自調節浮島裝載型河道水處理系統

文浙江省杭州市外國語學校 趙耘凡

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

針對這一現狀，本人在原專利（申請號：201210211639.5）的基礎上，提出了基于水質實時監控的浮島裝載型曝氣系統，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節曝氣管高度。

曝氣機的運行基于實時水質監測數據，同時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，節約成本和能源。

系統原理及組成

圖1 系統整體示意圖

本系統的整體框架如圖1所示，主要由浮島及其固定升降裝置、微孔曝氣系統、水質監控系統及生物填料組成。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，浮床上布置相應的植物美化景觀（見圖2），植物根系吸收水中有害物質，浮床同時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）和水質監測傳感器（圖4），同時可懸掛生物填料（圖5）。浮島下層安裝底板，防止水位過低時浮島上的曝氣系統受損。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

實際使用過程中，在線水質測定儀實時監測水質狀況，將信息反映給處理器，由處理器根據指定條件決定鼓風機開關狀態。鼓風機開啟后，氣體通過輸氣管、水中的軟管、各個浮島上的輸氣管將氣體輸送至浮島上的微孔曝氣管，從而實現曝氣。本系統采用的鼓風機、處理器（PLC）和水質分析系統則位于陸地設施內。

與通常使用的河道水處理系統相比，上述系統有以下優勢：

1.實現了浮島、微孔曝氣系統、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.微孔曝氣所需風力小，節省電力資源。以往在應用上受困于河底安裝需要排水、找平，費時費力；河道由于季節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，導致鼓風機燒壞，水位過低則會引起過量氣泡浮出水面影響美觀。本系統的設計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用提供了良好的解決方案。

3.本系統依據水質實時監測結果，對曝氣系統進行控制，可以大大降低能耗，減少盲目性，有效解決了曝氣系統由于耗電量過高難以推廣應用的難題。

系統細化設計

本系統在實施中可以選用多個浮島在河道兩岸排成序列，以達到較明顯的水處理效果（如圖6，浮島A-A斷面見圖7）。具體設計時，必須綜合考慮各系統協同工作，并具有足夠的安全度和可靠度。

圖6 浮島俯視圖

一、水質監測系統

1.在浮島框架內，根據實際水質情況放置在線水質傳感器，如氨氮、COD等。

2.分析儀和傳感器相連，可置于岸基上，并通過線纜將數據傳送至處理器。處理器（PLC）安置在岸邊建造的機房內，根據預先編寫的程序，控制鼓風機電源的開關。

3.根據實際需要，可使監測系統形成物聯網——將處理器（PLC）與電信寬帶連接，將實時監測數據通過電信寬帶傳輸至指定的計算機。人們可以在遠程計算機上看到同一河道中多組水處理系統測出的數據，觀察河道總體水質狀況及各系統工作情況。

二、曝氣系統

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

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

鼓風機通過輸氣管、水中的軟管、各個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浮島的輸氣管之間用軟管聯接，使各個浮島氣體輸送均勻。由于浮島隨水位同步升降，微孔管離水位面高度基本固定，不易發生水深過大引起鼓風機燒壞的情況。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。所采用的鼓風機為羅茨風機，功率0.75至10千瓦，風量根據實際工作情況設計。

三、生物填料

城市河道中經常出現富營養化問題，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。生物填料可充當水中微生物的載體，在生物填料中培養用于生物硝化作用的細菌，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

浮島上部為種植床，可以采用泡沫格柵結構的種植床，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，兩個較長的側面各焊接兩組鋼管，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，當水位降低時，底板可以支撐整個系統（如圖8），從而防止曝氣系統等受損。

在以往申請專利的基礎上，本文提出了浮島、微孔曝氣系統、生物填料三位一體的水處理系統，利用實時水質監測系統控制整個系統的運行，實現了高效率、低能耗地對河道水進行綜合治理。

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在河道水處理中難以推廣應用，本系統的設計大大克服了這些問題，并提高了水處理的針對性。

未來結合互聯網技術，本系統可實現遠程在線監控處理。隨著我國對環保及河道水處理的日益重視，預期本系統能夠獲得更加廣泛的應用，并在技術上實現進一步的提升。