利用自然風(fēng)能提水驅(qū)動水體外部循環(huán)實現(xiàn)曝氣充氧的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水環(huán)境改善與水生態(tài)修復(fù)及清潔能源利用領(lǐng)域，具體涉及一種利用自然風(fēng)能提水驅(qū)動水體外部循環(huán)實現(xiàn)曝氣充氧的方法。
【背景技術(shù)】
[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(huán)境容量小、水體自凈能力低等特點，容易產(chǎn)生水體富營養(yǎng)化等問題，水質(zhì)安全與水生態(tài)健康難以得到有效保障。人工曝氣復(fù)氧技術(shù)的研究在國外已經(jīng)開展了 40多年，在水質(zhì)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(shè)備，取得了明顯的治理效果，有效地控制了水體異味的產(chǎn)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(qū)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(qū)域的水質(zhì)，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(fù)雜的傳質(zhì)過程，曝氣的方式和設(shè)備選擇取決于多方面的因素:污染水體水質(zhì)改善的要求(如消除黑臭、改善水質(zhì)、恢復(fù)生態(tài)等)、外部條件(包括水深、流速、河道斷面形狀、周邊環(huán)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(fù)荷、沖擊污染負(fù)荷等)等。常用的曝氣方式有鼓風(fēng)曝氣、機械曝氣、射流曝氣和無泡供氧等，實際應(yīng)用水體充氧設(shè)備可分為純氧曝氣系統(tǒng)和空氣曝氣系統(tǒng)，具體包括:鼓風(fēng)機一微孔布氣管曝氣系統(tǒng)、純氧一微孔管曝氣系統(tǒng)、純氧一混流增氧系統(tǒng)、葉輪吸氣推流式曝氣器、水下射流曝氣設(shè)備、葉輪式增氧機等，污染水體曝氣復(fù)氧工程中充氧設(shè)備的應(yīng)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(shè)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(shè)備投資比較高、技術(shù)要求比較高、管理維護比較復(fù)雜。
[0004]跌水曝氣系統(tǒng)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(xiàn)復(fù)氧的，具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低、能耗小、曝氣效果穩(wěn)定的優(yōu)點，跌水曝氣系統(tǒng)中，氧氣向水中轉(zhuǎn)移發(fā)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(fā)生流態(tài)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(chǎn)生擾動，提高大氣復(fù)氧能力。常見的跌水曝氣系統(tǒng)為水利設(shè)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(tǒng)來實現(xiàn)。堰、閘、壩跌水曝氣系統(tǒng)存在的問題包括建設(shè)投資比較高、改變河流生境、難以在湖泊中實現(xiàn)等，故不宜以曝氣充氧作為主導(dǎo)功能；噴泉等動力提水跌水曝氣系統(tǒng)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(wěn)定充氧效果是人工曝氣系統(tǒng)廣泛推廣應(yīng)用的前提。
[0005]人工水力循環(huán)技術(shù)是近年來改善河湖水體質(zhì)量的一種有效的工程措施，利用工程措施，調(diào)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(xué)調(diào)度，啟動抽水栗(站)，調(diào)活城市河湖水體，增加水量，加快循環(huán)，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(diào)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(zhì)。人工水力循環(huán)是根據(jù)水動力學(xué)基本原理，給處理水體施加動力，使水體由靜變動，實現(xiàn)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?yōu)榭赡埽涣鲃铀斐傻谋砻娓聻榧涌齑髿鈴?fù)氧提供了條件，有利于增強水體的自凈能力，污染物質(zhì)氧化加快，改善水生生物的生存環(huán)境。
[0006]但水力循環(huán)技術(shù)的理論尚不完善，目前主要強調(diào)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(huán)技術(shù)充氧效率低，生物氧化效果差。如果將人工水力循環(huán)技術(shù)與跌水曝氣技術(shù)有機結(jié)合，一方面，強制循環(huán)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(fù)氧，提高了跌水曝氣充氧效率；另一方面，經(jīng)過跌水復(fù)氧后的水體，在水力循環(huán)作用下不斷地交換、稀釋，使水體自凈能力得以提高。結(jié)合水力循環(huán)和曝氣復(fù)氧技術(shù)改善水體質(zhì)量的研究，目前國外鮮有報道，國內(nèi)有采用跌水曝氣、水閘泄流、活水噴池相結(jié)合進行增氧和在山區(qū)滯流水域根據(jù)河道沿程特點設(shè)計梯級橡皮壩跌水增氧以及栗閘結(jié)合調(diào)水的工程示例，對于消除城市河道水質(zhì)異味、惡化效果良好，幾乎沒有二次污染。但應(yīng)用于閘壩建設(shè)、運行管理的投資仍然比較高，并且水壩的建設(shè)會對河流生境帶來很大的影響，且如此的水力循環(huán)與曝氣復(fù)氧技術(shù)也很難用于無法建設(shè)水壩的湖泊水體。
[0007]清潔能源一風(fēng)能最常見的兩種利用方式是發(fā)電和提水，我國風(fēng)力提水有悠久的歷史，并用于農(nóng)田灌溉、海水制鹽、水產(chǎn)養(yǎng)殖、灘棘改造、人畜飲水、草場改良等提水作業(yè)，有較好的經(jīng)濟效益和社會效應(yīng)。目前在風(fēng)力提水機組的產(chǎn)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(fēng)力提水機組兩大系列，約有十幾種產(chǎn)品型號的風(fēng)力提水機，主要用于福建、江蘇、天津、內(nèi)蒙古、河北、山東等地。我國東南沿海地區(qū)風(fēng)能資源較豐富，大部分地區(qū)年平均風(fēng)速為4m/s左右。為滿足農(nóng)田灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖和鹽場制鹽等低揚程大流量提水作業(yè)需要，低揚程風(fēng)力提水裝置被開發(fā)應(yīng)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(nèi)陸風(fēng)能資源較好的區(qū)域在中國北部，如內(nèi)蒙古、甘肅、青海等地年均風(fēng)速4?6m/s，3?20m/s風(fēng)速年累計4000?5000h，此類地區(qū)大多為草原牧區(qū)，人口分散，難通電網(wǎng)，因此，高揚程小流量深井風(fēng)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(dāng)?shù)啬撩竦纳睢⑸a(chǎn)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(fēng)力提水的區(qū)域遼闊、作業(yè)眾多，因此發(fā)展風(fēng)力提水是彌補當(dāng)前農(nóng)村、牧區(qū)能源不足的有效途徑之一。但風(fēng)力提水的前提是風(fēng)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(qū)，風(fēng)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(fēng)力提水區(qū)；內(nèi)蒙、青海、甘肅和新疆北部河谷地帶，風(fēng)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(fēng)力提水區(qū)。風(fēng)力提水工程選址時風(fēng)能資源應(yīng)具備以下條件:年平均風(fēng)速大于等于3.5m/s、年有效風(fēng)速小時數(shù)大于3000h、盛行風(fēng)向的風(fēng)頻應(yīng)大于40%等，故風(fēng)速是風(fēng)力提水工程應(yīng)用的限制因子。另外風(fēng)力提水機的啟動風(fēng)速也至關(guān)重要，一般情況下，風(fēng)力提水機的啟動需要三級風(fēng)(風(fēng)速為4m/s)，大部分產(chǎn)品需要在風(fēng)速
2.5-3m/s時啟動。
[0009]從環(huán)境保護和資源合理利用的角度出發(fā)，風(fēng)力提水技術(shù)在我國具有較大的潛在市場和廣闊的發(fā)展前景，但目前風(fēng)力提水行業(yè)發(fā)展存在著應(yīng)用數(shù)量不多、推廣進展緩慢等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)狀，旨在提供一種能地表水體提升傳輸實現(xiàn)水體內(nèi)或水體間的水力循環(huán)，促進水體流動和增加水體中的溶解氧的利用自然風(fēng)能提水驅(qū)動水體外部循環(huán)實現(xiàn)曝氣充氧的方法。
[0011]本發(fā)明目的的實現(xiàn)方式為，利用自然風(fēng)能提水驅(qū)動水體外部循環(huán)實現(xiàn)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(shè)置的提水風(fēng)車，將自然風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能驅(qū)動水體外部循環(huán)，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(xiàn)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(fēng)車啟動風(fēng)速為1.6-2.0m/s ;
[0013]所述提水落差為1.0-20m。
[0014]本發(fā)明具有如下優(yōu)點