余部分与下方水泵工作室7之间密封。所述的太阳能板1的排列采用从左到右的1-2-2-1型。
[0011] 本发明所述的托架2采用中空的双层不锈
钢设计，两层托架相叠，高度2厘米，四周用
不锈钢环绕封闭，托架2上层的空处放置6块太阳能板，四周向内的托架支撑起太阳能板，托架下层中空处与装置主体3紧密连接，采用
焊接或机关固定。所述的
蓄电池组包括4块蓄电池，布局
位置近似十字型的四个端点，胡雅丝为了维持装置重力的均匀分布。
[0012] 本发明所述的进水管道8的为可更换长度的不锈钢管道，其内径20厘米；所述的排水管道9将直流潜水泵6出水排至水面。所述的单向阀门11用于排出水泵工作室7内残留的过多空气。所述的连接环12通过
铁链14与底部中心的固定重物13连接。
[0013] 本发明进一步公开了采用富营养化水体太阳能自动充氧装置处理水体的方法，其特征在于按如下的步骤进行：（1）装置组装完成后，通过船只牵引布设固定重物到
指定位置，调整好铁链长度，开启控制模块，启动装置。
[0014] （2）装置的水泵将底层缺氧水抽至表面，进行大气复氧，高浓度溶解氧的表层水下沉，提高水体溶解氧含量；搅动水体，破坏
温跃层对溶解氧向下扩散的阻碍作用；抑制底泥在厌氧环境中释放营养物质，降低水体富营养化程度。
[0015] （3）装置漂浮在固定的范围内，2 7天完成一次服务范围内全部水体的循环，提高~水体溶解氧浓度。
[0016] 本发明更进一步公开了采用富营养化水体太阳能自动充氧装置处理水体方法在提高水体饱和溶解氧浓度、提高总氮去除率，改善水体质量方面的应用。实验结果显示：采用本发明处理水体7天后，平均饱和溶解氧浓度可以提升30 60%，总氮的去除率可达到20~ ~25%，总磷的去除率可达到25 40%。相比于底泥疏浚，本发明方法处理成本更低，工程量更~
小，性价比更高，是长期、可持续提升水体质量的方法。
[0017] 具体见下表：本发明更加详细的描述如下：
一、太阳能板阵列及托架
（一）太阳能板阵列
太阳能板的排列采用从左到右的1-2-2-1型，如图4所示。该种布局形式的太阳能板排列紧密，提高了单位面积的太阳能采集面积，且排列接近正方形，重力分布均匀，有利于装置保持平衡。
[0018] （二）托架托架采用双层不锈钢设计，托架上层俯视图如图5左边所示，托架下层俯视图如图5右边所示，深色为不锈钢，白色为中空部分，两层托架相叠，高度2厘米（含太阳能板），四周用不锈钢环绕封闭。托架上层的空处放置6块太阳能板，四周向内的托架支撑起不锈钢板。托架下层空处与下方的装置主体3连接，可采用焊接或机关固定。
[0019] 二、主体装置主体为底面半径1.2m，高20cm的圆柱体，顶面完全开放与托架下层相连，侧面有一开口为出水口，底面有两开口，一为排水管道，二为电线线路出入口，其余部分与下方水泵工作室7之间密封。
[0020] 本发明所述的控制模块为购买的PLC自动
控制器，连接太阳能板、蓄电直流潜水泵，控制太阳能板给蓄电池充电和蓄电池定时定点的驱动直流潜水泵工作。
[0021] 三、水泵工作室水泵工作室负责放置水泵，其直径40cm，高30cm，顶面与主体相接，密封不透水，仅有电线和排水管道相连；侧面上端设一个从内向外的水流单向阀，防止水泵工作室内空气留存，影响水泵工作；底面内收，内收部分与下段相连，并起到支撑水泵的作用
四、进水管道
进水管道为可更换长度的不锈钢管，直径20cm，根据不同的湖泊深度可安装1-10米长的不锈钢管道。
[0022] 五、排水管道排水管道从水泵出口起，垂直向上，转90°后水平延伸至装置主体外侧结束。排水管道内径与出水口内径一致为50mm。
[0023] 本发明公开的一种富营养化水体太阳能自动充氧装置景观和自然湖泊水体在夏季常存在
温度分层，表层及浅层水体的溶解氧处于饱和、过饱和状态，深层的水体则是缺氧、厌氧状态，导致水体出现臭味，影响景观水体的观赏功效和自然水体的生态环境。
[0024] 该装置利用太阳能板收集太阳能，通过PLC控制模块定时定点启动关闭直流潜水泵，通过直流潜水水泵形成上下层水体循环对水体复氧，将低氧、厌氧状态的下层水体
抽取至水体表面，进行大气复氧，以此来遏制水体富营养化造成的负面影响，改善水体质量。
[0025] 本发明公开的一种富营养化水体太阳能自动充氧装置及应用与现有技术相比，所具有的积极效果在于：（1）本发明结构简单，单日处理水量大，最高循环量可达360m3/d，使用太阳能为动力
能源，是一种节能、简易且易于维护的充氧净水装置。
[0026] （2）本装置可漂浮在自然和景观湖泊表面，用船只牵引进行安装布设和移动，无需进行复杂危险的水下作业，装置主体上部的太阳能板负责提供动力，既节约能源成本，又节省药剂成本，且装置的运动范围可通过调整铁链长度进行控制。
[0027] （3）本装置采用直流潜水泵，相比于交流电潜水泵，额定功率小，效率更高，更加安全，技术成熟，结构简单，其流量可达15m³/h，必要时可更换更大流量的水泵。
[0028] （4）本装置利用太阳能驱动，且配备由4块150Ah高能环保蓄电池组成的蓄电池组，在阳光充足的晴天时可以储存过量的
电能，在太阳能不足的阴雨天使用，提高装置的工作续航能力。
[0029] （5）本装置在水泵工作室外壁上安有一连接环，可用铁链连接水底的锚或重物。装置在工作的同时，以水底重物为圆心，做圆周运动，充分循环圆周及周边范围的水，不仅扩大了装置的充氧范围，节约了单位面积充氧的成本，而且对服务范围的水体起到了搅拌作用，有助于水体上下循环，向下层水输送溶解氧。
[0030] （6）本装置在水泵工作室外壁设有一单向阀门，用于保证潜水泵工作时
外壳浸没于水中，避免水泵工作室内过量空气残留，组成水泵泵体
过热或空转的生产事故。
[0031] （7）本装置留有较多的空间和装载容量，后期可以增设远程控制模块，便于维护人员的远程开启、关闭和监控。
[0032] （8）采用本发明装置处理的水体平均饱和溶解氧浓度可以提升30 60%，总氮的去~除率可达到20 25%，总磷的去除率可达到25 40%，处理成本仅为29元/m2。
~ ~
附图说明
[0033] 图1为富营养化水体太阳能充氧装置结构剖视图；图2为富营养化水体太阳能充氧装置主体俯视图；
图3为富营养化水体太阳能充氧装置工作状态剖视图；
图4为富营养化水体太阳能充氧装置中太阳能板布局示意图；
图5为富营养化水体太阳能充氧装置中托架示意图，其中左边为托架上层俯视图，右边为托架下层俯视图；
图6为富营养化水体太阳能充氧装置工作状态下的内部剖视图；
图7为富营养化水体太阳能充氧装置工作状态俯视图；
图8为富营养化水体太阳能充氧装置在津南
马蹄湖的平面布置（单个装置的服务范围）；
图9为富营养化水体太阳能充氧装置在津南南开湖的平面布置（南开湖外轮廓）；
图10为
淡水湖泊中的溶解氧垂直分布图，其中(a)垂线型分布、(b)折线型分布和(c)曲线型分布；
图11为溶解氧浓度的垂直分布图；
图12为充氧1d后与溶解氧浓度的初始分布比较图；
其中
1太阳能板、 2托架、 3装置主体、 4蓄电池组、
5控制模块、 6直流潜水泵、7水泵工作室、 8进水管道、
9排水管道、 10电线、 11单向阀、 12拉环；
13固定重物、 14铁链、 15单个装置的服务范围；
16津南马蹄湖外轮廓 17津南南开湖外轮廓。
具体实施方式
[0034] 下面通过具体的实施方案叙述本发明。除非特别说明，本发明中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由
权利要求书所限定。
[0035]
实施例1一种富营养化水体太阳能自动充氧装置，它包括：太阳能板1、托架2、装置主体3、蓄电池组4、控制模块5、直流潜水泵6、水泵工作室7、进水管道8、排水管道9、电线10、单向阀11、连接环12；其中太阳能板1放置于托架2之上，其下方与装置主体3相连，装置主体内装有蓄电池组4和控制模块5，水泵工作室7连接装置主体和进水管道8，经直流潜水泵6进入排水管道9排至水面。所述的蓄电池组包括4块蓄电池，布局位置近似十字型的四个端点，胡雅丝为了维持装置重力的均匀分布。
[0036] 其中的装置主体3 顶面完全开放，装置主体为底面半径1.2m，高20cm的圆柱体，底面有两开口，一为排水管道，二为电线线路出入口，其余部分与下方水泵工作室之间密封，其上部与太阳能板，托架相连，所述的太阳能板的排列采用从左到右的1-2-2-1型。
[0037] 托架支撑并固定太阳能板，太阳能板及托架位于水面之上，装置主体侧面设单向阀门11和拉环12，拉环通过铁链14与底部中心的固定重物13相连，顶面与主体除电线10和排水管道9外均密封相连，末端与可更换为不同长度的进水管道8相连。 托架采用中空的双层不锈钢设计，两层托架相叠，高度2厘米，四周用不锈钢环绕封闭，托架上层的空处放置6块太阳能板，四周向内的托架支撑起太阳能板，托架下层中空处与装置主体紧密连接，采用焊接或机关固定。
[0038] 本发明所述的进水管道8的为可更换长度的不锈钢管道，其内径20厘米；所述的排水管道9将直流潜水泵6出水排至水面。所述的单向阀门11用于排出水泵工作室7内残留的过多空气。
[0039] 实施例2一种采用富营养化水体太阳能自动充氧装置处理水体的方法，其特征在于按如下的步骤进行：
（1）装置组装完成后，通过船只牵引布设固定重物到指
定位置，调整好铁链长度，开启控制模块，启动装置。
[0040] （2）装置的水泵将底层缺氧水抽至表面，进行大气复氧，高浓度溶解氧的表层水下沉，提高水体溶解氧含量；搅动水体，破坏温跃层对溶解氧向下扩散的阻碍作用；抑制底泥在厌氧环境中释放营养物质，降低水体富营养化程度。
[0041] （3）装置漂浮在固定的范围内，2 7天完成一次服务范围内全部水体的循环，提高~水体溶解氧浓度。
[0042] 实施例3富营养化水体太阳能自动充氧装置的使用方法如下：
以南开大学津南校区的津南马蹄湖和津南南开湖两景观湖泊的充氧工程为例，说明本装置的实际作用效果。
[0043] （1）溶解氧模型的确定本设计在确定溶解氧模型时，考虑到主要服务对象封闭水体的流动性差，溶解氧水平上基本均匀分布，仅考虑垂直方向的溶解氧浓度变化。影响溶解氧垂直分布的因素主要有温度、温跃层和水生植物的光合作用。
[0044] 淡水湖泊中的溶解氧垂直分布主要有三种类型(见图 10)，分别是垂线型分布(a)、折线型分布(b)和曲线型分布(c)。
[0045] 该溶解氧模型的设定适用于稳定分层性的景观和自然湖泊，以下的模型专门用于津南马蹄湖和津南南开湖进行分析和
水质处理，若需对其他湖泊进行充氧处理时应综合考虑本模型设定和上文内容重新进行设定。
[0046] 1）溶解氧浓度的水平分布津南马蹄湖和津南南开湖与外界水体的交换量极少，外来水体的水动力极弱，对溶解氧浓度的水平分布主要影响为
风力。实际中，
风力的影响可以忽略不急，假设同一深度的水体溶解氧浓度相同，即水平分布均匀。
[0047] 2）溶解氧浓度的垂直分布结合上文的讨论，设定津南马蹄湖和津南南开湖表层水的溶解氧浓度为130%-135%，
0.5米处深度为110%-115%，深度1米处为60%-65%，1.5米处为35%-40%，深度2.0米及以上小于25%，见图11。
[0048] （2）充氧能力的计算1）抽水量的计算
该装置水泵额定流量 额定扬程为6米。
[0049] 计算每小时抽水量： ；若一天工作 小时，每日的抽水量：
服务半径 单一装置的服务面积：
每日提升服务面积内的水层高度：
当水泵以额定流量15m³，工作1小时，可提升服务面积内的水层高度：
设底层水抽到水面后，经大气复氧和其他作用，溶解氧浓度增加至饱和溶解氧浓度的
130%，在服务范围的水平面内水被均匀抽走，出水后均匀分布在服务范围表面，上层水体下沉高度为h1d，下沉过程中溶解氧浓度保持不变，装置运行第一天后溶解氧的垂直分布如表1所示。
[0050] 充氧1d后与溶解氧浓度的初始分布比较见图12。
[0051] 2）工作时间的确定由下式计算服务范围内的全部水体循环一次所需时间：
若每天的工作小时数确定，上式可简化为下式：
每天工作8小时，由下式计算循环全部水体的时间
已知津南马蹄湖和津南南开湖平均水深2.5m。
[0052] 经计算本装置在3月至10月期间，每月的循环周期为表1所示。
[0053] 表2 每月的循环周期由表2可知，本装置在6月仅需2.53天对服务范围内的全部水体进行一次循环。3月的太阳光强
辐射较弱，循环周期最长，达到了6.06天。
[0054] （3）单个装置的水平服务范围为圆形，面积为314m2。在实际布置中，采用圆形会导致装置间存在服务盲区。为避免服务盲区和方便计算，将一组装置中单个装置的服务范围视为和原圆形服务面积相等的正方形区域。
[0055] 单个正方形服务范围的边长为：本装置通过船只牵引在水中固定位置布设，具体方案如图8和图9所示，装置间距为
17.72m，装置可在直径13m的圆形范围内自由移动。
[0056] （4）布设好后，由控制模块（PLC自动控制）定时定点启动仪器对水体进行充氧，无需手动控制。
[0057] （5）充氧装置的处理效果如表3所示，采用本发明装置处理7天后，水体平均饱和溶解氧浓度可从65%提升至85~
105，相比初始溶解氧浓度提高30 60%，总氮的去除率可达到20 25%，总磷的去除率可达到~ ~
25 40%。
~
[0058] 表3 充氧效果对比（6）充氧工程的经济分析
1）装置
单体的成本费用
通过统计主要零部采购单价计算装置的单体采购成本。表4为太阳能自动充氧装置的单体成本费用计算。
[0059] 表4 单体成本费用计算单个装置的成本费： 。
[0060] 2）工程投资工程投资主要包括设备购置费，安装工程费，工程建设其他费用和预备费。
[0061] （一）设备购置费南开大学津南校区两个景观湖泊的太阳能充氧工程的设备购置费为：
（二）安装工程费
安装工程费取设备购置费的18%：
（三）工程建设其他费用
工程建设其他费用取设备购置费的10%：
（四）预备费
预备费取设备购置费的8%：
工程投资额为：
3）年运营成本
年运营成本包括充氧装置的固定资产折旧费、动力费、药剂费、工资福利费、检修维护费、管理费和其他费用。
[0062] （一）装置的固定资产折旧费太阳能板存在老化现象，光电转化效率逐年下降；蓄电池多次充放电后，储电能力下降；水泵在工作一定小时数后需要更换。
[0063] 结合以上三点，设本装置的使用寿命为7年。
[0064] 装置的年平均使用成本为：（二）动力费 和 药剂费
本装置以太阳能为能源，无需外部动力驱动，能源费为零。
[0065] 本装置仅需水泵驱动缓解水体的富营养化现象，无需外加药剂，药剂费为零。
[0066] （三）工资福利费式中： — 每位职工每年平均工资及福利费，取60,000元；
— 职工定员，取1人。
[0067] （四）日常检修维护费式中： P2— 日常检修维护费，取 2%。
[0068] （五）管理费和其他费用运营成本总计为：
4）处理成本
津南校区的南开湖和马蹄湖的每平米处理成本和每吨水处理成本的计算如下所示。
[0069] 每平米处理成本为：吨水处理成本为：
元/吨。
