一种超声空化耦合微纳曝气的船载式微藻原位治理设备

技术领域

本发明属于湖泊微藻处理领域，具体涉及一种超声空化耦合微纳曝气的船载式微藻原位治理设备。

背景技术

在工业、农业的生产发展以及人类的日常生活中会产生大量富含氮、磷元素的废水，这些废水排入水体后就会引起水体的富营养化。水体中的微藻会借助充足的营养物质，迅速繁殖，从而逐步耗尽水中的营养盐，直至后期因为营养不足而死亡。死亡的藻细胞则会浮到水面，形成一层“膜”覆盖在水面上，使得水体复氧过程受阻。由于水中溶解氧含量不断降低，形成缺氧环境，水生生物的生长受到抑制。另外，死亡藻细胞的腐败分解会消耗水中大量溶解氧，并产生羟胺、硫化氢等有毒有害物质，加速水生生物死亡与水质恶化；尤其在在养殖水生生物的水体中，可能会导致水生生物大量死亡。此外，微藻在生长繁殖过程中会产生有毒的代谢产物，如藻毒素。藻毒素不仅对水生生物的生长带来威胁，而且可能通过直接引用或者食物链的富集作用进入人体体内，最终危害人体健康。

目前，如何对微藻进行有效治理已经成为对淡水富营养化水体治理中最紧迫的任务之一。超声除藻技术具有处理流程简单、无需添加化学药剂、反应迅速等特点，被认为是一种高效的环境友好型技术，得到了广泛的研究和关注。但现有的超声除藻技术多采用湖泊覆盖式处理，使得微藻处理不彻底，极易迅速繁殖再生，且水体中溶解氧得不到恢复，容易形成恶性循环，加大微藻治理的工作量，耗时耗力。因此，有必要对当前微藻的超声原位处理装置进行结构和工艺上的改进，寻求更加低耗高效的一体化设备，以解决目前存在的问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种超声空化耦合微纳曝气的船载式微藻原位治理设备，通过基于超声空化和射流曝气技术耦合解决当前湖泊微藻治理效率低、湖泊生态恢复难的问题。

为解决上述技术问题，实现上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种超声空化耦合微纳曝气的船载式微藻原位治理设备，由船体以及安装在所述船体上的微纳米曝气装置、超声波空化装置和导流筒组件组成；所述微纳米曝气装置用于向水体中补充空气并形成微纳米气泡；所述超声波空化装置用于使含藻水体形成空化效应，将微藻细胞破壁并初步氧化；所述导流筒组件用于引流并提高气液混合效率，强化空化效应；所述微纳米曝气装置包括射流曝气器和曝气泵，所述超声波空化装置包括电源和超声换能器，所述导流筒组件包括进水口、直筒、旋流扇叶和支撑杆。

所述直筒通过前后两个所述支撑杆固定安装在所述船体的壳体底面，所述进水口与所述直筒的前端敞口连接，且所述进水口的顶端位于水位线之上，所述射流曝气器安装在所述进水口内，且所述射流曝气器向内对准所述直筒的内部，所述曝气泵设置在所述船体内部或外部，所述曝气泵通过导气管与所述射流曝气器连接；所述直筒内的顶部均匀设置有若干个所述超声换能器，所有所述超声换能器在所述直筒内形成超声区域，所述电源设置在所述船体内部或外部，所述电源通过导线与每个所述超声换能器连接；所述旋流扇叶安装在所述直筒内的中段位置，且所述旋流扇叶与所述射流曝气器相对设置，所述旋流扇叶通过进入所述直筒内的流体获得推力实现转动，以提升气液混合效果及延长微藻在所述直筒内停留时间。

进一步的，所述射流曝气器位于所述直筒的中轴线位置，使产生的微纳米气泡在超声波作用下进一步空化。

进一步的，所述射流曝气器的流量为25~50L/min，可根据不同的工况调节不同的流量，在射流曝气的作用下，可使超声区域形成负压，使所述直筒内的流体向末端区域流动，即使在船体停止时仍可使水体流动。

进一步的，所述射流曝气器所产生的气泡直径达到微纳米级别。

进一步的，所有所述超声换能器所形成的超声区域的总长度为60~150cm。

进一步的，相邻两个所述超声换能器的间隔距离为10~30cm。

进一步的，所述超声换能器的频率为20 ~80kHz，功率为40~120W，所述超声换能器可以通过调整功率大小以适应不同的工况，相比于单波，集群式超声波具有更好的空化效应。

进一步地，所述进水口的顶端位于水位线之上，且距离3~5 cm左右，以保证浮游的微藻能够有效被引流至所述直筒内。

进一步的，所述直筒的内径为30~60cm。

进一步的，所述直筒内水体的停留时间不低于10s，所述船体的行驶速度可根据所述直筒的长度以及所述超声换能器的功率进行调整。

进一步的，所述旋流扇叶与所述射流曝气器位于同一中轴线，流体对所述旋流扇叶具有一定的推力，使得所述旋流扇叶转动，延长微藻在所述直筒内的停留时间，提升气液混合效果和空化效应。

进一步的，所述支撑杆为可调节支撑杆，所述直筒通过所述支撑杆可进行升降调节地固定在所述船体的壳体底面，所述直筒可以通过调节所述支撑杆改变不同的深度和角度，达到较好的曝气和水体交换效果。

本发明的工作原理如下：

微纳米曝气装置向水体中补充溶解氧，为后续的超声区域提供微纳米气泡，并通过形成的负压使导流筒进水端的水体持续流向导流筒内，微纳米气泡在超声的作用下发生溃灭后产生的局部高温高压进一步加强空化效应；微藻在进入导流筒内并流经超声区域时，超声波空化装置的超声作用可以破坏微藻内的气囊结构, 使其因丧失气泡的浮力沉于水底，从而导致其无法进行光合作用而失去存活和繁殖能力；气囊结构被破坏后，微藻随导流筒排出后沉降的水底，未消耗的微纳米气泡则可在水体中持续存在较长时间，可为微生物的进一步降解代谢提供所需的溶解氧，增加湖泊中溶解氧和微生物活性，有利于湖泊生态的恢复。

本发明的有益效果为：

1、本发明采用的集群式超声波空化效果更好，可有效破坏微藻细胞的气囊结构。

2、本发明通过将射流曝气器安装于导流筒的进水口区域，通过形成的负压使导流筒进水端的水体持续流向导流筒内，不需要额外的水利驱动装置，并且产生的微纳米级气泡进一步被空化，形成二次空化的效应，微藻的去除更彻底。

3、本发明释放出的未消耗剩余微纳米气泡可在水体中存在较长时间，增加了湖泊中溶解氧和微生物活性，有利于湖泊生态的恢复。

4、本发明构造简单，便于维护，处理效果好，成本和能耗相比其他工艺技术具有较大优势。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明超声空化耦合微纳曝气的船载式微藻原位治理设备的结构示意图。

图中标号说明：1、进水口，2、射流曝气器，3、直筒，4、旋流扇叶，5、超声波换能器，6、支撑杆，7、船体，8、电源，9、曝气泵。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。此处所作说明用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

参见图1所示，一种超声空化耦合微纳曝气的船载式微藻原位治理设备，由船体7以及安装在所述船体7上的微纳米曝气装置、超声波空化装置和导流筒组件组成；所述微纳米曝气装置包括射流曝气器2和曝气泵9，用于向水体中补充空气并形成微纳米气泡；所述超声波空化装置包括电源8和超声换能器5，用于使含藻水体形成空化效应，将微藻细胞破壁并初步氧化；所述导流筒组件包括进水口1、直筒3、旋流扇叶4和支撑杆6，用于引流并提高气液混合效率，强化空化效应。

所述直筒3通过前后两个所述支撑杆6固定安装在所述船体7的壳体底面，所述进水口1与所述直筒3的前端敞口连接，且所述进水口1的顶端位于水位线之上，所述射流曝气器2安装在所述进水口1内，且所述射流曝气器2向内对准所述直筒3的内部，所述曝气泵9设置在所述船体7内部或外部，所述曝气泵9通过导气管与所述射流曝气器2连接；所述直筒3内的顶部均匀设置有若干个所述超声换能器5，所有所述超声换能器5在所述直筒3内形成超声区域，所述电源8设置在所述船体7内部或外部，所述电源8通过导线与每个所述超声换能器5连接；所述旋流扇叶4安装在所述直筒3内的中段位置，且所述旋流扇叶4与所述射流曝气器2相对设置，所述旋流扇叶4通过进入所述直筒3内的流体获得推力实现转动。

作为进一步的实施例，所述射流曝气器2位于所述直筒3的中轴线位置，使产生的微纳米气泡在超声波作用下进一步空化。

作为进一步的实施例，所述射流曝气器2的流量为25~50L/min，可根据不同的工况调节不同的流量，在射流曝气的作用下，可使超声区域形成负压，使所述直筒3内的流体向末端区域流动，即使在船体停止时仍可使水体流动。

作为进一步的实施例，所述射流曝气器2所产生的气泡直径达到微纳米级别。

作为进一步的实施例，相邻两个所述超声换能器5的间隔距离为10~30cm。

作为进一步的实施例，所有所述超声换能器5所形成的超声区域的总长度为60~150cm。

作为进一步的实施例，所述超声换能器5的频率为20 ~80kHz，功率为40~120W，可通过调整不同的功率以适应不同的工况，相比于单波，集群式超声波具有更好的空化效应。

作为进一步的实施例，所述进水口1的顶端位于水位线之上，且距离3~5 cm左右，以保证浮游的微藻能够有效被引流至所述直筒3内。

作为进一步的实施例，所述直筒3的内径为30~60cm。

作为进一步的实施例，水体在所述直筒3内的停留时间不得低于10s，所述船体7的行驶速度可根据所述直筒3的长度以及所述超声换能器5的功率进行调整。

作为进一步的实施例，所述旋流扇叶4与所述射流曝气器2位于同一中轴线，流体对所述旋流扇叶4具有一定的推力，使得所述旋流扇叶4转动，延长微藻在所述直筒3内的停留时间，提升气液混合效果和空化效应。

作为进一步的实施例，所述支撑杆6为可调节支撑杆，所述直筒3通过所述支撑杆6可进行升降调节地固定在所述船体7的壳体底面，所述直筒3可以通过调节所述支撑杆6改变不同的深度和角度，达到较好的曝气和水体交换效果。

下面以一个本发明较佳的实施例做具体介绍说明：

所述直筒3为圆柱筒体，其内径为40 cm，通过所述支撑杆6可调节高度地固定在所述船体7的壳体底面，将所述进水口1安装在所述直筒3的前端敞口处，且确保所述进水口1的顶端高出水位线3 cm。

在所述直筒3内的顶部均匀设置有5个频率为30 kHz，功率为50 W的所述超声换能器5，相邻的两个所述超声换能器5的间隔距离为20 cm，从而形成总长度为100 cm的超声区域，并通过导线将将这个5个所述超声换能器5同时与所述曝气泵9连接。

将所述射流曝气器2安装在所述进水口1处，且确保所述射流曝气器2处于所述直筒3的中轴线位置。通过导气管将所述射流曝气器2与所述曝气泵9连接，将所述射流曝气器2的流量设置为25 L/min。在所述射流曝气器2作用下，可使超声区域形成负压，使所述直筒3内的流体向末端敞口流动，即使在所述船体7停止时仍可使水体流动。

所述旋流扇叶4安装在所述直筒3内的中段位置，且所述旋流扇叶4与所述射流曝气器2位于同一中轴线，流体对所述旋流扇叶4具有一定的推力，使得所述旋流扇叶4转动，从而延长微藻在所述直筒3内的停留时间，提升气液混合效果和空化效应。

所述船体7的行驶速度为设置为360 m/h，则水体在所述直筒3内的停留时间约为10 s。

通过以上工作参数设置的船载式微藻原位处理设备对藻细胞数量级为10

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。