一种水体净化用筒体的制作方法

本发明涉及水环境保护技术领域，具体是一种水体净化用筒体，可以用于城镇缓流水体或黑臭水体的水质净化。

背景技术：

城市黑臭水体不仅给群众带来了极差的感官体验，也是直接影响群众生产生活的突出水环境问题。城市水体出现黑臭主要是过量纳污导致水体供氧和耗氧失衡的结果，水体缺氧乃至厌氧条件下污染物转化并产生氨氮、硫化氢、挥发性有机酸等恶臭物质以及铁、锰硫化物等黑色物质，导致水体的感官非常差。

根据《城市黑臭水体整治工作指南》，城市黑臭水体的整治应按照“控源截污、内源治理；活水循环、清水补给；水质净化、生态修复”的基本技术路线具体实施。黑臭水体现有的处理方法一般是物理法、化学法和生物法，但是物理法投资成本高，见效慢，化学法则存在使用成本高，容易造成水体二次污染的问题，生物方法在河流黑臭治理中的应用十分广泛，主要有人工湿地处理、水生植物恢复、生物修复等，但是生物法目前存在处理速度慢的问题。

由于黑臭水体多是缓流水系，且污染物负荷较大，提高黑臭水体的自我净化能力对维持长效的水质保障具有决定性意义。构建岸带修复生态系统如植草沟、生态护岸、透水砖等对于降低污染负荷具有一定的意义，但是对于黑臭水体的自我净化能力的提高作用微乎其微。而人工增氧对于水体自净能力虽然有所改善，但一般主要适用于整治后城市水体的水质保持，具有水体复氧功能。而对于黑臭水体特别是经过各种措施控制后污染负荷仍维持较大的水体，显然这些方式不足以维持水体的良好水质。

对于水体复氧这种方式，如果在复氧的同时维持复氧区有一定量的活性微生物，通过微生物的代谢去除进入水体的主要污染物，这对于维持水体水质具有根本性的意义。根据传统的生物降解原理，如果维持一定的微生物量，且控制好氧与缺氧、厌氧的交替变化，水体中的有机物、氨氮、总氮等多种污染因子可以被有效去除，总磷亦有一定的去除效果。黑臭水体供氧相对比较简单，但是如何在供氧区附近维持一定量的微生物而不流失，目前没有特别有效的方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺陷和不足，提供一种水体净化用筒体，通过设置双填料(弹性填料和悬浮填料)的方式将缺氧-好氧生物膜技术引入到黑臭水体治理领域，利用倒置上小下大的锥形隔筒将填料区域控制形成两个相对独立的区域，并且利用升流筒内部曝气形成的循环效果将填料区的生物膜层分隔为缺氧和好氧区，以实现黑臭水体高效低能耗的水质净化。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种水体净化用筒体，其特征在于：包括有没入水体中的升流筒，所述升流筒的底端连接有与其相通且上小下大的锥形隔筒，升流筒上部的四周侧壁上分别设有若干个通孔，位于所述升流筒底部的水体中设置有曝气器，所述锥形隔筒的内部水体中分别设有附着有生物膜的若干颗悬浮填料，锥形隔筒的内部在所述若干颗悬浮填料的上下方分别对应固定有上格网和下格网；所述升流筒和锥形隔筒的外部水体中分别设有垂入其中的若干支弹性填料，所述的若干支弹性填料上均附着有生物膜，所述的升流筒和锥形隔筒将所在区域的水体分隔成位于筒外的好氧区和位于筒内的缺氧区；曝气时，所述升流筒内的水所述在曝气器工作时所产生的上升气泡的带动下向上流动，从所述升流筒的顶端和所述的若干个通孔溢出筒外或直接从所述若干个通孔溢出筒外，到达所述升流筒的外部，再经所述锥形隔筒的底端回到锥形隔筒的内部，依次循环形成循环水流。

进一步的，所述升流筒和锥形隔筒所在水体的水面上设置有横杆，升流筒的顶端通过缆索挂装于所述横杆上，且升流筒的顶端与所述横杆之间具有间隙。

进一步的，所述的横杆架设并固定于支架上，所述支架的下端均固定于水底，支架的上端均伸出水面。

进一步的，所述若干支弹性填料的顶端分别悬挂在所述横杆上，且若干支弹性填料的底端均连接有承重球。

进一步的，所述的锥形隔筒由呈倾斜设置的若干块隔板围成，每块隔板与水平面之间的夹角为45～50°；锥形隔筒下端口的直径为2.5～3.5m。

进一步的，所述的曝气器采用盘式微孔曝气器，曝气器位于所述升流筒与锥形隔筒的连接处；曝气器的中心线与所述升流筒和锥形隔筒的中心线处于同一直线上，曝气器的外径略小于所述升流筒的内径。

进一步的，所述的曝气器通过空气管道连接有气泵。

进一步的，所述的上格网呈v形。

进一步的，所述上格网和下格网的网孔直径均小于所述若干颗悬浮填料的平均直径。

进一步的，所述锥形隔筒的底端固定连接有环形挡流板。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过设置双填料(弹性填料和悬浮填料)的方式将缺氧-好氧生物膜技术引入到黑臭水体治理领域，利用倒置上小下大的锥形隔筒将填料区域控制形成两个相对独立的区域，并且利用升流筒内部曝气形成的循环效果将填料区的生物膜层分隔为缺氧和好氧区，实现了黑臭水体高效低能耗的水质净化。

2、本发明结构简单，总重量小，造价较低，不堵塞，运行可靠，水质净化效果好，对于bod5、cod、总氮和氨氮有较好的去除效率，对水体的臭味和色度亦有去除或降低的功效。

附图说明

图1为本发明结构示意图，图中箭头方向表示水流方向。

图2为图1中a部分的结构放大示意图。

图3为图1中b部分的结构放大示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-3，一种水体净化用筒体，包括有没入水体中的升流筒1，升流筒1的底端连接有与其相通且上小下大的锥形隔筒2，升流筒1上部的四周侧壁上分别设有若干个通孔3，位于升流筒1底部的水体中设置有曝气器4，锥形隔筒2的内部水体中分别设有附着有生物膜的若干颗悬浮填料5，锥形隔筒2的内部在若干颗悬浮填料5的上下方分别对应固定有上格网6和下格网7；升流筒1和锥形隔筒2的外部水体中分别设有垂入其中的若干支弹性填料8，若干支弹性填料8上均附着有生物膜，升流筒1和锥形隔筒2将所在区域的水体分隔成位于筒外的好氧区9和位于筒内的缺氧区10；曝气时，升流筒1内的水在曝气器4工作时所产生的上升气泡的带动下向上流动，从升流筒1的顶端和若干个通孔3溢出筒外或直接从若干个通孔3溢出筒外，到达升流筒1的外部，再经锥形隔筒2的底端回到锥形隔筒2的内部，依次循环形成循环水流。

本发明中，升流筒1和锥形隔筒2所在水体的水面上设置有横杆11，升流筒1的顶端通过缆索12挂装于横杆11上，且升流筒1的顶端与横杆11之间具有间隙。由此，实现升流筒1和锥形隔筒2的固定，实现将升流筒1和锥形隔筒2没入待处理的水体中。

相应的，横杆11架设并固定于支架(图中未示出，下同)上，支架的下端均固定于水底，支架的上端均伸出水面。由此，实现对横杆11的安装，保持其位于水面，或水面以上或以下。

相应的，若干支弹性填料8的顶端分别悬挂在横杆11上，且若干支弹性填料11的底端均连接有承重球13。由此，能够保证若干支弹性填料8在水体中的稳定性，减少水流对其造成的影响，并能够防止相互缠绕。

本发明中，锥形隔筒2由呈倾斜设置的若干块隔板围成，每块隔板与水平面之间的夹角为45～50°；锥形隔筒2下端口的直径为2.5～3.5m。

本发明中，曝气器4采用盘式微孔曝气器，曝气器4位于升流筒1与锥形隔筒2的连接处；曝气器4的中心线与升流筒1和锥形隔筒2的中心线处于同一直线上，曝气器4的外径略小于升流筒1的内径。

相应的，曝气器4通过空气管道15连接有气泵(图中未示出，下同)。由此，可由气泵经空气管道15向曝气器4供气。

本发明中，上格网6呈v形。此，在能够阻挡若干颗悬浮填料5，防止其进入升流筒1内部的前提下，能够减少对上升的水流所造成的阻力，有利于水在筒内外循环。

此外，上格网6和下格网7的网孔直径均小于若干颗悬浮填料5的平均直径。由此，能够最大程度的保证若干颗悬浮填料5不会发生流失。

锥形隔筒2的底端固定连接有环形挡流板14。

以下结合附图对本发明作进一步的说明：

本发明通过升流筒1和锥形隔筒2将填料区域，即将升流筒1和锥形隔筒2所在区域的水体分为两个部分，筒外是好氧区9，而筒内则是缺氧区10，升流筒1和锥形隔筒2将水域也自然分隔为筒外区域和筒内区域，曝气时，升流筒1内的水在上升气泡的带动下向上流动，从升流筒1的顶端和若干个通孔3溢出筒外(水位高于升流筒1的顶端时)或直接从若干个通孔3溢出筒外(水位低于升流筒1的顶端时)，到达升流筒1的外部，再经锥形隔筒2的底端回到锥形隔筒2的内部，依次循环形成循环水流，即缺氧区10的水流流走，可以通过升流筒1从而无动力进入好氧区9，实现水流的循环。

为了确保气泡带动的循环水流能够在筒内外形成缺氧区10和好氧区9，气泵的供气量及由供气量决定的升流筒1的上升流速、填料区域的容积大小是关键因素。若曝气过于强烈，推动水流很短时间即循环一次，生物膜的缺氧区与好氧区界限不明显，影响脱氮功能的发挥；若曝气强度过弱，供氧不足因而好氧区难以维持有氧环境，导致硝化难以完成，而且曝气过弱，对水流的推动作用减弱，缺氧好氧的循环也将难以实现。根据生物化学反应对于溶解氧浓度的要求，一般缺氧区10的do浓度适宜于在0.2～0.5mg/l范围，而好氧区9可以在2mg/l以上。

需要说明的是，好氧区9理论上需要的do浓度是>2mg/l，但是在生物膜体系中，微生物的浓度不是特别高，do浓度可以在较大的范围内变化而不影响生物净化作用。

在升流筒1内，大量小微气泡推动水流向上运动，其运动规律类似于异重流(气泡密度比水小，形成的气水混合液密度低于水的密度)且兼顾剪切流(大量气泡向上运动，由于边缘的剪切导致水流也向上运动，但水流流速低于气泡流速)。气泡直径的大小对水流影响较大，气泡直径小，异重流效果强而剪切流效果弱；反之亦然。实际上由于曝气过程气泡会一定程度存在气泡合并现象，故实际水流的推动力由主要来自异重流和剪切流的混合，且在上升过程中异重流有减弱而剪切流有逐渐增强趋势(气泡的上升速度会逐渐加快)。此外，由于曝气器4难以准确控制曝气气泡的大小，气泡大小通常是一定范围的分布，且水深和温度还直接影响气泡大小(水深大则压力大气泡体积小，温度高则气泡体积大)，故此种情况极为复杂，难以直接进行准确的理论分析。

为此，通过曝气模拟实验，当采用盘式微孔曝气器(设备参数显示曝气气泡直径0.9～1.0mm)时，若控制气泵的供气量为50l/min，同时，升流筒直径为300mm，曝气器4的直径为260mm，而曝气器4布置在水深，即水面以下2～3m左右，上升通道(升流筒1的内部)的气泡和水的流速可以超过0.15～0.20m/s，相当于产生一个升流流量不低于10.6l/s的效果。当锥形隔筒2(内部为填料区域和非填料区域)的高度为3.5m，锥形隔筒2的下端口直径为3.0m时，再考虑到回流的区域实际上还包括筒外的一定范围，按照非填料区域容积占填料区容积的50％考虑，则水流循环一次的平均时间为58.3min，十分理想。当氧利用率按照15～18％考虑(优质曝气器在理想状况下可以达到40％，考虑到曝气器布置深度较小，实际状态与理想状态还有差异故取低值)，则平均供氧强度为3.2～3.84mg/l，即相当于回流流入好氧区9的水体的do浓度获得3.2～3.84mg/l的增量效果，也十分理想。

据此，当设备参数合适，本发明可以在获得合适供氧量的基础上同时满足反应装置理想的水力的停留时间要求。由于供应空气量较为容易调节，故上述参数还可以根据实际运行效果而灵活进行调节。

基于上述分析可知，为了避免曝气时形成短流以及保持合适的氧利用率，升流筒1的高度不宜太低；此外，为了改善水流且控制缺氧区10与好氧区9容积的比例在合适范围，即缺氧区与好氧区的容积比为1∶2.5～1∶3.5，在水深允许的条件下，在锥形隔筒2的底端可以设置环形挡流板14。

若干支弹性填料8布置在筒外，呈垂直放置，每支弹性填料的上端均需要固定，即固定在横杆11上，下端通过设置承重球13实现填料的垂直。在锥形隔筒2平面投影的全部范围内均匀布置填料。缺氧区10的填料为悬浮填料，可以采用直径30～50mm的塑料轻质材料，当生物膜形成后填料的视密度与水的密度应该略微高于水的密度。悬浮填料的密度过大会导致填料集中在下格网7所在的区域，密度过小填料会集中在上格网6所在的区域，这些均会影响质量传递从而影响水质净化效果。设置上格网6和下格网7的目的是拦截填料，避免流失，从而避免填料流出缺氧区10或流失到周边水域。

上格网6设置在升流筒1与锥形隔筒2的连接处，且位于曝气器4的下方，目的是拦截悬浮填料，避免悬浮填料随水流失。上格网6可与曝气器4整体连接在一起，当需要检修或更换悬浮填料时，将曝气器4连同上格网6整体移出水面，然后从升流筒1处抽吸缺氧区的水(或者在装置底部临时进行强烈曝气也可)，处于锥形隔筒2内的悬浮填料可以全部随水流出。

运行时，气泵将空气压缩，然后通过空气管道15输送到曝气器4进行曝气。曝气器4产生的微气泡对水进行供氧，气泡会逐渐上升，由于曝气器4位于升流筒1的底部，故气泡与水的混合流会通过升流筒1上升直至到达好氧区9。在此过程中部分微气泡逐渐聚合为小气泡，到达水面后气泡会与水分离，水在上升的过程中获得了供氧。到达水面后气泡破裂消失，水流则因为推流作用而进入好氧区9。在升流筒1的水流作用下，缺氧区10的水流补充到曝气器4处，从而形成好氧-缺氧的不断循环。由于在填料上已经形成了大量的生物膜，在生物膜作用下，在好氧区9有机物和氨氮被分解，有机物彻底矿化转化为co2和h2o等，氨氮或含氮有机物的氮被转化为硝酸盐和亚硝酸盐。水流进入缺氧区10后，硝酸盐和亚硝酸盐中的氮被转化为氮气从而去除。生物膜增加到一定程度会脱落沉淀到水底，积累到一定程度水体底部的沉积物需要进行污泥的清理。

当水体水位处于低水位状态时，水全部通过设置在升流筒1上部的若干个通孔3(孔顶低于最低水位0.2～0.3m)进行循环；当水体水位处于常水位或高水位，由于若干支弹性填料8和升流筒1均处于淹没状态，故曝气时会有一部分气泡和水从升流筒1的顶端溢出，顶端溢出的水流(气泡溢出后会破裂)没有填料的阻力会向四周扩散。若水体有定向的流动，则会在定向流动的下方向一定范围内实现供氧的效果；若水体没有定向流动，则会以装置中心为圆心向一定直径范围内的水体表层供氧。此种情况下需要加大曝气强度，提高供气量。如此设置的目的是确保在装置近距离的水体获得生物净化效果的同时，可以在装置以外一定范围获得供氧而维持水质，特别是在湖流不明显的条件下为了避免只能对装置很近距离的周围水体起到净化效果，这样通过溢流与扩散可以促进水体的大循环，从而保证装置的有效作用范围较大。

供氧量与循环流量必须能够满足微生物对溶解氧状态的要求(即好氧与缺氧状态)。溶解氧状态分析，好氧状态是理论do浓度在2mg/l以上(实际运行可以稍低于该值)，缺氧状态为do浓度在0.20～0.50mg/l左右。曝气器4的供气量以及由供气量决定的升流流量与单一装置模块的大小必须协调，否则会导致系统运行不良甚至失败。当曝气器4的供气量在50l/min，曝气器4在水中的深度为2～3m时，升流筒1的内径可以为250～350mm，满足供氧与回流流量的要求。若污染水体深度大，升流筒1的直径取更大值，则可以采用更大曝气供气量，曝气的淹水深度亦可采用更大的数据。具体取值可以根据水体深度、湖流等情况综合考虑布置。

本发明适用于水深大于4.0～4.5m的黑臭水体，水深在4～7m范围均较为适宜。本发明的运行控制参数为do值，在缺氧区与好氧区的连接处布置do测定仪的探头，即在好氧区9的底部，即环形挡流板14的外侧面布置do测定仪的探头，当监测do值低于0.3±0.1mgl时，则应该增加曝气空气量；当监测do值大于0.80±0.2mgl时，则应该减少曝气空气量。

do测定仪的探头还可位于升流筒1和锥形隔筒2外部的水体中，即好氧区9内，以do测定仪的探头位于锥形隔筒2底端环形挡流板14的外侧为最佳方案，当监测do值低于0.3±0.1mgl时，则应该增加曝气空气量；当监测do值大于0.80±0.2mgl时则应该，则应该减少曝气空气量。

两种填料中，悬浮填料的形状、密度和尺寸都非常重要。悬浮填料形状为球形，若采用其他形状容易导致在上格网处积聚而影响效果。悬浮填料的直径以30～50mm为佳，过大容易导致填料内部传质受到影响，过小则上格网的网孔直径很小，容易发生堵塞。因为悬浮填料上负载(附着)生物膜后，其生物膜部分的视密度一般在1.01～1.02左右，即略微大于水的密度，本发明要求负载生物膜后的悬浮填料整体密度(仅仅为固体部分，不包括空隙中的水部分)略微大于水的密度，故悬浮填料的密度以≈1.00为佳。这样负载生物膜后的悬浮填料其整体密度会在1.005～1.010左右，在静止或几乎静止的水中能够下沉，而当水流有一定的扰动或流动，悬浮填料能够有足够的移动性。当生物膜负载量过大，可以采用在装置底部临时性猛烈曝气促使悬浮填料随水流迅速流动而碰撞，过量负载的生物膜即可脱落。

弹性填料参数与布置要求不高，只需要维持内疏外密且按照同心圆形状布置即可。为了保持水流畅通，避免弹性填料负载生物膜后发生靠近粘接结团现象，弹性填料之间需要留有一定的间隙。运行初期未挂膜的弹性填料重量非常小，为了避免初期发生缠绕，除保持每支弹性填料之间有一定距离外，还采用底端悬挂承重球的方式，这样弹性填料就只需要上端固定，悬挂在横杆11上即可，当需要检修时可以直接将一支弹性填料取下，操作较为方便。若干支弹性填料8的高程布置需要满足其上端高于升流筒1上部若干个通孔3的高程0.2～0.3m，弹性填料的顶部标高与最低水位一致，即使处于最低水位时弹性填料刚好处于淹没状态。

升流筒1的上部在最低水位处的下方设有若干个通孔3，若干个通孔3的高度以小于或等于升流筒1的直径为佳，若干个通孔3上部标高低于最低水位0.2～0.3m。若干个通孔3的过水断面面积之和以大于或等于升流筒1断面面积的1.5倍为佳。升流筒1的最高高程以高于若干支弹性填料8的顶部标高0.2～0.3m为佳，大体上比常水位略低。

锥形隔筒2由呈倾斜设置的多块隔板围成，理论上可以有多种形状，其横截面为圆形、矩形或多边形，优选情况，每块隔板与水平面之间的夹角为45°，每块隔板形状为三角形，四块隔板围成截去顶端的四角锥形，每块隔板的三边长度为2.500、2.165和2.165m。围拢后的锥形隔筒2在平面的投影形状为正方形，正方形的边长是2.50m。锥形隔筒2的顶端截去后，留直径300mm的圆孔，上面垂直安装升流筒1，升流筒1的高度为3.0m，在高度2.00～2.20m范围内四面分别设有若干个通孔3，若干个通孔的总面积为0.164m2，而升流筒1的横截面面积为0.071m2。

本发明的总高度为4.80m，其中升流筒1的高度为3.0m，锥形隔筒2的高度为1.10m，环形挡流板14的高度为0.70m。环形挡流板14的底端与水底保留0.40m的间隙，故水体的深度在高水位时为5.20m，低水位时为4.60m。当水位在其他范围变化，可以调节环形挡流板14的底端与水底的间隙高度或调节升流筒1的高度，以满足水位变化的需求。

缺氧区10和好氧区9的容积：缺氧区10的总容积为锥形隔筒2和环形挡流板14的容积之和，锥形隔筒2的容积为：2.50m×2.50m×1.25m×1/3＝2.60m3；环形挡流板14的容积为：2.50m×2.50m×0.70m＝4.38m3；合计约为7.0m3。好氧区9的容积为锥形隔筒2以上直至最低水位对应的部分，为：6.25m2×(1.25m×2/3+2.20+0.20)＝20.20m3；因此，好氧区9与缺氧区10的容积比为：20.20m3÷7.0m3＝2.89。

当采用的升流筒1的直径为300mm，可以采用曝气器4的直径为260mm，这样易于安装，其供气量为50l/min，曝气器4布置在水深2.40m处(以最低水位计)，升流筒1内的气泡和水的流速按照0.20m/s考虑，则平均水力停留时间约48min，在好氧区9的平均停留时间35.6min，在缺氧区10的平均停留时间12.4min，相当于处理循环流量1230m3/d，即日处理循环流量为1230m3。

虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

故以上仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。