CN114031181B - 一种漂浮水处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于水污染防治技术领域，尤其涉及一种漂浮水处理系统。所述系统将不同类型的漂浮水处理单元配置在水体的不同位置，通过调整曝气装置的曝气角度、在不同位置设置不同深度的挡板，从而在水平方向产生不同水流路径。水流路径中含有不同类型的基质，微生物可在基质上附着生长，结合微生物反应器提供的不同类型微生物，由多种类型基质、多个水流路径和多种类型的微生物协同作用，形成了不同的氧含量区以及化学反应链条功能区，提高了污染物处理效率，能实现多种污染物的处理。

Description

一种漂浮水处理系统

技术领域

本发明属于水污染防治技术领域，尤其涉及一种漂浮水处理系统。

背景技术

随着水污染防治行动计划的实施，城市污水处理率达到了90％以上，但是绝大多数的农村地区还没有污水收集处理系统，污水处理率很低，污水未经处理直接排入水体，对水体环境造成严重污染。农村水体污染严重，黑臭水体量多、面广。

在农村建立新的污水处理厂处理废污水面临巨大挑战，因农村人口居住分散，收集污水并将污水输送到污水处理厂需要建设大量的污水管道工程，成本高。因此，急需研发成本低、效果好的污水处理技术。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种漂浮水处理系统，包括：在河道中设置的遮挡物和长轴方向沿水流方向设置的漂浮水处理单元；所述漂浮水处理单元由：进口漂浮水处理单元101、回流漂浮水处理单元104、第一中际漂浮水处理单元102和第二中际漂浮水处理单元103组成；

在入水端设置遮挡物，遮挡物与河道一侧岸封闭连接，另一侧岸留有进水口；

在待处理水体环境中，将进口漂浮水处理单元101设置于进水口附近，使得液流按照9-7：1的比例向主流方向M和遮挡物方向N进行分流，在主流方向M的一侧设有中际漂浮水处理单元102，在遮挡物方向N的一侧设有回流漂浮水处理单元104；在第一中际漂浮水处理单元102和回流漂浮水处理单元104中间设置第二中际漂浮水处理单元103；使水流从进水口形成：进口漂浮水处理单元101——第一中际漂浮水处理单元102——第二中际漂浮水处理单元103——回流漂浮水处理单元104——进口漂浮水处理单元101环形回流；

待处理水体经回流处理后，经由靠近第一中际漂浮水处理单元102端的出水口流出，并在出水口段形成沉淀澄清区；

或

在湖泊池塘中设置遮挡板，将水体分为两部分，一侧设置进水口，另一侧设置出水口；将漂浮水处理单元设置在水体环境中，包括：在进水口的水体部分设置进口漂浮水处理单元101、第一中际漂浮水处理单元102，在出水口的水体部分设置第二中际漂浮水处理单元103和回流漂浮水处理单元104；在遮挡板的两个近岸边对称位置分别开设有第一引流口和第二引流口，使水体联通；使水流从进水口形成：进口漂浮水处理单元101——第一中际漂浮水处理单元102——第二中际漂浮水处理单元103——回流漂浮水处理单元104——进口漂浮水处理单元101环形回流；待处理水体经回流处理后，经由出水口流出，并在出水口段形成沉淀澄清区；

在所述回流过程中，

进口漂浮水处理单元101及曝气范围的区域内形成第一好氧区；

第一中际漂浮水处理单元102及曝气范围的区域内形成第二好氧区；

第二中际漂浮水处理单元103及其射流推动装置喷射的区域内形成厌氧区；

回流漂浮水处理单元104及曝气范围的区域内形成兼氧区；

水体沿回流路径形成第一好氧区——第二好氧区——厌氧区——兼氧区——第一好氧区；在不同的氧环境区域形成反应链，即有机物降解区——硝化反应区——反硝化反应区——硝化反硝化混合反应区——有机物降解区；

硝化反硝化混合反应区，是由于回流漂浮水处理单元104及曝气范围的区域临近入水口，因而氧含量相比于第二中际漂浮水处理单元103及其射流推动装置喷射的区域的氧含量进一步增加，进而发生硝化反应；同时处于第二中际漂浮水处理单元103发生反硝化反应的厌氧区水体，流入靠近入水口好氧区位置，利用入水口新流入水体的有机化合物(COD和BOD)发生异养反硝化反应。

所述漂浮水处理单元由漂浮水处理模块、微生物附着生长基质单元、曝气装置和控制系统构成；漂浮水处理模块采用多边形框架，框架内设置三维立体网络结构；通过漂浮水处理模块的三维立体网络结构悬挂设置微生物附着生长基质单元和曝气装置；漂浮水处理单元通过感知单元连接控制系统，进行水体参数监测，并控制曝气装置。

所述多边形框架为聚苯乙烯泡沫板高分子轻质密封管搭建成的轴对称六边形结构，至少7个相同的轴对称六边形结构拼接成轴对称型的漂浮水处理模块，确保漂浮水处理模块漂浮在水面；

采用7个相同的正六边形结构拼接成六边形的漂浮水处理模块，记作完全对称型漂浮水处理模块O；

采用13个相同的正六边形结构拼接成关于长轴对称、短轴对称且中心对称的漂浮水处理模块，在位于3条对称轴交点的正六边形结构中央垂直悬挂曝气装置，记作三对称型漂浮水处理模块B；

采用12个相同的正六边形结构拼接成关于长轴对称且短轴对称的漂浮水处理模块，在位于长轴对称轴上且关于短轴对称的2个正六边形结构中央分别垂直悬挂曝气装置，记作双对称型漂浮水处理模块C；

在仅悬挂定向曝气装置的漂浮水处理模块上，沿水流方向两侧的漂浮水处理模块框架外围垂直悬挂不透水膜，在不透水膜的作用下形成定向的水流通道，记作通道型漂浮水处理模块H；

进口漂浮水处理单元101采用双对称型漂浮水处理模块C，双悬挂多向曝气装置和定向曝气装置；

第一中际漂浮水处理单元102采用通道型漂浮水处理模块H，悬挂定向曝气装置，并沿水流路径两侧悬挂不透水膜；

第二中际漂浮水处理单元103采用完全对称型漂浮水处理模块O，并在底端安装射流推动装置；

回流漂浮水处理单元104采用三对称型漂浮水处理模块B，单悬挂潜水射流定向曝气装置。

三维立体网格结构由聚丙烯或聚氯乙烯高分子聚合物经热塑或模压固定在正六边形结构框架内。

所述多边形框架的形状还包括正方形、长方形、圆形、三角形。

所述微生物附着生长基质单元还设置微生物反应器子系统；所述微生物反应器子系统包括设置于植物根系和人工吸附填料底部的微生物反应器以及设置于漂浮水处理模块框架上方的气泵和液泵；微生物反应器为柱形容器，侧壁开设小孔，内部贯穿设置有曝气管；微生物反应器内围绕曝气管填充微生物固定化载体，微生物固定化载体上附着有一种或多种类型微生物；曝气管一端通过Y型管路同时与气泵和液泵联通，为微生物输送氧气和营养液；改变微生物反应器的长度，使同一个柱形容器横跨设置在两个以上微生物附着生长基质单元底部。

微生物固定化载体上附着有一种或多种类型微生物，微生物固定化载体的孔隙多、比表面积大，其粒径大于微生物反应器的外壁上的孔；当气泵开启时，空气通过管路进入曝气管，产生微小气泡，气泡从微生物反应器的内部扩散到外表面，并最终扩散到周围的水中；当液泵开启时，微生物所需的营养液通过管路进入曝气管，伴随气泡与微生物固定化载体接触，为微生物提供营养，加快微生物的生长繁殖；气泡向微生物提供氧气和营养物，并最终分散到周围的水中。气泵和液泵连续运行或交替运行；优选地，采用定时器提供交替周期性运行操作。

微生物反应器与微生物附着生长基质单元匹配，通过气、液泵的配合输入产生高含氧水，为微生物固定化载体上附着的微生物注入所需的营养物质的基础上，固定在微生物附着生长基质单元底部的微生物反应器，又能向微生物附着生长基质单元连续提供有益微生物；微生物的快速生长于繁殖，加速了自然矿化过程，减少了处理周期，达到了非常高的处理效果。

控制水流从短轴或长轴方向流经漂浮水处理单元，得到氧气含量不同的水体；流经短轴方向较长轴方向的水体，氧气含量高。

微生物附着生长基质单元包括上层植物种植区或上层植物种植区与下层人工吸附填料的组合。

上层植物种植区的植物包括挺水植物、漂浮植物、沉水植物；

下层人工吸附填料为比表面积大且适合微生物附着生长的人工填料，包括纤维织物、生物绳、组合填料、弹性填料、生物球和无机矿物填料。

第一中际漂浮水处理单元102下层人工吸附填料的生物球内填充沸石等对氨氮具有良好吸附效果的填料，从而提高硝化处理率；

第二中际漂浮水处理单元103和回流漂浮水处理单元104下层人工填料的生物球内填充铁基质填料或硫磺填料，提高自养反硝化处理率。

所述控制系统包括感知单元、分析单元和控制单元。所述感知单元用于测量水体的各种参数，所述分析单元包括多种算法程序，利用分析感知单元测定的各种参数值，通过程序计算达到预定的出水水质和处理效率需要调控的参数；所述控制单元用于根据分析单元计算的调控参数值触发系统的操作命令。

在河道中设置多个权利要求1所述的河道用漂浮水处理系统，以在前的河道用漂浮水处理系统的出水作为在后的河道用漂浮水处理系统的进水。

本发明的有益效果在于：

1.本发明一种模块化漂浮水处理系统以及该漂浮水处理系统的布置方法，适用于池塘、湖泊、河流等不同类型重污染水体和黑臭水体的原位处理。

2.本发明结合利用水体的回流过程以及微生物的好氧、厌氧和兼氧反应过程形成不同反应的反应链条，对污染水体得以处理。

3.本发明形成一系列生态处理区，区域内水生生物多样性丰富，包括生产者、捕食者、高等植物和动物等，形成了复杂的代谢途径，多样性的微生物过程提供了有效稳定的各类污染物去除效果，其中COD和氨氮的去除率达到了95％以上，总氮去除率74.5％以上，总磷去除率87.5％以上。

4.提供了宏观尺度化学反应大循环过程以及微观尺寸的小型再循环反应链效果，从而从整体和局部水域分别提高了处理效果，改善处理效能。

附图说明

图1a为完全对称型漂浮水处理模块O，由7块正六边形结构拼接的漂浮水处理模块，中间模块悬挂潜水离心式多向曝气装置；

图1b为完全对称型漂浮水处理模块O上设置三维立体网格结构的示意图；

图2为三对称型漂浮水处理模块B，13块正六边形结构拼接成长轴、短轴且中心对称的漂浮水处理模块，中间悬挂潜水射流定向曝气装置；

图3为双对称型漂浮水处理模块C，12块正六边形结构拼接成长轴和短轴对称的漂浮水处理模块，分别悬挂潜水离心式多向曝气装置和潜水射流定向曝气装置；

图4为通道型漂浮水处理模块H，漂浮水处理模块的外围悬挂不透水膜的结构示意图；

图5为悬挂多方向曝气装置的漂浮水处理模块截面图；

图6为在漂浮水处理模块种植上层植物种植区构成的微生物附着生长基质单元；

图7为在漂浮水处理模块悬挂下层人工吸附填料构成微生物附着生长基质单元；

图8为漂浮水处理模块上混合配置上层植物种植区和下层人工吸附填料作为微生物附着生长基质单元；

图9为微生物反应器子系统示意图；

图10为微生物反应器与气液泵管路连接示意图；

图11为微生物反应器剖面图；

图12a和图12b分别为设置在河道水体中的漂浮水处理系统示意图；

图13为设置在河道水体中的多个循环模式的漂浮水处理系统示意图；

图14为设置在湖泊、池塘水体中的漂浮水处理系统示意图；

其中：

1-漂浮水处理模块，2-定向曝气装置，3-多向曝气装置，4-可调节支架，5-不透水膜，6-泡沫挡板，7-植物，8-生物球，9-弹性填料，10-微生物反应器，11-Y型管路，12-气泵，13-液泵，14-曝气管，15-外壁孔，16-微生物固定化载体；

O-完全对称型漂浮水处理模块，B-三对称型漂浮水处理模块，C-双对称型漂浮水处理模块，H-通道型漂浮水处理模块；

101-进口漂浮水处理单元，102-第一中际漂浮水处理单元，103-第二中际漂浮水处理单元，104-回流漂浮水处理单元。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

实施例1

图1a是一个漂浮水处理模块的俯视图，漂浮水处理模块采用多边形框架，框架内设置三维立体网络结构；多边形框架为聚苯乙烯泡沫板高分子轻质密封管搭建成的正六边形结构，采用7个相同的正六边形结构拼接成一个更大的正六边形结构的漂浮水处理模块，确保漂浮水处理模块漂浮在水面。漂浮水处理模块的六边形框架结构由塑料管通过弯头法兰密封连接形成漂浮框架。漂浮框架的浮力大小与强度与所用塑料管的直径和壁厚有关，通过增加塑料管的直径和壁厚可以获得更大的浮力和更高的强度。

由图可知，采用7个相同的正六边形结构拼接成六边形的漂浮水处理模块1，记作完全对称型漂浮水处理模块O；在位于中心位置的正六边形结构中央通过可调节支架4垂直悬挂潜水离心式多向曝气装置3，产生多方向水流路径。利用可调节支架，实现曝气装置在深度、角度和方向上可调节，从而改变曝气装置的运行深度、角度，在水体的不同位置、不同方向上产生曝气水流，以达到最佳处理效果。

图1b为三维立体网格结构示意图，其是由聚丙烯或聚氯乙烯高分子聚合物经热塑或模压固定在正六边形结构框架内；三维立体网格增加了漂浮结构的强度，并且有利于在其上悬挂水生植物和附着生长基质作为微生物附着生长基质单元。

漂浮水处理单元通过感知单元连接控制系统，进行水体参数监测，并控制曝气装置。

每个漂浮水处理模块的形状不限，还包括正方形、圆形、长方形，每个漂浮水处理模块拼接的框架结构都是独立的，易于运输、拼接，能根据需要拼接安装成不同形状，从而获得优异的水处理效果。

实施例2

图2为采用13个相同的正六边形结构拼接成关于长轴对称、短轴对称且中心对称的漂浮水处理模块，在位于3条对称轴交点的正六边形结构中央垂直悬挂潜水射流定向曝气装置2，产生定向水流路径，记作三对称型漂浮水处理模块B。根据需要在各个方向上增加漂浮水处理模块的正六边形结构的个数，从而增加了水流路径上微生物附着生长基质的数量，提高污染物去除效果。

实施例3

图3为采用12个相同的正六边形结构拼接成关于长轴对称且短轴对称的漂浮水处理模块，在位于长轴对称轴上且关于短轴对称的2个正六边形结构中央分别通过可调节支架垂直悬挂一个潜水离心式多向曝气装置和一个潜水射流定向曝气装置，记作双对称型漂浮水处理模块C。

该实施例采用两个曝气装置联合作用，多向曝气装置用以增加水中曝气量，定向曝气装置用以产生定向水流路径，两个曝气装置共同作用产生一个与定向曝气装置相反的水流路径。

多向曝气装置的运转，增加了空气与水的接触时间，提高了氧气的传质速率。曝气气泡在水中运移的时间越长，氧气与微生物生长基质表面接触的时间越长，因而更有利于水体中的有机化合物(COD和BOD)在微生物的作用下发生降解作用，水体中的氨氮在自养硝化菌的作用下转化为硝酸盐。在好氧条件下，聚磷菌以游离氧为电子受体氧化胞内贮存的聚β-羟基丁酸盐(PHB)，利用该反应产生的能量过量地从污水中摄取磷酸盐，合成高能物质ATP和聚磷，将磷作为贮存物贮于胞内。此外好氧条件下植物根系在酶的作用下也能大量吸收磷，从而实现高效除磷的目的。

实施例4

如图4所示，在仅悬挂定向曝气装置的实施例1完全对称型漂浮水处理模块O或实施例2三对称型漂浮水处理模块B上，沿水流方向两侧的漂浮水处理模块框架外围垂直悬挂不透水膜5，在不透水膜的作用下形成定向的水流通道，记作通道型漂浮水处理模块H。

从沿水流路径两侧位置的漂浮框架上悬挂不透水膜到水体底部，不透水膜的底部悬挂重物，使不透水膜保持垂向。不透水膜表面粗糙，增加比表面积，既可以作为附着生物基质，还可以充当挡板；不透水膜采用在水流方向的两边平行悬挂的方式，从而更好的引导水流流动。

不透水膜为表面粗糙、比表面积较大的的土工布等纤维织物，利于微生物附着生长。

实施例5

图5是悬挂潜水离心式多向曝气装置的漂浮水处理模块截面图，多方向曝气装置能在多个方向上形成含有微小气泡的水流。曝气装置还包括鼓风机、扩散器、潜水自吸式曝气机或多方向水流涡轮机。漂浮框架的两侧设置泡沫挡板6，消除曝气装置产生的泡沫，防止泡沫进入其它漂浮水处理模块。悬挂多方向曝气装置的可调节支架能调节入水深度，从而改变曝气装置的运行深度，以达到最佳处理效果。

实施例6

图6、图7和图8为漂浮水处理模块上采用不同组合方式生长或悬挂微生物附着生长基质单元的示意图；图6为单独采用在漂浮水处理模块的三维网络结构上设置上层植物种植区形成微生物附着生长基质单元。图7为采用悬挂下层人工吸附填料构成微生物附着生长基质单元。图8为上层植物种植区和下层人工吸附填料混合构成微生物附着生长基质单元。

其他混合配置方式包括：在同一漂浮水处理模块的三维立体网格结构上种植植物得到在水下生长的植物根系并悬挂人工吸附填料；或在不同漂浮水处理模块的三维立体网格结构上分别种植植物得到在水下生长的植物根系，设置悬挂人工吸附填料。混合配置的微生物附着生长基质单元能形成高比表面积、不同密度、不同透水通量的微生物附着生长基质区。

上层植物种植区种植的植物7包括挺水植物、漂浮植物、沉水植物，下层人工吸附填料为比表面积大且适合微生物附着生长的人工填料，包括纤维织物、生物绳、组合填料、弹性填料9、生物球8和无机矿物填料。

上层植物种植区的植物根系和下层人工吸附填料均深入水中。植物的根部既可以作为微生物附着生长基质，同时还能分泌各种活性酶，有利于磷酸盐、重金属等污染物的去除。

实施例7

图9为微生物附着生长基质单元的植物根系和下层人工吸附填料的底部设置微生物反应器子系统的示意图。

微生物反应器子系统包括设置于植物根系和人工吸附填料底部的微生物反应器10以及设置于漂浮水处理模块框架上方的气泵12和液泵13；

由图10和图11的微生物反应器剖面图以及与气液泵管路连接示意图中可以看出，微生物反应器为柱形容器，侧壁开设小孔，内部贯穿设置有曝气管14；微生物反应器内围绕曝气管填充微生物固定化载体16，微生物固定化载体上附着有一种或多种类型微生物；曝气管一端通过Y型管路11同时与气泵和液泵联通，为微生物输送氧气和营养液；改变微生物反应器的长度，使同一个柱形容器横跨设置在两个以上微生物附着生长基质单元底部。

微生物固定化载体上附着有一种或多种类型微生物，微生物固定化载体的孔隙多、比表面积大，其粒径大于微生物反应器的外壁孔15。

气泵和液泵是小功率泵，其功率为50W～80W，气泵通过空气软管向微生物反应器供应空气，液泵通过软管向微生物反应器供应营养液。微生物反应器固定在微生物附着生长基质的底部，从而向微生物附着生长基质连续提供有益微生物，提高处理效果。

当气泵开启时，空气通过管路进入曝气管，产生微小气泡，气泡从微生物反应器的内部扩散到外表面，并最终扩散到周围的水中；当液泵开启时，微生物所需的营养液通过管路进入曝气管，伴随气泡与微生物固定化载体接触，为微生物提供营养，加快微生物的生长繁殖；气泡向微生物提供氧气和营养物，并最终分散到周围的水中。气泵和液泵连续运行或交替运行；优选地，采用定时器提供交替周期性运行操作。

微生物反应器与微生物附着生长基质单元匹配，通过气、液泵的配合输入产生高含氧水，为微生物固定化载体上附着的微生物注入所需的营养物质的基础上，固定在微生物附着生长基质单元底部的微生物反应器，又能向微生物附着生长基质单元连续提供有益微生物；微生物的快速生长于繁殖，加速了自然矿化过程，减少了处理周期，达到了非常高的处理效果。

实施例8

如图12a所示，在河流或沟渠的河道中设置遮挡物和漂浮水处理单元；漂浮水处理单元由进口漂浮水处理单元101、回流漂浮水处理单元104、第一中际漂浮水处理单元102和第二中际漂浮水处理单元103组成。

进口漂浮水处理单元101设置于进水口附近，使得液流按照9：1的比例向主流方向M和遮挡物方向N进行分流；在主流方向M的一侧设有第一中际漂浮水处理单元102，在遮挡物方向N的一侧设有回流漂浮水处理单元104；在第一中际漂浮水处理单元102和回流漂浮水处理单元104中间设置第二中际漂浮水处理单元103；使水流从进水口形成：进口漂浮水处理单元101——第一中际漂浮水处理单元102——第二中际漂浮水处理单元103——回流漂浮水处理单元104——进口漂浮水处理单元101环形回流。

由图12b可知，进口漂浮水处理单元101采用实施例3的双对称型漂浮水处理模块C，双悬挂潜水离心式多向曝气装置和潜水射流定向曝气装置；

第一中际漂浮水处理单元102采用实施例4中13块正六边形结构拼接成的通道型漂浮水处理模块H，悬挂潜水射流定向曝气装置，并沿水流路径两侧悬挂不透水膜；通过悬挂的不透水膜通道将水流引入第二中际漂浮水处理单元103；

第二中际漂浮水处理单元103采用实施例1的完全对称型漂浮水处理模块O，不悬挂曝气装置，而采用底端安装射流推动装置，使水流在射流推动装置的作用下回流经回流漂浮水处理单元104；

回流漂浮水处理单元104采用实施例2的三对称型漂浮水处理模块B，单悬挂潜水射流定向曝气装置。

采用实施例6方式生长或悬挂微生物附着生长基质单元，其中：

进口漂浮水处理单元101下层人工吸附填料为悬挂的纤维织物；

第一中际漂浮水处理单元102下层人工吸附填料悬挂纤维织物和生物球，生物球内填充沸石，对氨氮具有良好吸附效果的填料，从而提高硝化处理率；

第二中际漂浮水处理单元103和回流漂浮水处理单元104下层人工填料悬挂纤维织物和生物球，生物球内填充铁基质填料或硫磺填料，提高自养反硝化处理率。

以上四个漂浮水处理单元的上层植物种植区均种植的植物，包括挺水植物、漂浮植物、沉水植物。

1)在入水端例如河流排污口附近设置遮挡物，遮挡物与河道一侧岸封闭连接，另一侧岸留有进水口，使入水端的进水口处形成文丘里效应。在待处理水体环境中，设置于进水口附近的进口漂浮水处理单元101，使得液流按照9：1的比例向主流方向M和遮挡物方向N进行分流；进口漂浮水处理单元101采用实施例3的双对称型漂浮水处理模块C，双悬挂潜水离心式多向曝气装置和潜水射流定向曝气装置。

多向曝气装置的运转，增加了空气与水的接触时间，提高了氧气的传质速率；并且采用12个相同的正六边形结构拼接成的双对称型漂浮水处理模块C，使长轴方向沿水流方向设置，增大了水体流经的时间和路径维度，因此在进口漂浮水处理单元101及其曝气装置的射流范围内形成好氧区。曝气气泡在水中运移的时间越长，氧气与微生物生长基质表面接触的时间越长，因而更有利于水体中的有机化合物(COD和BOD)在微生物的作用下发生降解作用，得以去除。在第一好氧区的好氧条件下，聚磷菌以游离氧为电子受体氧化胞内贮存的聚β-羟基丁酸盐(PHB)，利用该反应产生的能量过量地从污水中摄取磷酸盐，合成高能物质ATP和聚磷，将磷作为贮存物贮于胞内。此外好氧条件下植物根系在酶的作用下也能大量吸收磷，从而实现高效除磷的目的。

2)多向曝气装置在增加水中含氧量的同时，与定向曝气装置配合，使水流向设置在主流方向M一侧的第一中际漂浮水处理单元102流动。在第一中际漂浮水处理单元102及不透水膜形成的水流路径范围内，沿着水流方向，水体中的COD和BOD浓度逐渐降低，水流到达第一中际漂浮水处理单元102的第二好氧区，然后在N区域硝化菌的数量不断增加，发生硝化反应过程。水体中的氨氮在自养硝化菌的作用下，转化为硝酸盐。

采用13块相同的正六边形结构拼接成三对称型漂浮水处理模块H，弥补降解作用中氧气的消耗。

3)水体及其微生物在潜水射流定向曝气装置和不透水膜通道的作用下，逐渐反应，使得已经发生硝化作用含有较高浓度硝酸盐的水体循环回流到第二中际漂浮水处理单元103。随着反应的不断进行，氧气含量进一步降低，形成厌氧区，在D区域发生反硝化反应过程。由于经过三步处理后的水体中有机物含量降低，此时在第二中际漂浮水处理单元103主要发生自养反硝化反应。

此时水体中主要为发生在缺氧区的反硝化反应，无需过多氧气含量，仅需采用7个相同的正六边形结构拼接成六边形的完全对称型漂浮水处理模块O即可。

4)最后水体经由回流漂浮水处理单元104，在定向曝气装置的作用下，回流到进口漂浮水处理单元101，由于反应链条的不断反应，氧气不断消耗，综合回流漂浮水处理单元104靠近进口漂浮水处理单元101这一好氧区的双重水体氧含量影响因素，使得回流漂浮水处理单元104的氧含量发生中和，形成兼氧区，发生同时硝化反硝化反应过程。

硝化反硝化混合反应区，是由于回流漂浮水处理单元104及曝气范围的区域临近入水口，因而氧含量相比于第二中际漂浮水处理单元103及其射流推动装置喷射的区域的氧含量进一步增加，进而发生硝化反应；同时处于第二中际漂浮水处理单元103发生反硝化反应的厌氧区水体，回流到距离进水口近端的回流漂浮水处理单元104，此时反硝化细菌等微生物借助靠近进水口端水体中的有机化合物(COD和BOD)，为反硝化过程提供碳源，发生异氧反硝化。提高反硝化过程的效率，实现了水体环境的二次去除。

此时，采用13块相同的正六边形结构拼接成三对称型漂浮水处理模块B，维持硝化反应进行所需的氧气含量。

5)最后，水体经回流漂浮水处理单元104回流至进口漂浮水处理单元101，重新进入下一个循环水处理过程，实现水体的进一步净化处理。

6)待处理水体经回流循环处理后，经由靠近第一中际漂浮水处理单元102端的出水口流出，并在出水口段P区形成沉淀澄清区。

综上，在所述回流过程中，

进口漂浮水处理单元101及曝气范围的区域内形成第一好氧区；

第一中际漂浮水处理单元102及曝气范围的区域内形成第二好氧区；

第二中际漂浮水处理单元103及其射流推动装置喷射的区域内形成厌氧区；

回流漂浮水处理单元104及曝气范围的区域内形成兼氧区；

水体沿回流路径形成第一好氧区——第二好氧区——厌氧区——兼氧区——第一好氧区；在不同的氧环境区域形成反应链，即有机物降解区——硝化反应区——反硝化反应区——硝化反硝化混合反应区——有机物降解区；

硝化反硝化混合反应区，是由于回流漂浮水处理单元104及曝气范围的区域临近入水口，因而氧含量相比于第二中际漂浮水处理单元103及其射流推动装置喷射的区域的氧含量进一步增加，进而发生硝化反应；同时处于第二中际漂浮水处理单元103发生反硝化反应的厌氧区水体，流入靠近入水口好氧区位置，利用入水口新流入水体的有机化合物(COD和BOD)发生异养反硝化反应。

(注：A表示在此区域发生了好氧有机物降解过程，N表示在此区域发生了硝化反应过程，D表示在该区域发生了反硝化反应过程，P表示在此区域发生了沉淀澄清过程。由于水体环境并非绝对的密闭环境，并且微生物分布多样，反应复杂，因此上述反应区域按起主导作用的化学反应进行区分。)

实施例9

漂浮水处理系统的运行方式包括：

1)通过控制系统逐级开启进口漂浮水处理单元101、第一中际漂浮水处理单元102、第二中际漂浮水处理单元103、回流漂浮水处理单元104对应安装的曝气装置或射流推动装置，反应一段时间后，关闭上述曝气装置，仅保留射流推动装置，由于此时没有曝气装置，仅有射流装置推动水流回流，加剧D区域的缺氧状态，从而更有利于发生反硝化作用。此外，关闭曝气装置仅保留射流推动装置，有利于P区域的沉淀澄清。

通过上述循环周期性的开启关闭曝气装置或射流推动装置，控制反应发生的主要类型，循环回流的水量通过控制系统由102单元中定向曝气装置的角度、速率和运行时间等参数来控制，从而实现各种污染物的高效去除，并使处理后的水体沉淀澄清，最终达到出水排放质量。

2)通过控制系统逐级开启进口漂浮水处理单元101、第一中际漂浮水处理单元102、第二中际漂浮水处理单元103、回流漂浮水处理单元104对应安装的曝气装置或射流推动装置，反应一段时间后，关闭上述曝气装置或射流推动装置，仅保留第一中际漂浮水处理单元102的曝气装置运行，关闭101处理单元后，水中的溶解氧降低，有利于异养微生物吸收水中的磷，达到除磷效果。

3)漂浮水处理系统的运行由多个变量通过控制系统自动操控，例如首先通过感知单元测量进水中以及其它不同位置水中各种水质参数如溶解氧、氨氮、硝酸盐、有机物、氧化还原电位等指标的浓度，再经过分析单元中存储的各种算法程序计算达到出水水质目标所需要控制的参数，最后通过控制单元对系统下达运行或关闭、调节曝气装置的运行角度或深度、改变水流速度、改变曝气装置的功率等命令。可根据实际情况将漂浮水处理单元做出多种类型的搭配部署。

实施例10

采用实施例8漂浮水处理系统，采用实施例9中第1)和第2)中运行方式配合，对河流水进行水体处理，运行55h后在不同位置取样检测水质参数，验证系统对污染物去除效果，实验结果见表1。从表中可以看出，经过漂浮水处理系统处理后，水中的有机物、氨氮、总氮得到了很好的去除。COD和氨氮的去除率达到了95％以上，总氮去除率74.5％，总磷去除率87.5％。

表1漂浮水处理系统污染物去除效果(单位：mg/L)

实施例11

如图13所示，在河道中设置多个实施例8的循环处理漂浮水处理系统，以在前的河道用漂浮水处理系统的出水作为在后的河道用漂浮水处理系统的进水，能显著提高水体的有机物去除率和去除时效。

实施例12

如图14所示，安装在湖泊、池塘等水体中的漂浮水处理系统的布局方式，在湖泊池塘中中设置遮挡板，将水体分为两部分，一侧设置进水口，另一侧设置出水口；将漂浮水处理单元设置在水体环境中，包括：在进水口的水体部分设置进口漂浮水处理单元101、第一中际漂浮水处理单元102，在出水口的水体部分设置第二中际漂浮水处理单元103和回流漂浮水处理单元104。在遮挡板的两个近岸边对称位置分别开设有第一引流口和第二引流口，使水体联通。

上述漂浮水处理单元的漂浮水处理模块的种类、曝气装置和射流推动装置的安装方式以及运行方式分别与实施例8和实施例9相同。

使水流从进水口形成进口漂浮水处理单元101-第一中际漂浮水处理单元102-第二中际漂浮水处理单元103-回流漂浮水处理单元104-进口漂浮水处理单元101回流；待处理水体经回流处理后，经由出水口流出，并在出水口段形成沉淀澄清区。

综上，在所述回流过程中，

进口漂浮水处理单元101及曝气范围的区域内形成第一好氧区；

第一中际漂浮水处理单元102及曝气范围的区域内形成第二好氧区；

第二中际漂浮水处理单元103及其射流推动装置喷射的区域内形成厌氧区；

回流漂浮水处理单元104及曝气范围的区域内形成兼氧区；

水体沿回流路径形成第一好氧区——第二好氧区——厌氧区——兼氧区——第一好氧区；在不同的氧环境区域形成反应链，即有机物降解区——硝化反应区——反硝化反应区——硝化反硝化混合反应区——有机物降解区；

硝化反硝化混合反应区，是由于回流漂浮水处理单元104及曝气范围的区域临近入水口，因而氧含量相比于第二中际漂浮水处理单元103及其射流推动装置喷射的区域的氧含量进一步增加，进而发生硝化反应；同时处于第二中际漂浮水处理单元103发生反硝化反应的厌氧区水体，流入靠近入水口好氧区位置，利用入水口新流入水体的有机化合物(COD和BOD)发生异养反硝化反应。

(注：A表示在此区域发生了好氧有机物降解过程，N表示在此区域发生了硝化反应过程，D表示在该区域发生了反硝化反应过程，P表示在此区域发生了沉淀澄清过程。由于水体环境并非绝对的密闭环境，并且微生物分布多样，反应复杂，因此上述反应区域按起主导作用的化学反应进行区分。)

实施例13

实施例4中，通过在仅悬挂定向曝气装置的漂浮水处理模块上，沿水流方向两侧的漂浮水处理模块框架外围垂直悬挂不透水膜，在不透水膜的作用下形成定向的水流通道的通道型漂浮水处理模块H。将实施例8的第一中际漂浮水处理单元102的漂浮水处理模块替换为本实施例的通道型漂浮水处理模块H，进行实施例8的水体处理过程。

在不透水膜和定向曝气装置的配合下，将局部水域区分为临近曝气装置且水流通道(不透水膜)内侧的内侧水体，以及远离曝气装置且水流通道(不透水膜)外侧的外侧水体；由于处于曝气装置周围，并且经过不透水膜隔离，使得在该局域水体范围内，内测水体的含氧量高于外侧水体的含氧量，内侧水体范围内表现为普遍的硝化反应，而远离不透水膜的外侧水体由于氧含量降低，存在部分的反硝化反应；随着水体不断进行交换，使得在在该局域范围内，又存在着外侧水体——内测水体——外侧水体，即硝化反应——反硝化反应——硝化反应这一小循环反应链，进而起到局部水体二次处理的作用。

实施例14

采用实施例8相同水处理系统，并在每个漂浮水处理单元下分别悬挂实施例7所述的微生物反应器，根据不同反应区的反应类型，在微生物固定化载体上附着相应种类的一种或多种类型微生物，并提供相应的营养液成分，能实现更好的水处理过程。

应用

在冬季水生或陆生植物生长缓慢季节，收割漂浮框架上部的植物体，一方面将污染物移除，另一方面能促使植物在春季重新快速生长。

漂浮水处理系统依靠控制系统根据多个水质水量参数的测定值调控系统的运行速率、运行时间等，从而提供了一种新型的适应性强、能根据实际情况配置和操作的水处理系统，为水处理领域提供了一种成本低、易于运输和易于安装的漂浮水处理系统。本发明适用于池塘、湖泊、河流或污水处理厂等不同类型重污染水体和黑臭水体的原位处理。

Claims (8)

1.一种漂浮水处理系统，其特征在于，包括：在河道中设置的遮挡物和长轴方向沿水流方向设置的漂浮水处理单元；所述漂浮水处理单元由：进口漂浮水处理单元（ 10 1 ） 、回流漂浮水处理单元（ 10 4 ） 、第一中际漂浮水处理单元（ 10 2 ） 和第二中际漂浮水处理单元（ 10 3 ） 组成；

在入水端设置遮挡物，遮挡物与河道一侧岸封闭连接，另一侧岸留有进水口；

在待处理水体环境中，将进口漂浮水处理单元（ 10 1 ） 设置于进水口附近，使得液流按照9-7：1的比例向主流方向M和遮挡物方向N进行分流，在主流方向M的一侧设有中际漂浮水处理单元（ 10 2 ） ，在遮挡物方向N的一侧设有回流漂浮水处理单元（ 10 4 ） ；在第一中际漂浮水处理单元（ 10 2 ） 和回流漂浮水处理单元（ 10 4 ） 中间设置第二中际漂浮水处理单元（ 10 3 ） ；使水流从进水口形成：进口漂浮水处理单元（ 10 1 ） ——第一中际漂浮水处理单元（ 10 2 ） ——第二中际漂浮水处理单元（ 10 3 ） ——回流漂浮水处理单元（ 10 4 ） ——进口漂浮水处理单元（ 10 1 ） 环形回流；

待处理水体经回流处理后，经由靠近第一中际漂浮水处理单元（ 10 2 ） 端的出水口流出，并在出水口段形成沉淀澄清区；

或

在湖泊池塘中设置遮挡板，将水体分为两部分，一侧设置进水口，另一侧设置出水口；将漂浮水处理单元设置在水体环境中，包括：在进水口的水体部分设置进口漂浮水处理单元（ 10 1 ） 、第一中际漂浮水处理单元（ 10 2 ） ，在出水口的水体部分设置第二中际漂浮水处理单元（ 10 3 ） 和回流漂浮水处理单元（ 10 4 ） ；在遮挡板的两个近岸边对称位置分别开设有第一引流口和第二引流口，使水体联通；使水流从进水口形成：进口漂浮水处理单元（ 10 1 ） ——第一中际漂浮水处理单元（ 10 2 ） ——第二中际漂浮水处理单元（ 10 3 ） ——回流漂浮水处理单元（ 10 4 ） ——进口漂浮水处理单元（ 10 1 ） 环形回流；待处理水体经回流处理后，经由出水口流出，并在出水口段形成沉淀澄清区；

在所述回流过程中，

进口漂浮水处理单元（ 10 1 ） 及曝气范围的区域内形成第一好氧区；

第一中际漂浮水处理单元（ 10 2 ） 及曝气范围的区域内形成第二好氧区；

第二中际漂浮水处理单元（ 10 3 ） 及其射流推动装置喷射的区域内形成厌氧区；射流装置推动水流回流，加剧反硝化反应区域的缺氧状态；

回流漂浮水处理单元（ 10 4 ） 及曝气范围的区域内形成兼氧区；

水体沿回流路径形成第一好氧区——第二好氧区——厌氧区——兼氧区——第一好氧区；在不同的氧环境区域形成反应链，即有机物降解区——硝化反应区——反硝化反应区——硝化反硝化混合反应区——有机物降解区；

所述漂浮水处理单元由漂浮水处理模块、微生物附着生长基质单元、曝气装置和控制系统构成；漂浮水处理模块采用多边形框架，框架内设置三维立体网络结构；通过漂浮水处理模块的三维立体网络结构悬挂设置微生物附着生长基质单元和曝气装置；漂浮水处理单元通过感知单元连接控制系统，进行水体参数监测，并控制曝气装置；

第二中际漂浮水处理单元（ 10 3 ） 不悬挂曝气装置，采用底端安装射流推动装置，使水流在射流推动装置的作用下回流经回流漂浮水处理单元（ 10 4 ） 。

2.根据权利要求1所述一种漂浮水处理系统，其特征在于，

所述多边形框架为聚苯乙烯泡沫板高分子轻质密封管搭建成的轴对称六边形结构，至少7个相同的轴对称六边形结构拼接成轴对称型的漂浮水处理模块，确保漂浮水处理模块漂浮在水面；

采用7个相同的正六边形结构拼接成六边形的漂浮水处理模块，记作完全对称型漂浮水处理模块O；

采用13个相同的正六边形结构拼接成关于长轴对称、短轴对称且中心对称的漂浮水处理模块，在位于3条对称轴交点的正六边形结构中央垂直悬挂曝气装置，记作三对称型漂浮水处理模块B；

采用12个相同的正六边形结构拼接成关于长轴对称且短轴对称的漂浮水处理模块，在位于长轴对称轴上且关于短轴对称的2个正六边形结构中央分别垂直悬挂曝气装置，记作双对称型漂浮水处理模块C；

在仅悬挂定向曝气装置的漂浮水处理模块上，沿水流方向两侧的漂浮水处理模块框架外围垂直悬挂不透水膜，在不透水膜的作用下形成定向的水流通道，记作通道型漂浮水处理模块H；

进口漂浮水处理单元（ 10 1 ） 采用双对称型漂浮水处理模块C，双悬挂多向曝气装置和定向曝气装置；

第一中际漂浮水处理单元（ 10 2 ） 采用通道型漂浮水处理模块H，悬挂定向曝气装置，并沿水流路径两侧悬挂不透水膜；

第二中际漂浮水处理单元（ 10 3 ） 采用完全对称型漂浮水处理模块O，并在底端安装射流推动装置；

回流漂浮水处理单元（ 10 4 ） 采用三对称型漂浮水处理模块B，单悬挂潜水射流定向曝气装置。

3.根据权利要求1所述一种漂浮水处理系统，其特征在于，

所述微生物附着生长基质单元还设置微生物反应器子系统；微生物反应器子系统包括设置于植物根系和人工吸附填料底部的微生物反应器以及设置于漂浮水处理模块框架上方的气泵和液泵；微生物反应器为柱形容器，侧壁开设小孔，内部贯穿设置有曝气管；微生物反应器内围绕曝气管填充微生物固定化载体，微生物固定化载体上附着有一种或多种类型微生物；曝气管一端通过Y型管路同时与气泵和液泵联通，为微生物输送氧气和营养液；改变微生物反应器的长度，使同一个柱形容器横跨设置在两个以上微生物附着生长基质单元底部。

4.根据权利要求1所述一种漂浮水处理系统，其特征在于，微生物附着生长基质单元包括上层植物种植区或上层植物种植区与下层人工吸附填料的组合。

5.根据权利要求4所述一种漂浮水处理系统，其特征在于，

上层植物种植区的植物包括挺水植物、漂浮植物、沉水植物；

下层人工吸附填料为比表面积大且适合微生物附着生长的人工填料，包括纤维织物、生物绳、组合填料、弹性填料、生物球和无机矿物填料。

6.根据权利要求5所述一种漂浮水处理系统，其特征在于，

第一中际漂浮水处理单元（ 10 2 ） 下层人工吸附填料的生物球内填充沸石；

第二中际漂浮水处理单元（ 10 3 ） 和回流漂浮水处理单元（ 10 4 ） 下层人工填料的生物球内填充铁基质填料或硫磺填料。

7.根据权利要求1所述一种漂浮水处理系统，其特征在于，所述控制系统包括感知单元、分析单元和控制单元；所述感知单元用于测量水体的各种参数，所述分析单元包括多种算法程序，利用分析感知单元测定的各种参数值，通过程序计算达到预定的出水水质和处理效率需要调控的参数；所述控制单元用于根据分析单元计算的调控参数值触发系统的操作命令。

8.根据权利要求1所述一种漂浮水处理系统，其特征在于，在河道中设置多个权利要求1所述的河道用漂浮水处理系统，以在前的河道用漂浮水处理系统的出水作为在后的河道用漂浮水处理系统的进水。

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