一种纳米气泡深水设备以及可移动式深水环境治理的方法

1.本发明涉及水治理，更具体地涉及一种纳米气泡深水设备以及可移动式深水环境治理的方法。


背景技术：

2.近几十年，随着社会经济的发展，自然界中的河流、湖泊、水库、海洋等水体，都出现严重的富营养化的问题，进而导致水体缺氧，水生动植物死亡，蓝藻爆发，水体生态遭到破坏。
3.自然界中的水体，水质恶化的主要原因在于水中氮、磷、有机物等营养物质过剩，导致水体中的氧消耗殆尽，水生植物和动物死亡，藻类疯长，藻类死亡后分解进一步消耗氧气，无氧状态下分解有可能产生硫化物等散发恶臭的有毒物质，最终水质恶化。水质恶化程度一旦超出了水体的自净能力，水体就无法自我恢复，这时候就需要进行人工干预。
4.治理水体的主要思路在于：去除水中的有机物以及过量的营养物质，改善底泥(由于常年累月，底泥中也会含有大量营养物质)，提高透明度，有效为水体增氧。然后辅助以水生动植物和微生物，恢复水生态和其自净能力。现在已经有了很多方法，包括化学药剂添加，扬水曝气，表面富氧水下行(pumping down surface water)，wep(water environmental preservation)深度加氧，水生植物栽培，底泥疏浚，引水换水，物理打捞(打捞蓝藻)等等。但是这些传统的技术都存在一些弊端。
5.化学方法是通过添加化学药剂，使得水中的磷等营养物质形成固体颗粒，进而形成污泥沉淀，将污泥去除就可以去除营养物质。但是添加剂量难以控制，如果添加的少了，无法有效去除水中的营养物质。如果添加的多了，反而会引入新的污染物，对水体造成新的污染。
6.扬水曝气、表面富氧水下行等方法，是向水体中通入空气或者氧气，但是成本也相对过高，通入的气体会在水中形成大气泡，由于浮力作用，气泡都会上浮，无法全部溶解进入水体，加氧的效率太低，效果有一定的局限性。表面富氧水下行的原理是：湖泊河流海洋等自然水体，其表层水长期和空气接触，溶解氧含量较高，能达到6-8mg/l，接近常温常压下氧气在水中的饱和浓度。利用水泵和水管，将富氧的表层水直接送入深层，可以有效为底部增氧，改善底部缺氧的状况。这种方法是欧洲的科学家提出来，并且在个别小型水域进行了实验，取得了一定的实验效果。但是，表面水中的氧气含量很低，能够送到水底的有效氧气量非常有限，因此由于加氧效率、工程难度、运行成本等问题的限制，并没有大规模推广使用。wep指的是水环境修复系统，一种来自日本的水环境治理技术，主要原理是利用深水水压，给深水水体加氧。氧气含量提高了，一定程度上就可以改善水体环境。也就是说，包括扬水曝气、表面水下行、wep深度加氧，这些方法相对成本低，具有一定的效果，不会产生明显副作用。但是以上这些技术也存在一些弊端：技术思路都局限在加氧上，但是光加氧并不能完全解决问题；并且这些方法的加氧效率并不高；这些方法对于深水大型水体并不适用。
7.水生动植物对环境要求较高，只有在一些轻度污染的水体中才可能发挥作用，在
绝大部分场景中不能起作用，而且效果缓慢。
8.底泥疏浚是将含有大量营养物质的底泥清理，工程量巨大，成本过高，无法根治，容易反弹，而且可能有一定的副作用(比如底泥中可能有一些微生物生态，对水生态平衡至关重要，一旦破坏，水体无法恢复。一些湖泊底泥中含有重要的地质学信息，具有重大科学研究价值，也不能轻易破坏)。很多时候可能起不到作用(比如底泥中富含营养物质，只换水是没用的，底泥中会迅速再次释放营养物质，水体恶化很快会反弹)，而且有可能破坏原有的生态体系。而且清理出来的底泥和换出来的水也需要专门处理，还将耗资巨大。时间一长，水体又会富营养化，又会反弹，无法根治。而且这种方法也只限于小型景观型池塘和湖泊。
9.引水换水指的是将外界的水引入，稀释营养物质浓度，甚至将整个富营养化的水体全部换成干净的水，就是将污染小的、不含有营养物质的健康水体引入湖中，将整个受污染的富营养化水体都换掉。但是类似于底泥疏浚，其工程量巨大，成本高，容易反弹。
10.物理打捞就是通过人工来打捞蓝藻，降低蓝藻对水体的影响，但是这属于事后补救措施，防止水质进一步恶化。但是蓝藻爆发说明水体水质已经发生了恶化，并不能从根本上解决水体缺氧以及富营养化的问题。而且打捞的蓝藻属于有害物质，还需要专门处理。人工打捞蓝藻的成本也很高。
11.纳米气泡是近年来新兴的技术，已经引起学术界和企业界的越来越多的关注。纳米气泡指的是存在于液体中尺寸在几十到数百纳米的气泡。根据传统科学理论，气泡尺寸越小，其寿命应该越短。当气泡的尺寸达到纳米级别的时候，其寿命应该在毫秒的量级上。也就是说，纳米气泡即使产生了，也会在几毫秒的时间内迅速消失。但是目前很多实验已经观测到纳米气泡，其寿命远高于传统理论的估计值，能达到几天甚至几十天。这种反常现象已经吸引了诸多科学家的关注，其存在的机制有可能对基础物理和化学理论产生影响。当气泡尺寸达到纳米级别的时候，就会表现出很多独特的性质，比如表面带负电、寿命长、不容易上浮、产生自由基等特点。纳米气泡由于体积很小，运动方式主要是布朗运动，其浮力影响可以忽略不计，不会在水中上浮。而且由于其长寿命，可以使得纳米气泡能够长时间在水中存在。气泡和水体进行物质交换，纳米气泡内部的气体分子可以缓慢的进入到水体中，这样就可以为水体有效增氧。水中的氧气含量上升了，就可以够分解水中的有机物、污染物等。很多实践已经证明，利用纳米气泡，能够给水体有效增氧，能够有效降低水中氮、磷、有机物等营养物质以及各种杂质的含量。营养物质和有机物含量降低了，就能够有效防止蓝藻的爆发。氧气含量增加，还有助于水生动植物的生长和恢复。于是水生态环境就能够得到改善和恢复。纳米气泡的增氧效率远高于传统的溶解氧(传统的溶解氧最多是8mg/l)和曝气(容易形成大气泡上浮)等方法。除了给水体增氧，纳米气泡表面带负电，还会起到一定的吸附和气浮作用，可以吸附在固体表面，能够去除水中固体颗粒以及悬浮物，有效提升水体透明度。纳米气泡破裂的时候，还会产生活性氧ros等自由基，具有较强的化学活性，能够将很多不容易被氧化的物质氧化，去除水中一些常规方法难以去除的物质；而且纳米气泡不添加任何对环境有影响的化学物质，没有副作用，不会给水体增加额外负荷。而且纳米气泡操作简单，相对的运行成本也非常低。有了这些性质和优点，纳米气泡可以在水环境治理领域发挥巨大作用。总之，纳米气泡技术不仅能为水体高效加氧，而且能够高效降解水中的污染物和有机物。而且有研究表明，纳米气泡还具有一定的生物学效应，能够促进水生动植
物、以及微生物的生长发育。这些特点都非常有利于水体环境的恢复，而且成本很低，没有副作用。目前已经有机构将纳米气泡技术用于水环境治理，并且取得了良好的效果。
12.但是目前纳米气泡技术治理水体，主要是在靠近岸边的水面放置一台纳米气泡发生器，通过岸上连接电线为设备供电，在水中产生纳米气泡，可以对水体进行治理，还主要局限于浅水湖泊以及城市河道，作用深度在2-3米左右，作用面积在几平方公里或者更小的城市湖泊和河道。而水库、近海海洋等大型、深水水体，其深度一般达到几十米，甚至上百米，水域面积也非常大(有的能达到几十甚至数百平方公里)，目前缺乏有效的治理手段。深水水体由于上下层水的密度、温度、盐度都有所区别，会形成明显的上下层分层。深水水体分层之后，水体无法上下对流，而分子或者气泡扩散的速度又非常慢，上层物质(比如氧气分子、纳米气泡)很难通过扩散的方式进入底部水体。于是在深水水体中，更容易形成富营养化的缺氧区域。现有的纳米气泡治理方法，纳米气泡无法扩散进入几十米甚至上百米深的底部。而且对于大型深水水体，如果水域面积较大，各种方法(比如wep、表面水下行)都需要建设电线、缆绳、管道等固定设施，这些固定设施的建设成本会比较高，工程难度大，而且对生态环境、景观、航运等造成严重影响。


技术实现要素：

13.为了解决上述现有技术中的纳米气泡技术无法作用于几十米深的大型水库以及近海海洋等问题，本发明提供一种纳米气泡深水设备以及可移动式深水环境治理的方法。
14.根据本发明的纳米气泡深水设备，其包括移动平台、水泵、第一管道和第二管道，其中，移动平台可移动地设置于水面上，水泵放置于移动平台上，与水泵连通的第一管道伸入深层水中以使得水底的缺氧水沿着第一管道上行，与水泵连通的第二管道伸入深层水中以使得氧气纳米气泡水沿着第二管道下行。
15.优选地，第二管道具有相交的第一管、第二管和进气口，其中，第一管在移动平台上与水泵直接连接，第二管从第一管的末端朝向深层水延伸，进气口设置在第一管上临近第二管道的位置以引入空气或氧气。
16.优选地，第一管水平延伸，第二管垂直延伸，进气口的进气方向和第一管的水流方向形成介于50
°‑
70
°
之间的锐角。
17.优选地，第二管道上连接有纳米气泡发生装置，通过气体入口将空气或氧气引入纳米气泡发生装置。
18.优选地，第一管道的自由端形成为进水口，其末端加装有第一滤网。
19.优选地，第二管道的自由端形成为出水口，其末端加装有第二滤网。
20.优选地，出水口距离底部0.5-2米的距离。
21.优选地，出水口水平设置。
22.根据本发明的可移动式深水环境治理的方法，其包括利用上述的纳米气泡深水设备进行水治理以解决超过30米深的深水体的缺氧问题。
23.本发明在纳米气泡技术的基础上，将整个装置放在船等可移动平台上，通过两根深水管道连接底部水体，整套装置无需建设固定的管道、电线、缆绳、水面平台等，不会对水体造成永久性影响。哪个区域水体需要治理，只需将设备平台移过来即可。水体一旦治理好之后，可以将设备平台移走。整套装置的安装、运行成本非常低，对环境的影响也降到最低。
本发明能够解决几十米甚至上百米的大型深水水体缺氧的问题，能够有效去除深水中的营养物质含量，有助于深水生态的恢复，几乎不会带来副作用。
附图说明
24.图1是根据本发明的一个优选实施例的纳米气泡深水设备的结构示意图。
25.图2是根据本发明的另一个优选实施例的纳米气泡深水设备的结构示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
27.本发明中提到的纳米气泡，指的是存在于液体中的直径在几十到数百纳米的气泡。气泡尺度达到纳米级别的时候，其浮力可以忽略不计，纳米气泡在水中不会上浮，能够长时间留在水体中，这样就可以为水体有效增氧。并且纳米气泡表面带有电荷，能够对水体中的杂质和污染物、营养物质等起到一定的吸附和气浮作用，去除水中杂质和污染物，提升透明度。同时，纳米气泡可以产生自由基，尤其是活性氧(ros，reactive oxygen species)，能够促进各种化学反应的发生，这样就可以降解水中各种有机物和营养物质，降低水体的富营养化程度。这里的活性氧，广泛指代氧来源的自由基和非自由基，包含了超氧阴离子(o
2-)、过氧化氢(h2o2)、羟自由基(oh-)、臭氧(o3)和单线态氧(1o2)，由于它们含有不成对的电子，因而具有很高的化学反应活性。
28.本发明中提到的纳米气泡发生器，指的是制备产生纳米气泡的设备。通过一个进气口输入气体，一个进水口输入水，市场上已经有多种多型号的成熟设备。其制备纳米气泡的原理主要是利用机械剪切、空化、流体震荡等作用在机器内部形成纳米气泡。
29.如图1所示，根据本发明的一个优选实施例的纳米气泡深水设备包括移动平台1、水泵2、第一管道3和第二管道4，其中，移动平台1可移动地设置于水面上，水泵2放置于移动平台1上，与水泵2连通的第一管道3伸入深层水中以使得水底的缺氧水沿着第一管道3上行，与水泵2连通的第二管道4伸入深层水中以使得氧气纳米气泡水沿着第二管道4下行。在本实施例中，移动平台1为船；第一管道3的自由端形成为进水口31，其末端加装有第一滤网32，以避免水底的水生动植物以及其他杂质进入水中随着缺氧水上行；第二管道4的自由端形成为出水口41，其末端加装有第二滤网42，以避免水生动植物以及其他杂质进入出水口41。应该理解，这里的船仅作为示例而非限制，其他能浮在水面上的其他平台都可用在本发明中。本发明通过将纳米气泡深水设备放置在移动平台1上，可以移动，方便快捷，不会对水体造成影响，能耗主要就是水泵2的能耗，运行成本非常低，可以解决超过30米，例如30-100米的深水体的缺氧问题。
30.在社会面还没有关注和重视近海海洋、大型水库等深水水体的问题的背景下，发明人首创性地结合水体分层等情况提出解决方案：通过形成纳米级的小气泡，其携带的氧气含量远远大于溶解的氧气，能够大幅提高输氧效率，同时纳米气泡能够产生活性氧等自由基，能够高效降解水中的污染物，从而最终解决大型深水水体的污染问题。
31.特别地，第二管道4具有相交的第一管43、第二管44和进气口45，其中，第一管43在移动平台1上与水泵2直接连接，第二管44从第一管43的末端朝向深层水延伸，进气口45设置在第一管43上临近第二管道42的位置。具体地，进气口45的进气方向和第一管43的水流
方向形成夹角。在本实施例中，第一管43水平延伸，第二管44垂直延伸，该夹角为介于50
°‑
70
°
之间的锐角，例如60
°
。水泵2通过第一管道3将底部水抽取上来，然后沿着第一管43水平流动，水在流动过程中会形成负压。负压可以将外界气体从进气口45吸入。然后气体和液体混合，通过第二管44一起下行，在这个过程中可以形成纳米气泡，从底部的出水口41流出。
32.本发明基于移动平台1，利用水泵2和第一管道3将30-100米的深水水体(比如水库或者海洋)底部缺氧水抽上来，通过进气口45外接气源(可以是空气，也可以是纯氧)，在水中产生纳米气泡，再通过第二管道4将富含纳米气泡的水送回到深水缺氧区域，这样就可以将纳米气泡有效送到深水区域，降解深水中的营养物质，为水体增氧，并且有效改善底泥。增加的氧气有助于底部水生动植物的生长，有助于底部生态恢复。
33.特别地，第二管道4的出水口41距离底部0.5-2米的距离，例如1米左右。应该理解，这里的底部指的就是水体(湖泊海洋江河)的水底，受污染的水体的底部通常呈黑臭状态，也称之为底泥。由于几十年积累，底泥中含有大量营养物质和有机物。第二管道4的出水口41设置成水平，使得水流水平扩散，不对底泥造成扰动，以避免扰动状态下的底泥中的污染物进入水体造成内源性污染。
34.如图2所示，根据本发明的另一个优选实施例的纳米气泡深水设备将上一实施例中的进气口45替换为纳米气泡发生装置450，其上设置有气体入口451。结合纳米气泡发生装置450，可以产生浓度更高的纳米气泡水，加快对底部水体的改善速率。应该理解，通过气体入口451进入纳米气泡发生装置450的气体可以用空气，也可以用纯氧，利用纯氧的治理速度更快。一旦治理达到效果，可以将整个设备移走，不影响水体结构，对环境的影响降到最低。
35.相比于表面水下行，本发明不会对深层水体造成负面影响。对于很多深层水体，上下层水的温度、密度、所含物质、微生物等等都具有较大区别。如果贸然的将上层富氧水送入底部，可能会改变深层水体环境。甚至将表面的污染物送入水底，对底部水体进一步造成污染和破坏。而本发明直接利用深层的底部水，加入纳米气泡之后再送回水底，不会对深层水体产生影响，不会对水体生态造成破坏。
36.利用基本的物理学的功和能量的原理，忽略密度的影响，将100米深的水，抽到水面上1米的位置，所做的功为w1。将2米深的等量的水，抽到水面上1米的位置，所做的功为w2。w1和w2是相等的，和深度没关系。本发明中虽然下面的水被抽上去了，但是周围的水会落下来，做正功。一正一负，实际付出的功不会增加。因此，本发明虽然是将深层水抽上来，但是水泵的能耗并不会很高。整套设备的运行成本非常低。本发明将以上所有设备放在船上等可移动式的平台上，可以作用于较大范围，而且安装成本、运行成本都会非常低。不会造成水体治理之后，设备空置浪费的情况。
37.本发明并不是永久的固定设施，而是可移动式的，不用设置电缆、固定水面平台、缆绳、固定管道等永久设施，不会对水体、生态、通航等造成永久性影响。治理好之后可以将设备移走，整套设备可以重复利用。本发明使用方便、安装运营成本低、对环境造成的影响小
38.本发明直接利用底部水，由于上层水和下层水中的物质含量、微生物都有所不同。如果贸然将上下层水混合，有可能给水生态造成破坏。而本发明直接利用底部水，不会对水体环境造成影响。
39.总之，本发明可以治理深水大型水体，目前其他技术手段几乎都无法治理深水，或者治理的效果欠佳、成本较高。中国目前有9.8万座水库，很多水库的水深达到几十米，很多水库都出现富营养化、缺氧的问题，但是目前缺乏有效治理手段。很多人类聚集的近海海洋，比如中国的东海，渤海湾，南海，日本的东京湾，北欧的波罗的海，北美的墨西哥湾，也都存在比较严重的水体富营养化、缺氧、赤潮等问题，由于水深、面积大等因素，目前没有有效治理手段。本发明可以用于这种大型水体的治理。
40.以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

技术特征：
1.一种纳米气泡深水设备，其特征在于，该纳米气泡深水设备包括移动平台、水泵、第一管道和第二管道，其中，移动平台可移动地设置于水面上，水泵放置于移动平台上，与水泵连通的第一管道伸入深层水中以使得水底的缺氧水沿着第一管道上行，与水泵连通的第二管道伸入深层水中以使得氧气纳米气泡水沿着第二管道下行。2.根据权利要求1所述的纳米气泡深水设备，其特征在于，第二管道具有相交的第一管、第二管和进气口，其中，第一管在移动平台上与水泵直接连接，第二管从第一管的末端朝向深层水延伸，进气口设置在第一管上临近第二管道的位置以引入空气或氧气。3.根据权利要求2所述的纳米气泡深水设备，其特征在于，第一管水平延伸，第二管垂直延伸，进气口的进气方向和第一管的水流方向形成介于50
°‑
70
°
之间的锐角。4.根据权利要求1所述的纳米气泡深水设备，其特征在于，第二管道上连接有纳米气泡发生装置，通过气体入口将空气或氧气引入纳米气泡发生装置。5.根据权利要求1所述的纳米气泡深水设备，其特征在于，第一管道的自由端形成为进水口，其末端加装有第一滤网。6.根据权利要求1所述的纳米气泡深水设备，其特征在于，第二管道的自由端形成为出水口，其末端加装有第二滤网。7.根据权利要求6所述的纳米气泡深水设备，其特征在于，出水口距离底部0.5-2米的距离。8.根据权利要求6所述的纳米气泡深水设备，其特征在于，出水口水平设置。9.一种可移动式深水环境治理的方法，其特征在于，该方法包括利用权利要求1-8中任一项所述的纳米气泡深水设备进行水治理以解决超过30米深的深水体的缺氧问题。

技术总结
本发明涉及一种纳米气泡深水设备，包括移动平台、水泵、第一管道和第二管道，移动平台可移动地设置于水面上，水泵放置于移动平台上，与水泵连通的第一管道伸入深层水中以使得水底的缺氧水沿着第一管道上行，与水泵连通的第二管道伸入深层水中以使得氧气纳米气泡水沿着第二管道下行。根据本发明的可移动式深水环境治理的方法，其包括利用上述的纳米气泡深水设备进行水治理以解决超过30米深的深水体的缺氧问题。本发明在纳米气泡技术的基础上，将整个装置放在船等可移动平台上，通过两根深水管道连接底部水体，能够解决几十米甚至上百米的大型深水水体缺氧的问题，能够有效去除深水中的营养物质含量，有助于深水生态的恢复，几乎不会带来副作用。乎不会带来副作用。乎不会带来副作用。


技术研发人员：杨晓东 张立娟 胡钧
受保护的技术使用者：中国科学院上海应用物理研究所
技术研发日：2023.03.03
技术公布日：2023/7/26