本發(fā)明涉及水資源保護與水環(huán)境治理領域，具體是一種表層水體藻類與營養(yǎng)鹽的微動力原位收集分離一體化裝置。

背景技術：

過量營養(yǎng)物質(主要是氮磷)造成表層水體藻類快速生長積聚，導致湖庫水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化。目前，富營養(yǎng)化水體的發(fā)生程度和范圍在我國仍然呈快速發(fā)展趨勢，形勢十分嚴峻。水體富營養(yǎng)化防治通常采用藻類控制和過量氮磷等營養(yǎng)物質削減相結合的方式。對藻類控制來說，常用打撈除藻、機械除藻或化學除藻等方法；過量營養(yǎng)物質削減則大多采用清水稀釋、植物吸收凈化等措施。總體來看，藻類物理防治措施耗時耗力，機械或藥劑投入大，藻類收集與分離也不甚理想；過量營養(yǎng)物質削減通常配套建設引水工程或生態(tài)修復工程，引水工程耗資巨大，需要引調大量清水；生態(tài)修復工程耗時長，見效慢。在外源截污背景下，采用合適的工藝方法快速收集與分離水體中的氨氮和磷等營養(yǎng)物質，低成本將其帶離湖庫水體；與此同時，使富營養(yǎng)化水體中的藻類數(shù)量及生長態(tài)勢得到有效控制，是治理河湖富營養(yǎng)化問題的重要努力方向。

湖庫等天然富營養(yǎng)化水體，水域體積大，藻類易積聚于表層水體，氮磷等濃度低于工業(yè)廢水或市政生活污水，不適宜抽取后在岸邊用傳統(tǒng)污水生化處理工藝凈化。開展表層水體藻類與營養(yǎng)鹽的原位收集與分離，具有不占地、機動、靈活、藻類與營養(yǎng)鹽的去除效率高于生態(tài)修復工程、見效相對較快、受季節(jié)氣候影響較小等優(yōu)點。目前，國內外公開了一些富營養(yǎng)化水體藻類與營養(yǎng)鹽的原位處理裝置或技術，公開號為CN 105833596 A的專利公開了一種全自動船載除藻的方法及設備，采用轉鼓微濾除藻機收集藻水，然后通過兩個濃縮器進行脫水，形成半固相藻泥，最后借助反沖洗管路實現(xiàn)藻水分離。公開號為CN104817228 A的專利公開了一種用于富營養(yǎng)化緩流水體原位凈化的太陽能動力脫氮除磷生物箱陣列，在生物箱內填充組合生物載體，通過好氧生物箱與厭氧生物箱的組合，分步實現(xiàn)反硝化脫氮以及生物除磷。公告號為CN 103288160 B的專利公開了一種移動式氣浮平臺去除富營養(yǎng)化水體中藻類的裝置及其使用方法，通過微氣泡發(fā)生器氣浮分離藻類、漂浮藻類收集、超聲滅藻及藻渣脫水等進行藻類收集、殺滅及分離。公告號為CN 102344190 B的專利公開了一種強化凝聚除藻并控制胞內物質釋放的方法，通過高錳酸鉀與鐵鹽的共同作用抑制藻細胞活動，提高藻細胞的沉降性能。

本發(fā)明人在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有富營養(yǎng)化水體藻類及營養(yǎng)鹽原位處理裝置或技術存在較大不足：(1)藻類收集與分離方面，不能針對性地收集積聚在表層水體的高密度藻類，造成后續(xù)脫水量大，藻類分離效率低；(2)富營養(yǎng)化水體的氮磷等營養(yǎng)鹽濃度低，微生物脫氮除磷效率低，易受氣溫等環(huán)境條件影響，氮磷等營養(yǎng)物質的水體分離效果有限；(3)采用高錳酸鉀、鐵鹽、超聲波、微濾等方式對藻水中的藻類進行分離或殺滅，藥劑消耗與能耗較高，且容易造成藻毒素污染；(4)單一除藻或去除營養(yǎng)鹽，缺乏藻類與營養(yǎng)鹽從表層水體中同步收集與分離的功能。湖庫等富營養(yǎng)化水體的水面開闊，流速緩慢，表層水體藻類分布廣，如何通過太陽能或岸邊充電，利用蓄電池供電，原位微動力收集與分離表層水體的積聚藻類與營養(yǎng)鹽，高效精準收集表層高密度藻水，快速沉降表層水體中的藻類與營養(yǎng)鹽，低成本分離與回收藻類與營養(yǎng)鹽，并將濃縮的藻類與營養(yǎng)鹽移出湖庫，將是解決天然水體富營養(yǎng)化的新思路，具有極大的環(huán)境、經(jīng)濟、社會效益和應用前景。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種表層水體藻類與營養(yǎng)鹽的微動力原位收集分離一體化裝置，無需將表層高密度藻水抽取到岸邊處理，不必加入絮凝藥劑，不需投入脫氮除磷微生物載體，不用將藻水機械濃縮，藻類和氮磷等營養(yǎng)鹽的去除效果好，動力消耗少，運行成本低，維護簡單，無化學藥劑污染和固體廢物產(chǎn)生。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：

一種表層水體藻類與營養(yǎng)鹽的微動力原位收集分離一體化裝置，包括太陽能電池板及與太陽能電池板相連的浮體平臺，其特征在于：浮體平臺上搭載有表層藻水收集單元、藻水絮凝反應單元、絮凝劑備用投加單元、藻水流動控制單元、藻類與營養(yǎng)鹽分離單元、清潔藻水排放單元、浮體平臺動力驅動單元，浮體平臺外的表層藻水通過表層藻水收集單元進入藻水絮凝反應單元，藻水絮凝反應單元用于電解產(chǎn)生活性絮凝劑與進水中的藻類和氮磷營養(yǎng)鹽快速摻混，形成藻類絮體或顆粒沉淀，藻水流動控制單元用于將絮凝反應后的表層藻水、藻類絮體或顆粒沉淀按序進入藻類與營養(yǎng)鹽分離單元，藻類與營養(yǎng)鹽分離單元自下而上連續(xù)設有至少兩層變徑濾料，經(jīng)變徑濾料分離藻類與營養(yǎng)鹽后的低藻清水進入清潔藻水排放單元排入浮體平臺外部，所述絮凝劑備用投加單元用于在藻水中藻類密度或營養(yǎng)鹽濃度過高、抑或電絮凝效率不理想時定量投放絮凝劑至藻水中，浮體平臺動力驅動單元用于驅動浮體平臺在水體上移動與轉向。

進一步的，浮體平臺采用防水、防腐和防撞高密度聚乙烯材質。

進一步的，所述表層藻水收集單元包括進水口、齒型堰槽和伸縮軟管接口，進水口呈開口向上的喇叭口狀，進水口邊緣均勻設置齒形堰槽，伸縮軟管與進水口相連，用于調整進水口高度。

進一步的，齒型堰槽的齒高約0.5-1cm，齒尖與水面相平。

進一步的，藻水絮凝反應單元與表層藻水收集單元相連，包括具有電絮凝作用的電解箱，電解箱內部設有配水板、電解絮凝用雙面復合電極以及電極板支架，雙面復合電極安裝在電極板支架上，雙面復合電極由安裝在浮體平臺上的蓄電池進行供電。

進一步的，雙面復合電極包括三層電極板，分別為陽極、絕緣層和陰極，陽極和陰極貼附于絕緣層兩側，表層藻水收集單元吸取的藻類與營養(yǎng)鹽通過相鄰兩對雙面復合電極的陽極與陰極之間的縫隙，進入藻水流動控制單元，電解過程中，陽極不斷消耗并釋放出Al³⁺或Fe³⁺，陰極電解水生成OH-，二者之間形成具有絮凝作用的Al₃或Fe(OH)₃，快速將絮凝反應單元藻水中的藻類、氮磷營養(yǎng)鹽形成藻類絮體和顆粒沉淀。

進一步的，藻水流動控制單元與藻水絮凝反應單元相連，藻水流動控制單元包括轉刷及與轉刷驅動連接的電機，電機與蓄電池相連，電機帶動轉刷轉動，引導絮凝反應單元內的藻水、藻類絮體及營養(yǎng)鹽沉淀按序進入藻類與營養(yǎng)鹽分離單元，并最終通過清潔藻水排放單元外排。

進一步的，絮凝劑備用投加單元包括加藥罐、加藥泵、計量閥、加藥管與藥劑投加噴頭，加藥罐中預先配置的絮凝劑溶液通過加藥泵、計量閥、加藥管和藥劑投加噴頭進入藻水流動控制單元，與藻類與營養(yǎng)鹽鹽進行均勻混合。

進一步的，藻類與營養(yǎng)鹽分離單元與藻水流動控制單元相連，內部設置有布水隔板，布水隔板均勻開孔，水隔板自下而上設有大、中、小孔隙的變徑濾料，水隔板下部設有絮體收集箱，表層水體中的藻類與營養(yǎng)鹽充分絮凝后，通過布水隔板，均勻進入位于布水隔板上面的變徑濾料，自下而上連續(xù)通過大、中、小孔隙的層層過濾與攔截，促使藻類絮體與營養(yǎng)鹽沉淀逐漸分離與沉降，進入藻類與營養(yǎng)鹽分離單元底部的絮體收集箱。

進一步的，所述浮體平臺動力驅動單元為布置在浮體平臺尾部的兩個螺旋槳推進器，蓄電池與螺旋槳推進器相連，通過兩個螺旋槳推進器的速度差實現(xiàn)浮體平臺的移動與轉向。

由于采用了上述方案，本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)采用浮體平臺，在太陽能或岸邊充電的條件下，利用蓄電池供電，將表層藻水高效收集、藻類與營養(yǎng)鹽快速絮凝、藻水流動的準確控制、藻類與營養(yǎng)鹽沉淀的高效分離與濃縮等一體化布置，實現(xiàn)了表層水體藻類與營養(yǎng)鹽的原位微動力收集與分離，通過回用濃縮藻泥與營養(yǎng)鹽沉淀的方式徹底移除富集于表層水體的藻類與營養(yǎng)鹽，持續(xù)不斷地清潔水體。

(2)表層藻水收集單元設置了開口向上的喇叭口式進水口、伸縮軟管及專門吸取表層藻水的齒型堰槽，可根據(jù)水深利用伸縮軟管調整進水口位置，并通過藻水流動控制單元與浮體平臺驅動單元，調控表層藻水的吸取速度與吸取位置，確保吸取藻類聚集的表層水體，提高了后續(xù)藻類與營養(yǎng)鹽的分離濃縮效率。

(3)電絮凝反應單元與絮凝劑備用投加單元互為補充，提供足量絮凝劑，適應不同藻類密度與營養(yǎng)鹽濃度的表層水體的絮凝處理，確保表層水體中藻類與營養(yǎng)鹽的穩(wěn)定高效去除。

(4)藻類與營養(yǎng)鹽分離單元自下而上設置了多種孔隙的變徑濾料，將絮凝后的藻類絮體與營養(yǎng)鹽沉淀進行自重力高效分離與濃縮，動力消耗少，便于分離與回用濃縮后的藻類絮體與營養(yǎng)鹽沉淀。

(5)藻水流動控制單元通過電機控制轉刷的轉速，確保表層藻水的精確收集、以及藻水的按序流動與充分絮凝。

(6)藻水絮凝反應單元中的電絮凝過程耗電量小，藻水流動控制單元的轉刷轉速低，浮體平臺的移動速度慢，上述低耗電過程能夠得到蓄電池供電系統(tǒng)的有效電力保障；裝置運行簡單，成本費用低，便于推廣應用。

(7)浮體平臺可采用外加電源充電，當采用岸邊充電時，裝置能全天候工作，極大提高表層水體藻類與營養(yǎng)鹽的去除效率，實現(xiàn)以時間換空間，縮短富營養(yǎng)化水體的治理周期。

附圖說明

圖1是本發(fā)明表層水體藻類與營養(yǎng)鹽的微動力原位收集分離一體化裝置的系統(tǒng)組成圖；

圖2是本發(fā)明表層水體藻類與營養(yǎng)鹽的微動力原位收集分離一體化裝置的運行流程圖；

圖3是本發(fā)明的整體剖面示意圖；

圖4是本發(fā)明的平面示意圖；

圖5是本發(fā)明中表層藻水收集單元的結構示意圖；

圖6是本發(fā)明中雙面復合電極的結構示意圖；

圖7是本發(fā)明中供電及控制系統(tǒng)的結構示意圖。

圖中：1—水面，2—出水口，3—控制平臺，4—太陽能電池板支架，5—太陽能電池板，6—蓄電池，7—電機，8—加藥罐，9—加藥泵，10—計量閥，11—配水板，12—齒形堰槽，13—進水口，14—伸縮軟管接口，15—伸縮軟管，16—雙面復合電極，16-1—陽極，16-2—絕緣層，16-3—陰極，17—電解箱，18—電極板支架，19—藥劑投加噴頭，20—加藥管，21—轉刷，22—藻類絮體，23—絮體收集箱，24—變徑濾料，25—螺旋槳推進器，26—布水隔板，27—浮體平臺。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明中的附圖，對本發(fā)明中的技術方案進行清楚、完整地描述。

請參考圖1-4，本發(fā)明表層水體藻類與營養(yǎng)鹽的微動力原位收集分離一體化裝置包括太陽能電池板5及與其相連的浮體平臺27。太陽能電池板5可通過太陽能電池板支架4與浮體平臺27相連(如圖3所示)。

所述浮體平臺27搭載有表層藻水收集單元、藻水絮凝反應單元、絮凝劑備用投加單元、藻水流動控制單元、藻類與營養(yǎng)鹽分離單元、清潔藻水排放單元和動力驅動單元。

以下結合附圖說明其具體實施過程：

1.了解待處理富營養(yǎng)化水域的環(huán)境狀況，包括藻類、濁度、氮磷等營養(yǎng)物質濃度等基本參數(shù)?；诖幚硭虻乃|條件和蓄電池供電能力評估浮體平臺27的處理能力與移動速度。原則上來說，藻類密度、濁度及氮磷營養(yǎng)物質濃度越高，浮體移動速度越小，裝置處理效果越好，建議待處理水域藻類密度(以葉綠素a計)不低于10g/L，濁度不低于3NTU，總磷濃度不低于0.2mg/L。

2.浮體平臺27采用防水、防腐和防撞高密度聚乙烯材質，用于給整個裝置提供浮力。表層藻水收集單元將浮體平臺27外的表層水體中積聚的藻類與營養(yǎng)鹽，緩慢吸入藻水絮凝反應單元。如圖5所示，所述表層藻水收集單元包括進水口13、齒型堰槽12和伸縮軟管接口14。進水口13呈開口向上的喇叭口狀，進水口13邊緣均勻設置了齒形堰槽12，齒高約0.5-1cm，齒尖與水面1相平，在轉刷21的轉動作用下，吸取富集于水面的藻類與營養(yǎng)鹽，并避免吸取下層少藻水體。伸縮軟管15與進水口13相連，用于調整進水口13高度，以便適應待處理水域的水深變化，提高表層藻水收集效率。

3.藻水絮凝反應單元與表層藻水收集單元的伸縮軟管13相連，藻水絮凝反應單元包括具有電絮凝作用的電解箱17，電解箱17內部設有配水板11、電解絮凝用雙面復合電極16以及電極板支架18。如圖6所示，雙面復合電極16包括三層電極板，分別為陽極16-1、絕緣層16-2和陰極16-3，陽極16-1和陰極16-3貼附于絕緣層16-2兩側。表層藻水收集單元吸取的藻類與營養(yǎng)鹽通過相鄰兩對雙面復合電極16的陽極16-1與陰極16-2之間的縫隙，進入藻水流動控制單元。陽極16-1一般采用鋁板或鐵板，陰極16-3為不銹鋼等材質，厚度約5mm-1cm。電解過程中，陽極16-1不斷消耗并釋放出Al³⁺或Fe³⁺，陰極16-3電解水生成OH-，二者之間形成具有絮凝作用的Al(OH)₃或Fe(OH)₃，快速將絮凝反應單元藻水中的藻類、氮磷等營養(yǎng)鹽形成藻類絮體22和顆粒沉淀。與此同時，電解過程中還能產(chǎn)生一些具有氧化作用的活性物質如H₂O₂、O₃、˙OH、˙O2-等，能夠快速殺滅藻類。出于節(jié)能和確保電絮凝效率考慮，相鄰兩對雙面復合電極16之間的間距不大于1.5cm，絮凝反應時間一般在2分鐘以內。

4.藻水流動控制單元與藻水絮凝反應單元相連，是浮體平臺27收集、處理與排放表層藻水的關鍵動力。藻水流動控制單元包括轉刷21及與轉刷21驅動連接的電機7，電機7與蓄電池6相連，電機7帶動轉刷21轉動，引導絮凝反應單元內的藻水、藻類絮體22及營養(yǎng)鹽沉淀按序進入藻類與營養(yǎng)鹽分離單元，并最終通過清潔藻水排放單元外排。轉刷21的轉動速度直接影響表層水體藻類與營養(yǎng)鹽的收集分離效率，轉動越慢，水面藻類與營養(yǎng)鹽的收集精度與處理效率越高，但處理量越小，實際運行過程中，綜合考慮藻類與營養(yǎng)鹽收集處理能效，確定適宜的轉刷21轉速。

5.絮凝劑備用投加單元與藻水流動控制單元相連，當藻水中藻類密度或營養(yǎng)鹽濃度過高，抑或電絮凝效率不理想時，通過絮凝劑備用投加單元定量投放絮凝劑，確保對表層藻水中的藻類和營養(yǎng)鹽進行有效去除。絮凝劑備用投加單元包括加藥罐8、加藥泵9、計量閥10、加藥管20與藥劑投加噴頭19，加藥罐8中預先配置的絮凝劑(無機類絮凝劑如聚合氯化鋁，有機類絮凝劑如聚丙烯酰胺等)溶液通過加藥泵9、計量閥10、加藥管20和藥劑投加噴頭19進入藻水流動控制單元，與藻類與營養(yǎng)鹽鹽進行均勻混合。

6.藻類與營養(yǎng)鹽分離單元與藻水流動控制單元相連，內部設置有布水隔板26，布水隔板26均勻開孔，表層水體中的藻類與營養(yǎng)鹽充分絮凝后，通過布水隔板26，均勻進入位于布水隔板26上面的變徑濾料24(如活性炭纖維等)，自下而上連續(xù)通過大、中、小孔隙的層層過濾與攔截，促使藻類絮體22與營養(yǎng)鹽沉淀逐漸分離與沉降，進入藻類與營養(yǎng)鹽分離單元底部的絮體收集箱23。經(jīng)變徑濾料24分離藻類與營養(yǎng)鹽后的低藻清水進入清潔藻水排放單元的出水口2，排入浮體平臺27的外部。

7.浮體平臺27的動力驅動單元為兩個螺旋槳推進器25，蓄電池6與螺旋槳推進器25相連，通過兩個螺旋槳推進器25的速度差實現(xiàn)浮體平臺的移動與轉向。

8.蓄電池6給藻水絮凝反應單元內的雙面復合電極16，藻水流動控制單元的轉刷21、絮凝劑備用投加單元的加藥泵9、動力驅動單元的螺旋槳推進器25以及浮體平臺的控制平臺3供電。

9.如圖7所示，浮體平臺27的控制平臺3與雙面復合電極16、螺旋槳推進器25、轉刷21、加藥泵9連接，用于控制動力驅動單元的螺旋槳推進器25速度、藻水流動控制單元的轉刷21轉速和絮凝劑備用投加單元的加藥泵9流量，促使表層藻水中的藻類與營養(yǎng)鹽高效收集與分離。

10.具體實施時，可采取單個裝置在某一水域長期運行，也可采用多個裝置集中短期同時運行。為了減少裝置凈化后的出水對周邊水域的稀釋，還可以將待處理水域設置圍隔，把裝置出水口2的排水輸送至圍隔外排放。另外，為縮短處理周期或應對光照不足，還可利用岸邊電源為裝置的蓄電池6供電。

本發(fā)明主要依靠蓄電池供給電能，吸取表層藻水，電解陽極獲得藻類與營養(yǎng)鹽的絮凝劑，借助藻水的有序流動將藻類、營養(yǎng)鹽和絮凝劑有效摻混，通過絮凝作用使藻類與營養(yǎng)鹽生成沉淀，然后利用變徑濾料過濾，快速分離與濃縮藻類與營養(yǎng)鹽，實現(xiàn)表層水體藻類與營養(yǎng)鹽的原位收集與分離，該裝置野外工作能力強，藻類和氮磷等營養(yǎng)鹽的去除效果好，動力消耗少，運行成本低，維護簡單，無化學藥劑污染和固體廢物產(chǎn)生，濃縮的藻類與營養(yǎng)鹽沉淀能直接用作肥料。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何屬于本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。