自調(diào)節(jié)浮島裝載型河道水處理系統(tǒng)

文浙江省杭州市外國語學(xué)校 趙耘凡

目前我國水質(zhì)污染問題突出，許多水系污染超標(biāo)。針對污染河道的水處理技術(shù)也層出不窮，如浮島種植、曝氣處理、生物填料、菌種投放等，這些技術(shù)各有特色，并適宜于不同水質(zhì)。但上述技術(shù)通常都要獨(dú)立實(shí)施，安裝成本較大。

針對這一現(xiàn)狀，本人在原專利（申請?zhí)枺?01210211639.5）的基礎(chǔ)上，提出了基于水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)控的浮島裝載型曝氣系統(tǒng)，將微孔曝氣裝置裝載在浮島上，使其利用浮島的浮力隨水位上下浮動，無需在水底固定或人工調(diào)節(jié)曝氣管高度。

曝氣機(jī)的運(yùn)行基于實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時(shí)在浮島的框架上懸掛生物填料，使其和曝氣裝置相輔相成，提高水處理效率，節(jié)約成本和能源。

系統(tǒng)原理及組成

圖1 系統(tǒng)整體示意圖

本系統(tǒng)的整體框架如圖1所示，主要由浮島及其固定升降裝置、微孔曝氣系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)及生物填料組成。浮島上部為植物浮床，浮床可以是各種合適形狀，由各種牢固材料制成，浮床上布置相應(yīng)的植物美化景觀（見圖2），植物根系吸收水中有害物質(zhì)，浮床同時(shí)能為浮島裝載的曝氣裝置提供浮力。

浮島中層為金屬框架，用于放置微孔曝氣管（圖3）和水質(zhì)監(jiān)測傳感器（圖4），同時(shí)可懸掛生物填料（圖5）。浮島下層安裝底板，防止水位過低時(shí)浮島上的曝氣系統(tǒng)受損。浮島還配有垂直升降的固定裝置，防止在水中位移過大影響處理效果。

圖2 植物浮島

圖3 微孔曝氣管

圖4 氨氮檢測儀

圖5 生物填料

實(shí)際使用過程中，在線水質(zhì)測定儀實(shí)時(shí)監(jiān)測水質(zhì)狀況，將信息反映給處理器，由處理器根據(jù)指定條件決定鼓風(fēng)機(jī)開關(guān)狀態(tài)。鼓風(fēng)機(jī)開啟后，氣體通過輸氣管、水中的軟管、各個(gè)浮島上的輸氣管將氣體輸送至浮島上的微孔曝氣管，從而實(shí)現(xiàn)曝氣。本系統(tǒng)采用的鼓風(fēng)機(jī)、處理器（PLC）和水質(zhì)分析系統(tǒng)則位于陸地設(shè)施內(nèi)。

與通常使用的河道水處理系統(tǒng)相比，上述系統(tǒng)有以下優(yōu)勢：

1.實(shí)現(xiàn)了浮島、微孔曝氣系統(tǒng)、生物填料三位一體的水處理方式，綜合利用了各種水處理方法的長處，通過集約化的方式，大大提高水處理效率，降低成本。

2.微孔曝氣所需風(fēng)力小，節(jié)省電力資源。以往在應(yīng)用上受困于河底安裝需要排水、找平，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；河道由于季節(jié)或天氣等原因水位變化很大，水位過高會引起曝氣管壓力過大，導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)燒壞，水位過低則會引起過量氣泡浮出水面影響美觀。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)則比較徹底地解決了這些問題，為微孔曝氣在河道水處理中的應(yīng)用提供了良好的解決方案。

3.本系統(tǒng)依據(jù)水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果，對曝氣系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以大大降低能耗，減少盲目性，有效解決了曝氣系統(tǒng)由于耗電量過高難以推廣應(yīng)用的難題。

系統(tǒng)細(xì)化設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在實(shí)施中可以選用多個(gè)浮島在河道兩岸排成序列，以達(dá)到較明顯的水處理效果（如圖6，浮島A-A斷面見圖7）。具體設(shè)計(jì)時(shí)，必須綜合考慮各系統(tǒng)協(xié)同工作，并具有足夠的安全度和可靠度。

圖6 浮島俯視圖

一、水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

1.在浮島框架內(nèi)，根據(jù)實(shí)際水質(zhì)情況放置在線水質(zhì)傳感器，如氨氮、COD等。

2.分析儀和傳感器相連，可置于岸基上，并通過線纜將數(shù)據(jù)傳送至處理器。處理器（PLC）安置在岸邊建造的機(jī)房內(nèi)，根據(jù)預(yù)先編寫的程序，控制鼓風(fēng)機(jī)電源的開關(guān)。

3.根據(jù)實(shí)際需要，可使監(jiān)測系統(tǒng)形成物聯(lián)網(wǎng)——將處理器（PLC）與電信寬帶連接，將實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過電信寬帶傳輸至指定的計(jì)算機(jī)。人們可以在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上看到同一河道中多組水處理系統(tǒng)測出的數(shù)據(jù)，觀察河道總體水質(zhì)狀況及各系統(tǒng)工作情況。

二、曝氣系統(tǒng)

目前水處理曝氣設(shè)備很多，如推流曝氣、浮筒曝氣、微孔曝氣、膜盤曝氣等，這些曝氣設(shè)備均可安裝在本系統(tǒng)中。

本系統(tǒng)建議選擇微孔曝氣方式，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：360°打孔，出氣更加均勻，不存在曝氣死區(qū)；更適應(yīng)曝氣量要求很大、水面處理面積相對較小的情況。

鼓風(fēng)機(jī)通過輸氣管、水中的軟管、各個(gè)浮島上的輸氣管將氣體輸送至浮島上的微孔曝氣管。輸氣管可分別和若干個(gè)浮島的輸氣管之間用軟管聯(lián)接，使各個(gè)浮島氣體輸送均勻。由于浮島隨水位同步升降，微孔管離水位面高度基本固定，不易發(fā)生水深過大引起鼓風(fēng)機(jī)燒壞的情況。浮島中層并排排列有兩組微孔管，曝氣管長度約1米，深度約0.5米至3.0米，曝氣量0～10m3/h·m；同組中兩根曝氣管間距20厘米左右。所采用的鼓風(fēng)機(jī)為羅茨風(fēng)機(jī)，功率0.75至10千瓦，風(fēng)量根據(jù)實(shí)際工作情況設(shè)計(jì)。

三、生物填料

城市河道中經(jīng)常出現(xiàn)富營養(yǎng)化問題，大多是由于含氮、磷污水的排入造成的，其中被藻類利用的氮以氨氮形式存在。生物填料可充當(dāng)水中微生物的載體，在生物填料中培養(yǎng)用于生物硝化作用的細(xì)菌，以去除水中的氨氮，防止水體惡化；浮島中采用模擬天然水草形態(tài)的軟性填料。

圖7 浮島A-A斷面

圖8 低水位浮島斷面

四、浮島及支撐系統(tǒng)

浮島上部為種植床，可以采用泡沫格柵結(jié)構(gòu)的種植床，種植床種有植物并能為浮島裝載的曝氣裝置提供浮力，植物可以是美人蕉、香菇草、黃菖蒲等，它們具有一定吸收水中有害物質(zhì)的能力。

浮島的框架由防水耐腐蝕的空心鍍鋅鋼管等金屬材料制成，可以為寬1至3米、長3至10米左右的長方體框架，兩個(gè)較長的側(cè)面各焊接兩組鋼管，和底面連成三角形，加固框架。

浮島配有垂直升降的固定裝置，防止在水中發(fā)生位移影響處理效果。升降裝置由兩截空心鋼管組成，一根較粗鋼管（如直徑100毫米）打樁固定于河床上，另一根鋼管插入其中與浮島框架固定，隨浮島自由上下浮動；浮島下安裝底板，當(dāng)水位降低時(shí)，底板可以支撐整個(gè)系統(tǒng)（如圖8），從而防止曝氣系統(tǒng)等受損。

在以往申請專利的基礎(chǔ)上，本文提出了浮島、微孔曝氣系統(tǒng)、生物填料三位一體的水處理系統(tǒng)，利用實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了高效率、低能耗地對河道水進(jìn)行綜合治理。

由于施工困難以及水位升降引起的問題，以往的微孔曝氣系統(tǒng)在河道水處理中難以推廣應(yīng)用，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大大克服了這些問題，并提高了水處理的針對性。

未來結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控處理。隨著我國對環(huán)保及河道水處理的日益重視，預(yù)期本系統(tǒng)能夠獲得更加廣泛的應(yīng)用，并在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的提升。