本发明的一种原位生物巢微纳米曝气净水系统和方法，箱体内部从下至上分隔为配水区、气泡发生区、填料区和扩增区，配水区侧壁具有若干孔洞以引入污水和导入空气，配水区内具有潜水泵；微纳米气泡发生装置由两个半球形容器和一个圆柱形容器组合形成对称结构，在两个半球形容器的两端各有一个圆孔用于喷出微纳米气泡，圆柱形容器具有与潜水泵连接的进水管，圆柱形容器内面有两个顺次布置的中空C形管，以将进水管或前一C形管的出水管与圆柱形容器的连接部分为两个部分，每个部分的横切面面积比进水管或C形管的出口部横切面面积都小；填料区包括至少两层填料区；扩增区的侧壁具有多个出水口；还包括动力装置。
1.一种原位生物巢微纳米曝气净水系统，其特征在于包括漂浮式箱体，所述箱体内部从下至上依次分隔为配水区、气泡发生区、填料区和扩增区，所述配水区与所述气泡发生区以不锈钢板间隔，所述气泡发生区与填料区之间、所述填料区与所述扩增区之间以分隔层不锈钢打孔板间隔，所述配水区内具有潜水泵，所述潜水泵分布在所述箱体的重心上，所述配水区的侧壁具有若干个孔洞以为所述潜水泵引入污水和导入空气，所述潜水泵的出水管穿过所述不锈钢板与位于所述气泡发生区内的微纳米气泡发生装置连接；
所述微纳米气泡发生装置由两个半球形容器和一个圆柱形的容器组合形成对称结构，所述圆柱形的容器通过进水管与所述潜水泵的出水管相连，在两个半球形的容器的两端各有一个圆孔用于喷出微纳米气泡，所述圆柱形的容器的内面有两个中空C形管，所述两个中空C形管中的一个中空C形管在其上方的开口部将所述进水管和所述圆柱形容器的连接部分为两个部分，每个部分的横切面面积比所述进水管的横切面面积都小，另一个中空C形管在其前面C形管的出口部将所述前面C形管的出水管和所述圆柱形容器的连接部分为两个部分，每个部分的横切面面积比所述C形管的出口部横切面面积都小；
所述填料区至少包括填料A区和填料B区，所述填料A区内具有用于过滤净化水体的填料，所述填料A区的所述填料的上方具有纳米气泡水填料反应区，所述填料B区内具有微生物营养扩增固化剂，所述填料B区与所述扩增区之间的分隔层不锈钢打孔板的孔径大于所述微生物营养扩增固化剂的粒径，以允许所述固化剂随水流通过所述孔径进入扩增区；
还包括为所述微纳米气泡发生装置和所述潜水泵提供动力的动力装置。
2.根据权利要求1所述的一种原位生物巢微纳米曝气净水系统，其特征在于所述潜水泵竖向设置，通过与所述不锈钢板和箱体底板连接的多个不锈钢支架固定在所述箱体的重心上，所述配水区的侧壁至少三分之一的高度均匀分布孔洞构成不锈钢打孔板段。
3.根据权利要求1所述的一种原位生物巢微纳米曝气净水系统，其特征在于所述不锈钢板为固定式，所述分隔层不锈钢打孔板为活动式。
4.根据权利要求1所述的一种原位生物巢微纳米曝气净水系统，其特征在于所述箱体的外壁上具有多个浮球穿孔固定架用于连接浮球。
5.根据权利要求1所述的一种原位生物巢微纳米曝气净水系统，其特征在于所述填料A区的填料为轻质沸石、陶粒中的一种或两种的组合，所述填料占所述填料A区的三分之一至二分之一体积，其余空间为纳米气泡水填料反应区。
6.根据权利要求1所述的一种原位生物巢微纳米曝气净水系统，其特征在于所述微生物扩增固化剂包括如下重量组分:
7.根据权利要求1所述的一种原位生物巢微纳米曝气净水系统，其特征在于所述配水区、气泡发生区、所述填料A区、填料B区和扩增区的高度的范围分布为350-450mm、150-
250mm、200-300mm、100-200mm、100-200mm，所述箱体为圆筒，所述圆筒的直径为500-700mm。
8.根据权利要求1所述的一种原位生物巢微纳米曝气净水系统，其特征在于所述动力装置包括光伏阵列和光伏逆变器，所述光伏阵列安装在所述箱体上方，与所述箱体的盖板相连接，所述盖板盖在所述箱体之上，所述盖板与所述箱体之间安放有防止胶圈，所述光伏逆变器安装在所述配水区内，通过导线连接所述光伏阵列和所述潜水泵和微纳米气泡发生装置。
9.根据权利要求1所述的一种原位生物巢微纳米曝气净水系统，其特征在于所述动力装置为电池。
10.一种原位生物巢微纳米曝气净水方法，其特征在于采用权利要求1-9任一所述的一种原位生物巢微纳米曝气净水系统，包括：所述动力装置提供动力，所述潜水泵从被处理水体中吸入混有气体的水流通过出水管送入所述微纳米气泡发生装置的进水管中，混合流体依次通过所述微纳米气泡发生装置内部的两个中空C形管引流下高速旋转，进入两侧的所述半球形的容器并且旋转流动，由于瓶颈结构且液体与气体比重差异，气体分流，液体变为高速流，气体被收集在中心轴，形成负压轴，最后在半球形的容器的两端的圆孔处，旋转流动的所述气体与液体一同吐出，形成为微纳米气泡；
所述微纳米气泡通过所述分隔层不锈钢打孔板进入填料A区，使填料保持悬浮并给填料上附着的微生物供氧，同时通过所述填料初步过滤净化，然后在填料上方的微纳米气泡反应区内微生物与气泡充分接触，微生物进一步降解水中污染物，水流继续向上通过分隔层不锈钢打孔板进入填料B区，与微生物营养扩增固化剂充分混合摩擦，携带所述微生物营养扩增固化剂进入扩增区，在所述扩增区内进一步的扩散后经出水口返回到被处理水体中，所述微生物营养扩增固化剂在环境水体中进一步促进微生物繁殖以净化水体水质。
一种原位生物巢微纳米曝气净水系统和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种原位生物巢微纳米曝气净水系统和方法，用于江河、湖泊等自然水体的原位处置，属于环境工程领域。
背景技术
[0002] 随着经济快速发展及城市化进程加快，江河湖泊、景观水体等的污染负荷日益增大，导致水体污染和富营养化问题日趋严重。过多的氮磷等营养物质排入到自然水体中导致水体富营养化，富营养化造成水体透明度降低，阳光难以穿透水层从而影响水体中植物的光合作用和氧气的释放，同时浮游动植物的大量繁殖消耗了水中大量的氧，使水中溶解氧严重不足，溶解氧的不足对水生生物有害，可导致其大量死亡。富营养化水体底层堆积的有机物质在厌氧条件下分解产生的有害气体，以及一些浮游生物产生的生物毒素，也会伤害水生生物，导致水生生物种类减少，整个生态系统都受到破坏。
[0003] 近年来，针对江河、湖泊等自然水体，世界各地开发了各种水体净化技术，主要包括曝气、底泥疏浚、引水冲刷、送到污水处理厂处理、原位处理等技术。这些技术措施存在不同程度的缺陷，例如曝气技术可以实现水体充氧以及搅拌作用，增加水中溶氧量，但是不能从根本上解决水体污染；底泥疏浚、引水冲刷可以一定时间减轻污染物对水体的影响，但是只是实现了污染物的转移，没有从根本上去除污染物；送到污水处理厂集中处理效果较好，但是运输设备和时间成本高；现有原位处理装置例如浮岛式水体净化装置，要么利用植物根系吸附净化水体污染物具有原位修复，但易受季节变化影响，要么利用微生物初步吸附净化水体，但微生物易受污染环境影响而存活率低，净化效率低，不能够满足富营养化水体净化的需求。因此，亟需提供一整套高效的自然水体净化系统。
发明内容
[0004] 针对现有河流湖泊水体净化系统存在不能从根本上解决水体污染、净化效率低、成本高的问题，本发明提供一种原位生物巢微纳米曝气净水系统和方法。
[0005] 本发明采用的技术方案：
[0006] 一种原位生物巢微纳米曝气净水系统，包括漂浮式箱体，所述箱体内部从下至上依次分隔为配水区、气泡发生区、填料区和扩增区，所述配水区与所述气泡发生区以不锈钢板间隔，所述气泡发生区与填料区之间、所述填料区与所述扩增区之间以分隔层不锈钢打孔板间隔，
[0007] 所述配水区内具有潜水泵，所述潜水泵分布在所述箱体的重心上，所述配水区的侧壁具有若干个孔洞以为所述潜水泵引入污水和导入空气，所述潜水泵的出水管穿过所述不锈钢板与位于所述气泡发生区内的微纳米气泡发生装置连接；
[0008] 所述微纳米气泡发生装置由两个半球形容器和一个圆柱形的容器组合形成对称结构，所述圆柱形的容器通过进水管与所述潜水泵的出水管相连，在两个半球形的容器的两端各有一个圆孔用于喷出微纳米气泡，所述圆柱形的容器的内面有两个中空C形管，所述两个中空C形管中的一个中空C形管在其上方的开口部将所述进水管和所述圆柱形容器的连接部分为两个部分，每个部分的横切面面积比所述进水管的横切面面积都小，另一个中空C形管在其前面C形管的出口部将所述前面C形管的出水管和所述圆柱形容器的连接部分为两个部分，每个部分的横切面面积比所述C形管的出口部横切面面积都小；
[0009] 所述填料区至少包括填料A区和填料B区，所述填料A区内具有用于过滤净化水体的填料，所述填料A区的所述填料的上方具有纳米气泡水填料反应区，所述填料B区内具有微生物营养扩增固化剂，所述填料B区与所述扩增区之间的分隔层不锈钢打孔板的孔径大于所述微生物营养扩增固化剂的粒径，以允许所述固化剂随水流通过所述孔径进入扩增区；
[0010] 所述扩增区的侧壁具有多个出水口；
[0011] 还包括为所述微纳米气泡发生装置和所述潜水泵提供动力的动力装置。
[0012] 所述潜水泵竖向设置，通过与所述不锈钢板和箱体底板连接的多个不锈钢支架固定在所述箱体的重心上，所述配水区的侧壁至少三分之一的高度均匀分布孔洞构成不锈钢打孔板段。
[0013] 所述分隔层不锈钢板为固定式，所述分隔层不锈钢打孔板为活动式。
[0014] 所述箱体的外壁上具有多个浮球穿孔固定架用于连接浮球。
[0015] 所述填料为轻质沸石、陶粒中的一种或两种的组合，所述填料占所述填料A区的三分之一至二分之一体积，其余空间为纳米气泡水填料反应区。
[0016] 所述微生物扩增固化剂包括如下重量组分:
[0017]
[0018] 所述配水区、气泡发生区、所述填料A区、填料B区和扩增区的高度的范围分布为350-450mm、150-250mm、200-300mm、100-200mm、100-200mm，所述箱体为圆筒，所述圆筒的直径为500-700mm。
[0019] 所述动力装置包括光伏阵列和光伏逆变器，所述光伏阵列安装在所述箱体上方，与所述主体盖板相连接，所述盖板盖在所述主体之上，所述盖板与所述主体之间安放有防止胶圈，所述光伏逆变器安装在所述配水区内，通过导线连接所述光伏阵列和所述潜水泵和微纳米气泡发生装置。
[0020] 所述动力装置为电池。
[0021] 一种原位生物巢微纳米曝气净水方法，包括：
[0022] 所述动力装置提供动力，所述潜水泵从被处理水体中吸入混有气体的水流通过出水管送入所述微纳米气泡发生装置的进水管中，混合流体依次通过所述微纳米气泡发生装置内部的两个中空C形管引流下高速旋转，进入两侧的所述半球形的容器并且旋转流动，由于瓶颈结构且液体与气体比重差异，气体分流，液体变为高速流，气体被收集在中心轴，形成负压轴，最后在半球形的容器的两端的圆孔处，旋转流动的所述气体与液体一同吐出，形成为微纳米气泡。
[0023] 所述微纳米气泡通过所述分隔层不锈钢打孔板进入填料A区，使填料保持悬浮并给填料上附着的微生物供氧，同时通过所述填料初步过滤净化，然后在填料上方的微纳米气泡反应区内微生物与气泡充分接触，微生物进一步降解水中污染物，水流继续向上通过分隔层不锈钢打孔板进入填料B区，与微生物营养扩增固化剂充分混合摩擦，携带所述微生物营养扩增固化剂进入扩增区，在所述扩增区内进一步的扩散后经出水口返回到被处理水体中，所述微生物营养扩增固化剂在环境水体中进一步促进微生物繁殖以净化水体水质。
[0024] 本发明的技术效果：
[0025] 本发明的一种原位生物巢微纳米曝气净水系统，在生物巢水体净化装置内布置了微纳米气泡发生装置，形成了微纳米曝气-活性陶粒吸附-微生物营养扩增固化剂联合净水方法，快速改善缺氧、厌氧状态，增加生物活性，提高污染物分解速度和处理效率。一方面微纳米气泡为水体充氧，通过微纳米气泡的流化作用使得填料处于悬浮装填，加大填料与微纳米气泡的接触面积，同时快速增加水中含氧量，为微生物提供好氧环境，利于微生物降解有机污染物，由于本发明使用了一种微纳米气泡发生装置提供5nm-20μm的泡沫，相比于现有普通曝气装置，氧传质效率提高65-90％；另一方面，调整了生物巢水体净化装置箱体内的区域分布，在气泡发生区上方设置至少两层填料区和一个扩增区，并结合每层的尺寸设置，分隔层不锈钢打孔板同时作为导流板，使得微纳米气泡水依次经过填料A区-填料B区和扩增区后，强化和延长微生物与气泡、填料和促进剂的接触时间，增加生物活性，提高污染物分解速度和处理效率。从另一角度讲，相对于将微纳米气泡发生装置和生物巢水体净化装置分别直接放在水中的净水方法，本申请中将二者集成到同一装置内部，一方面利用微纳米气泡的流化状态实现了填料的再悬浮，一方面进一步增加了微纳米气泡与填料的接触面积和时间，提高了微纳米曝气机工作效率，净水效率提高，同时有效的避免了外界不可控因素对微纳米曝气的影响。
[0026] 设备整体尺寸的大小选择跟服务的水域面积有关，优选的，所述配水区、气泡发生区、所述填料A区、填料B区和扩增区的高度的范围分布为350-450mm、150-250mm、200-300mm、100-200mm、100-200mm，所述箱体为圆筒，所述圆筒的直径为500-700mm。另外，该尺寸的装置内部使用小型微纳米气泡发生装置即可，因此只需配置小型水泵，降低能耗。
[0027] 进一步，微生物营养扩增固化剂微生物扩增固化剂是一种由有机物、小分子有机酸、微量元素等多种成分组成的复合制剂，通过PHB高分子塑料注塑成型。
[0028] 优选的，所述微生物扩增固化剂包括如下重量组分：
[0029]
[0030] 一方面，提高了复合制剂整体的稳定性；另一方面，可以提供足够的养分供释放，从而使得该微生物扩增固化剂可以稳定的、缓慢的释放营养物质，促进有益微生物的新陈代谢，提高其生化反应速度，增强活性。
附图说明
[0031] 图1为本发明的一种原位生物巢微纳米曝气净水系统的实施例的结构示意图；
[0032] 图2为微纳米气泡发生装置示意图。
[0033] 附图标记：
[0034] 1-潜水泵；2-不锈钢打孔板段；3-不锈钢支架；4-微纳米气泡发生装置；5-固定式分隔层不锈钢板；6-活动式分隔层不锈钢打孔板；7-不锈钢固定支脚；8-不绣钢支脚环；9-填料B区；10-浮球穿孔固定架；11-出水口；12-盖板；13-配水区；14-气泡发生区；15-填料A区；16-扩增区，17-出水管；18-进水管；19-半球形容器；20-圆柱形的容器；21-圆孔；22-中空C形管；23-纳米气泡水填料反应区。
具体实施方式
[0035] 为了进一步理解本申请的内容和效果，下面将通过具体实施方式详细说明。
[0036] 实施例1
[0037] 如图1所示，本实施例的一种原位生物巢微纳米曝气净水系统，包括漂浮式箱体，所述箱体内部从下至上依次分隔为配水区13、气泡发生区14、填料区和扩增区16，填料区填料A区15和填料B区9，所述配水区13与所述气泡发生区14以固定式分割层不锈钢板5间隔，所述气泡发生区14与填料区填料A区15之间、所述填料区填料A区15与填料B区9之间、填料B区9与所述扩增区16之间以活动式分隔层不锈钢打孔板6间隔。
[0038] 潜水泵1竖向设置，通过与所述固定式分隔层不锈钢板5连接的多个不锈钢支架3将潜水泵1固定在所述配水区13内布且分布在所述箱体的重心上。所述配水区13的侧壁至少三分之一的高度均匀分布孔洞构成不锈钢打孔板段，以为所述潜水泵1引入污水和导入空气，所述潜水泵的出水管17穿过所述固定式分隔层不锈钢板5与位于所述气泡发生区14内的微纳米气泡发生装置4连接。
[0039] 所述微纳米气泡发生装置的具体结构以及原理可参考专利号为CN200710195111.2中的高旋回式气液混合型微小泡沫发生装置。如图2所示，所述微纳米气泡发生装置4由两个半球形容器19和一个的圆柱形的容器20组合形成对称结构，所述圆柱形的容器20通过进水管18与所述潜水泵的出水管17相连，在两个半球形的容器19的两端各有一个圆孔21用于喷出微纳米气泡，所述圆柱形的容器20的内面有两个中空C形管22，所述两个中空C形管22中的一个在其上方的开口部将所述进水管17和所述圆柱形的容器20的连接部分为两个部分，每个部分的横切面面积比所述进水管17的横切面面积都小，另一个中空C形管22在其前面C形管22的出口部将所述前面C形管的出水管和所述圆柱形容器的连接部分为两个部分，每个部分的横切面面积比所述C形管的出口部横切面面积都小。
[0040] 如图1所示，所述填料A区15内具有用于过滤净化水体的填料，所述填料A区15的所述填料的上方具有纳米气泡水填料反应区23，所述填料B区9内具有微生物营养扩增固化剂，所述填料B区9与所述扩增区16之间的分隔层不锈钢打孔板6的孔径大于所述微生物营养扩增固化剂的粒径，以允许所述固化剂随水流通过所述孔径进入扩增区16，所述扩增区16的侧壁具有多个出水口11。
[0041] 此外，所述微纳米气泡发生装置4和所述潜水泵1连接有动力装置，例如内置在装置内部的电池，或者也是可以包括光伏阵列和光伏逆变器，所述光伏阵列安装在所述箱体上方，与所述主体盖板12相连接，所述盖板12盖在所述主体之上，所述盖板与所述主体之间安放有防止胶圈，所述光伏逆变器安装在所述配水区内，通过导线连接所述光伏阵列和所述潜水泵1和微纳米气泡发生装置4。
[0042] 所述填料为轻质沸石、陶粒中的一种或两种的组合，所述填料占所述填料A区15的三分之一至二分之一体积，其余空间为纳米气泡水填料反应区23。
[0043] 所述微生物扩增固化剂包括如下重量组分：
[0044]
[0045] 所述配水区、气泡发生区、所述填料A区、填料B区和扩增区的高度的分别为400mm、200mm、250mm、150mm和150mm，所述箱体为圆筒，所述圆筒的直径为600mm。
[0046] 实施例2
[0047] 采用实施例1的一种原位生物巢微纳米曝气净水系统于江苏省无锡市翠屏桥以南的景观湖泊进行实验。湖泊长度226m，湖泊宽度12.8m，安装设备数量为1台，设备直径600mm，设备高度1380mm，设备配水区、气泡发生区、填料A区、填料B区和扩增区的高度的分别为400mm、200mm、250mm、150mm和150mm。设备填料A区放入8.28kg自制陶粒1#，陶粒直径为
4±2mm；放入8.28kg自制陶粒2#，陶粒直径为8±2mm。设备填料B区放入球形微生物扩增固化剂5.44kg，微生物扩增固化剂直径为4±2mm，微生物扩增固化剂成分如表1所示。设备用电：220V交流电，采用配电箱接入附近电源；设备质量：90Kg(有自带浮体，使之悬于水面)。
[0048] 表1微生物扩增固化剂制作比例
[0049] 微生物扩增固化剂 聚合物(PHB) 淀粉 硅藻土 腐殖质 氯化镁占比 79％ 12％ 6％ 2％ 1％
[0050] 设备安装前景观湖泊水体中TN含量平均值为3.88mg/L，氨氮含量平均值为2.62mg/L，硝氮含量平均值为0.86mg/L，TP含量平均值为0.36mg/L，CODMn含量平均值为
22.29mg/L。设备安装运行30天后，景观湖泊水体基本稳定在Ⅲ类水体标准。水体中TN含量平均值下降了3.34mg/L，氨氮含量平均值下降了2.41mg/L，硝氮含量平均值下降了0.69mg/L，TP含量平均值为0.32mg/L，CODMn含量平均值下降了18.18mg/L，即水体TN含量平均值下降了86.08％，氨氮含量平均值下降了91.98％，硝氮含量平均值下降了80.23％，TP含量平均值为88.89％，CODMn含量平均值下降了81.56％。
[0051] 对比例1
[0052] 其它实验条件与实施例2相同，不同在于处理设备为：单独的原位生物巢和微纳米曝气净化系统，即将两者分别单独置于湖泊中。
[0053] 对比例2
[0054] 其它实验条件与实施例2相同，不同在于处理设备为：单独的原位生物巢，即仅将原位生物巢置于湖泊中。
[0055] 对比例3
[0056] 其它实验条件与实施例2相同，不同在于处理设备为：单独的微纳米曝气净化系统，即仅将微纳米曝气净化系统置于湖泊中。
[0057] 实施例1和对比例1-3的四种不同配置方式下处理系统效果对比如表2所示。
[0058] 表2不同处理系统效果统计表
[0059] 4种处理系统 TN去除率 TP去除率 氨氮去除率 CODMn去除率实施例2 80％-90％ 85％-95％ 85％-95％ 75％-80％
对比例1 40％-50％ 50％-60％ 50％-60％ 35％-45％
对比例2 10％-20％ 10％-20％ 15％-25％ 5％-15％
对比例3 20％-30％ 15％-25％ 20％-30％ 20％-30％
[0060] 注：表中的数据范围表示每种方式的最好效果和最低效果的区间范围[0061] 综上，实施例2在生物巢水体净化装置内布置了微纳米气泡发生装置，相对于单独配置和分开配置方式，协同了微纳米曝气-活性陶粒吸附-微生物营养扩增固化剂，一方面利用微纳米气泡的流化状态实现了填料的再悬浮，使填料与微生物和氧气充分混合；一方面层层结构设置强化和延长了微纳米气泡与填料的接触面积和时间以及微生物与气泡、填料和促进剂的接触时间，快速改善缺氧、厌氧状态，增加生物活性，提高污染物分解速度和处理效率提高了微纳米曝气机工作效率，净水效率提高。
[0062] 以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或尺寸和数目等都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
