專利名稱：水中氣幕攔污方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
水體環(huán)境工程技術(shù)。本發(fā)明涉及一種水中氣幕攔污方法與裝置，適用于內(nèi)陸低流 速水體(湖泊、水庫)中漂浮性藻類、垃圾雜物的攔擋、導(dǎo)流和富集，具有保護(hù)目標(biāo)水域、阻 止漂浮性藻類和垃圾雜物入侵之功用，可作為富集清除水面藍(lán)藻和垃圾雜物的輔助手段， 尤其適用于城市自來水取水口的攔污。
背景技術(shù)：
水體富營養(yǎng)化引發(fā)的藍(lán)藻災(zāi)害嚴(yán)重危及許多湖泊、水庫，其成災(zāi)特點(diǎn)是“邊緣效 應(yīng)”，成災(zāi)機(jī)制是在溫和氣候條件下(風(fēng)速<4m/s)藍(lán)藻漂浮-遷移-集聚所致，在藍(lán)藻漂 移路徑上攔擋并清除之就可以有效防止局部水域藍(lán)藻災(zāi)害的發(fā)生。在太湖、巢湖、滇池等富 營養(yǎng)化問題比較嚴(yán)重的湖泊，各種圍欄(圍隔)技術(shù)被用于攔擋藍(lán)藻，其有效性可以肯定， 但其妨礙交通、影響景觀、阻滯水流、影響生態(tài)、污染水質(zhì)等負(fù)效應(yīng)嚴(yán)格限制了其適用性，并 且在大湖面上圍欄(圍隔)容易遭受風(fēng)浪破壞(尤其是臺(tái)風(fēng))，建造和維護(hù)費(fèi)用較高，可靠 性比較差。水中漂浮垃圾雜物的攔截一般采用攔網(wǎng)方法，容易發(fā)生堵塞，既阻滯水流又難以 清理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)在于研發(fā)水中氣幕攔污技術(shù)方法和裝置，提供一種無形的攔污防 線，能夠有效攔截漂浮遷移的藍(lán)藻和垃圾雜物，卻不造成任何環(huán)境負(fù)面影響，并為藍(lán)藻和垃 圾雜物的清除創(chuàng)造無障礙的作業(yè)環(huán)境?！八袣饽粩r污”實(shí)際上是通過特制的水下微孔曝氣 管道系統(tǒng)的低壓微量曝氣在水體中形成垂向“氣_水幕”，借以切斷湖面上的風(fēng)生層流，將 漂浮性藍(lán)藻和垃圾雜物阻擋在上風(fēng)或上游一側(cè)。氣幕是在空氣環(huán)境中普遍使用的一種無形 隔離技術(shù)，而在水體中以氣幕攔擋漂浮性藻類和垃圾雜物必須解決以下技術(shù)問題。 適用性，水上攔污防線規(guī)模需求可能達(dá)到數(shù)千米，要求全線曝氣均勻，設(shè)備安 裝、使用、維護(hù)保養(yǎng)必須簡(jiǎn)單易行。 可靠性，間歇運(yùn)行和季節(jié)性運(yùn)行的水下曝氣管道系統(tǒng)必須解決水阻問題，隨時(shí) 可以啟動(dòng)運(yùn)行，用于藍(lán)藻應(yīng)急等特殊需求。 經(jīng)濟(jì)合理性，一方面是建設(shè)造價(jià)和使用壽命，另一方面是運(yùn)行能耗和維護(hù)保養(yǎng) 費(fèi)用，如果曝氣能耗過高則會(huì)限制本項(xiàng)技術(shù)的適用性。1、基本結(jié)構(gòu)為解決以上技術(shù)問題并達(dá)到研發(fā)目標(biāo)，采用了由風(fēng)機(jī)、輸氣管道、支管接口、微孔 曝氣支管組成的低壓微量水中氣幕系統(tǒng)。(1)低壓供氣系統(tǒng)由額定風(fēng)壓30 40kPa的風(fēng)機(jī)(1)提供低壓空氣，以水平布設(shè)在水面(2)下 1. 5 2m的處輸氣管道(3)輸送氣流，二者之間以鋼絲軟管(4)連接，組成低壓供氣系統(tǒng)。
3輸氣管道的內(nèi)徑根據(jù)斷面空氣流量確定，由始端到末端管徑逐漸縮小，兩端的工作氣壓差 根據(jù)運(yùn)行能耗和輸氣管道建設(shè)費(fèi)用進(jìn)行優(yōu)化確定。如果輸氣管道管徑過小，供氣風(fēng)壓就會(huì) 相應(yīng)提高，能耗也隨之增加；相反則輸氣管道建設(shè)費(fèi)用過高。⑵排水尾管在輸氣管道末端設(shè)有直立的“U”形排水尾管(5)，其底部低于水氣管道，尾部伸出 水面。在長期停運(yùn)之后，輸氣管道內(nèi)有可能充滿了水，啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)在工作氣壓的推動(dòng)下排水 尾管自動(dòng)吐水，當(dāng)輸氣管道內(nèi)的積水排干之后“U”形管進(jìn)水端水面開始下降，當(dāng)與出水端水 面的凈壓差等于工作氣壓時(shí)停止吐水，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。通過排水尾管吐水，不僅可以快 速排空輸氣管道內(nèi)的積水，還可帶出長期停運(yùn)期間有可能產(chǎn)生的沉淀物，有清潔輸氣管道 的作用。(3)支管接口特制的支管接口(6)均勻附裝在輸氣管道上，其出口與微孔曝氣支管(7)連接，安 裝間距一般為12 30m，與微孔曝氣支管單元長度相等。支管接口內(nèi)設(shè)置逆止閥(8)，運(yùn)行 時(shí)由工作氣流頂開逆止閥，并通過旋轉(zhuǎn)頂部調(diào)節(jié)螺桿(9)調(diào)節(jié)逆止閥的開張度和氣流量； 停機(jī)時(shí)逆止閥憑借自身重力和逆向壓差關(guān)閉。支管接口的進(jìn)氣導(dǎo)管(10)插入輸氣管道底 部，在啟動(dòng)運(yùn)行初期先將輸氣管道底部的積水排干，再進(jìn)入正常工作。(4)微孔曝氣支管特制的塑料質(zhì)低壓微孔曝氣支管，φ20 30mm、單元長度12 30m，與輸氣管道上
支管接口的型號(hào)和間距匹配，末端封閉，始端安裝在支管接口上，沿輸氣管道上方以彈性開 口卡式支架(11)固定。工作時(shí)曝氣流量為每Im曝氣支管10 50L/min(視攔污需求而 定)，曝氣支管內(nèi)、外凈壓差5kPa左右，曝氣支管兩端氣壓差< lkPa，由此確定適宜的曝氣 支管長度、管徑和微孔面積。2、安裝方式有水底固定安裝和水面懸浮安裝兩種方式對(duì)于水位變幅較小(通常< Im)的淺 水體，水底固定安裝比較適合；對(duì)于水位變幅較大或者較深的水體，水面懸浮安裝更為合理。水底固定安裝方法風(fēng)機(jī)房(12)可以建在提岸上，也可打樁架空建在水面上；有 供電條件時(shí)采用電動(dòng)風(fēng)機(jī)，無供電條件時(shí)采用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)式風(fēng)機(jī)。沿水中氣幕線路在湖底 (13)打水下支撐樁(14)，將輸氣管道以卡箍(15)固定安裝在樁頂上，支撐樁大小和密度視 輸氣管道強(qiáng)度、水體擾動(dòng)強(qiáng)度和水深確定，支撐樁頂高度必須一致。在輸氣管道末端打高出 水面支撐樁(16)，將排水尾管垂直固定在該支撐樁上。水面懸浮安裝方法將風(fēng)機(jī)安裝在有密封艙的小船(17)或者特制的漂浮載體上， 采用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)式風(fēng)機(jī)。按照輸氣管道基本單元長度(標(biāo)準(zhǔn)雙面鍍鋅鋼管長度為6m)，在其 法蘭連接處(18)以錨鏈(19)懸掛柱狀浮體(20)，單個(gè)柱狀浮體的凈浮力=1.2X輸氣管 道基本單元管腔充滿水時(shí)的水下重力，柱狀浮體的直徑、長度和懸掛錨鏈長度能夠滿足在 運(yùn)行狀態(tài)下將輸氣管道懸浮在1. 5m左右深度。在輸氣管道末端的“U”形排水尾管上安裝 管狀浮體(21)，其凈浮力=1.2X (1/2輸氣管道基本單元管腔充滿水時(shí)的水下重力+排水 尾管充滿水時(shí)的水下重力)，管狀浮體的直徑、長度和安裝高度能夠滿足排水尾管與輸氣管 道同步沉浮。
3、工作原理啟動(dòng)風(fēng)機(jī)向輸氣管道以恒定的工作氣壓Po(22)輸送空氣，驅(qū)使輸氣管道內(nèi)的積 水從末端的“U”形排水尾管排出，同時(shí)也通過各個(gè)支管接口和曝氣支管排水。當(dāng)輸氣管道 內(nèi)的積水排空后，“U”形排水尾管進(jìn)水端水面h2 (23)開始下降，與排水尾管出口水面hi (24) 的高差逐漸加大，當(dāng)兩側(cè)水面凈壓差POi1-Il2)=工作氣壓Po-輸氣管道兩端工作氣壓差ΔΡ 時(shí)，排水尾管停止吐水，進(jìn)入正常工作狀態(tài)，氣流經(jīng)支管接口進(jìn)入各曝氣支管，進(jìn)入正常曝 氣狀態(tài)?？梢酝ㄟ^支管接口上的調(diào)節(jié)螺桿調(diào)節(jié)空氣流量，實(shí)現(xiàn)全線曝氣均勻。也可通過調(diào) 節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)工作氣壓Po和空氣流量，以達(dá)到所需的曝氣強(qiáng)度。通過水下連續(xù)帶狀曝氣可以在水體中形成垂直上升的幕狀氣_水流(25)，到達(dá)水 面后向兩側(cè)形成水平分流(26)，可以頂托表面風(fēng)生層流(27)，使其所挾帶的藻類和垃圾雜 物滯留在上風(fēng)或上游一側(cè)形成富集帶(28)，便于打撈清除。當(dāng)水中氣幕的管線與漂浮性 藻類和垃圾雜物的飄移方向成銳角時(shí)，漂浮性藻類和垃圾雜物就會(huì)沿水中氣幕管線方向滑 動(dòng)，進(jìn)而向一端富集。4、維護(hù)保養(yǎng)水下氣幕管道系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)具有一定的技術(shù)難度，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中已經(jīng)充分 考慮了這一點(diǎn)，以便于維護(hù)保養(yǎng)。輸氣管道及支管接口的原位清洗拆除所有微孔曝氣支管，關(guān)閉所有支管接口，將 水泵連接在輸氣管道起始端，以較大流量清水強(qiáng)制沖洗輸氣管道，以水流清除管道內(nèi)積淀 的污物。輸氣管道清洗完成后，封堵排水尾管出口，逐個(gè)打開支管接口，以水流沖洗支管接 口內(nèi)部。微孔曝氣支管清洗將拆下的微孔曝氣支管安裝在清洗設(shè)備上，以正向、反向氣流 清洗管腔和微孔，檢查疏通每一個(gè)微孔，清洗完成后再復(fù)位安裝。本發(fā)明主要有以下優(yōu)點(diǎn)(1)無形攔污防線，通過帶狀曝氣阻擋藍(lán)藻和垃圾雜物的漂移，不影響水上交通、 水流、景觀和生態(tài)，并為打撈清除提供無障礙作業(yè)環(huán)境；(2)安全可靠，經(jīng)久耐用，不受風(fēng)浪、船只影響，預(yù)期使用壽命10年以上；(3)建設(shè)費(fèi)用合理，Ikm水中氣幕攔污設(shè)施建設(shè)費(fèi)用< 100萬元；(4)節(jié)能環(huán)保，采用低壓微量曝氣，不影響水質(zhì)，Ikm水中氣幕攔污設(shè)施運(yùn)行功率 < 20kw，且可隨意啟閉；(5)防水、排水性能良好，工作可靠，使用、維護(hù)簡(jiǎn)便。應(yīng)用舉例根據(jù)以上技術(shù)方法，2008年在太湖梅梁灣水域建成一套水底固定式水中氣幕攔污 裝置，風(fēng)機(jī)房建在湖岸上，長度180m的輸氣管道與湖岸垂直，可以有效攔擋富集沿湖岸飄 移的藍(lán)藻，提高了清除藍(lán)藻的效率，其主要結(jié)構(gòu)如下。風(fēng)機(jī)LSR_65型電動(dòng)羅茨鼓風(fēng)機(jī)，電機(jī)功率2kw，30kpa恒壓，排氣量46m3/h，安裝 在岸上風(fēng)機(jī)房中。輸氣管道采用DN80X6m鍍鋅管，以法蘭盤硬連接成30m的輸氣管道單元，單元 之間以法蘭式可曲撓橡膠接頭軟連接。輸氣管道總長度180m，以卡箍固定安裝在水下1. 5m 深處的鋼管樁頂部。起始端以DN80鋼絲軟管與風(fēng)機(jī)連接，末端以法蘭與“U”形排水尾管連接。排水尾管以DN80鍍鋅管、法蘭盤和90度彎頭制作“U”形排水尾管。其進(jìn)水端長 度lm，與輸氣管道末端以法蘭連接；出水端長度3. 5m，直立固定在鋼管樁上，末端伸出水面 lm，由彎頭將出口轉(zhuǎn)向側(cè)面。支管接口 Dm6特制支管接口，在輸氣管道單元進(jìn)氣端上方開孔，將支管接口插 入并焊接固定，使其進(jìn)氣口距離輸氣管道底部5mm，出氣口外徑19mm與微孔曝氣支管套接。微孔曝氣支管特制DN18微孔曝氣支管，單元長度30m，進(jìn)氣端與支管接口套接， 末端封閉，以開口卡式支架沿輸氣管道固定。


圖1——水中氣幕發(fā)生系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖2——安裝在輸氣管道上的支管接口和曝氣支管圖3——湖底固定安裝方式圖4——水面懸浮安裝方式圖5——輸氣管道末端“U”形排水尾管工作原理圖6——水中氣幕攔截漂浮性藻類和雜物工作原理圖中1.風(fēng)機(jī)，2.水面，3.輸氣管道，4.鋼絲軟管，5. “U”形排水尾管，6.支管 接口，7.微孔曝氣支管，8.逆止閥，9.調(diào)節(jié)螺桿，10.進(jìn)氣導(dǎo)管，11.彈性開口卡式支架， 12.風(fēng)機(jī)房，13.湖底，14.水下支撐樁，15.卡箍，16.高出水面支撐樁，17.有密封艙的小 船，18.法蘭連接處，19.錨鏈，20.柱狀浮體，21.管狀浮體，22.工作氣壓Po，23.排水尾管 進(jìn)水端水面h2，24.排水尾管出水口水面h1; 25.垂直上升的幕狀氣-水流，26.水平分流， 27.表面風(fēng)生層流，28.富集帶。
具體實(shí)施例方式以水底固定式水中氣幕攔污裝置為例，按照以下步驟進(jìn)行工程性應(yīng)用a)建造風(fēng)機(jī)房(12)并安裝風(fēng)機(jī)(1)和接通電源。b)在湖底(13)上放線并設(shè)置水下支撐樁(14)。c)制作輸氣管道(3)單元并安裝好支管接口(6)，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺桿(9)至逆止閥(8) 關(guān)閉。d)利用臨時(shí)性漂浮載體，在水面上整體組裝輸氣管道和末端“U”形排水尾管(5)。e)制作和安裝微孔曝氣支管(7)。f)將輸氣管道(3)整體沉降安裝在水下支撐樁(14)頂上，并以鋼絲軟管(4)與風(fēng) 機(jī)⑴連接。g)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)(1)，待輸氣管道(3)中的積水排完后，旋轉(zhuǎn)支管接口(6)上的調(diào)節(jié)螺 桿(9)開啟逆止閥(8)，并調(diào)整各支管接口的氣流量平衡，使整個(gè)系統(tǒng)曝氣均勻，進(jìn)入正常 運(yùn)行狀態(tài)。h)關(guān)閉風(fēng)機(jī)(1)，水中氣幕攔污裝置停止運(yùn)行。i)隨時(shí)可以再次啟動(dòng)和關(guān)閉水中氣幕攔污裝置，只需操作風(fēng)機(jī)電源開關(guān)。
權(quán)利要求
一種以水中氣幕攔擋低流速水體中漂浮性污染物的方法與設(shè)備，其特征是由風(fēng)機(jī)(1)、輸氣管道(3)、“U”形排水尾管(5)、支管接口(6)、微孔曝氣支管(7)組成，以水底固定方式或水面懸浮方式水平布設(shè)于水面下1.5m左右的深度，通過帶狀微孔曝氣在水體中形成垂直上升的幕狀氣 水流(25)，以切斷水體表面風(fēng)生層流(27)，將其挾帶的漂浮性藍(lán)藻或其它污染物攔截在上風(fēng)或上游一側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以水中氣幕攔擋低流速水體中漂浮性污染物的方法與設(shè)備， 其特征是在輸氣管道末端連接有直立的“U”形排水尾管，其底部低于輸氣管道而末端伸 出水面，啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)可以借助工作氣壓將輸氣管道中的積水排出，排水完成后“U”形排水尾 管兩端的水位差與輸氣管道末端的工作氣壓達(dá)到平衡，實(shí)現(xiàn)輸氣管道自動(dòng)排水和運(yùn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以水中氣幕攔擋低流速水體中漂浮性污染物的方法與設(shè)備， 其特征是曝氣支管通過支管接口和彈性開口卡式支架(11)附裝在輸氣管道上方，支管接 口上設(shè)有逆止閥(8)、調(diào)節(jié)螺桿(9)和進(jìn)氣導(dǎo)管(10)，停運(yùn)時(shí)逆止閥可防止逆向進(jìn)水，啟動(dòng) 運(yùn)行時(shí)進(jìn)氣導(dǎo)管可優(yōu)先排干輸氣管道內(nèi)的積水，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺桿調(diào)節(jié)逆止閥的開張度可 調(diào)節(jié)氣流量，實(shí)現(xiàn)水中氣幕設(shè)備全線暢通和各曝氣支管均勻曝氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以水中氣幕攔擋低流速水體中漂浮性污染物的方法與設(shè)備， 其特征是在水位變幅較小的淺水體中采用水底固定安裝方式，風(fēng)機(jī)房(12)可建在提岸 上，將輸氣管道以卡箍(15)固定安裝在水下支撐樁(14)頂部，將排水尾管垂直固定在高 出水面支撐樁(16)上；在水位變幅較大或者較深的水體中采用水面懸浮安裝方式，將風(fēng)機(jī) 安裝在有密封艙的小船(17)上，在輸氣管道法蘭連接處(18)以錨鏈(19)懸掛柱狀浮體 (20)，在輸氣管道末端的“U”形排水尾管上安裝管狀浮體(21)，將輸氣管道水平懸浮在水 面下1.5m左右深度，并以充滿水時(shí)的水中管道重力的1.2倍確定浮體的凈浮力。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以水中氣幕攔擋低流速水體中漂浮性污染物的方法與設(shè)備， 其特征是采用低壓微量曝氣，由風(fēng)機(jī)提供30 40kPa工作氣壓，每Im氣幕管道每分鐘曝 氣量10 50L，Ikm水中氣幕攔污設(shè)備運(yùn)行功率< 20kw，可以通過風(fēng)機(jī)電源開關(guān)隨時(shí)啟動(dòng)運(yùn) 行或關(guān)閉。
全文摘要
一種以水中氣幕攔擋低流速水體中漂浮性污染物的方法與設(shè)備。由風(fēng)機(jī)、輸氣管道、“U”形排水尾管、支管接口、微孔曝氣支管等組成水中氣幕設(shè)備，以水底固定方式或水面懸浮方式水平布設(shè)于水面下1.5m左右的深度，通過帶狀微孔曝氣在水體中形成垂直上升的幕狀氣-水流，以切斷水體表面的風(fēng)生層流，將其挾帶的漂浮性藍(lán)藻及垃圾雜物攔截在上風(fēng)或上游一側(cè)。利用本項(xiàng)技術(shù)可以建造一種無“形”的水體漂浮性污染物攔擋防線，用于內(nèi)陸湖泊、水庫、池塘等低流速水體中漂浮性藻類、油污、垃圾雜物、雜草等污染物的攔擋、導(dǎo)流和富集，尤其適用于城市自來水廠取水口藍(lán)藻等漂浮性污染物的攔擋。1km水中氣幕攔污設(shè)施的建設(shè)費(fèi)用＜100萬元，運(yùn)行功率＜20kw且隨時(shí)可以根據(jù)需要啟動(dòng)和關(guān)閉，不受風(fēng)浪、船只影響，不影響水流、水質(zhì)、水體景觀和生態(tài)，使用壽命10年以上。
文檔編號(hào)E02B15/08GK101967814SQ201010287630
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月20日
發(fā)明者馮慕華, 李文朝, 李玲, 潘繼征 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所