一种自适应水位变化的多功能净化箱
阅读说明：本技术 一种自适应水位变化的多功能净化箱 (Multi-functional purifying box capable of self-adapting to water level change ) 是由 任凌霄 丁克强 杨明昊 吴浩宇 于 2021-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种自适应水位变化的多功能净化箱,属于水环境治理和保护技术领域；包括净化箱体、隔板、生态浮床模块、闸门和连接杆；净化箱体固定放置于河道内,所述隔板将所述净化箱体分隔为上游隔间和下游隔间；生态浮床模块设置于上游隔间并可跟随水位变化发生自由的上下移动,生态浮床的上下移动可通过连接杆带动闸门进行开启和关闭,从而保证净水箱的过水效果；正常水位时净化箱的入水方向和出水方向处在垂直方向,过流水体和绕流水体汇合形成错流,使水体流速减缓并净化箱体内得到充分净化,提高净化效果；高水位时生态浮床能够自主上浮,并通过连接杆带动闸门开启,从而减小净化箱的阻水效果。(The invention discloses a multifunctional purifying box capable of self-adapting to water level change, belonging to the technical field of water environment treatment and protection; comprises a purifying box body, a clapboard, an ecological floating bed module, a gate and a connecting rod; the purifying box body is fixedly arranged in a river channel, and the clapboard divides the purifying box body into an upstream compartment and a downstream compartment; the ecological floating bed module is arranged in an upstream compartment and can freely move up and down along with the change of the water level, and the up and down movement of the ecological floating bed can drive the gate to be opened and closed through the connecting rod, so that the water passing effect of the water purifying tank is ensured; when the water level is normal, the water inlet direction and the water outlet direction of the purification box are in the vertical direction, and the overflowing water body and the streaming water body are converged to form cross flow, so that the water flow speed is reduced, the interior of the purification box is fully purified, and the purification effect is improved; ecological bed of floating can independently come up during high water level to drive the gate through the connecting rod and open, thereby reduce the effect of blocking water of purifying box.)
技术领域
本发明属于水环境治理和保护技术领域，具体涉及一种自适应水位变化的多功能净化箱。
背景技术
水资源是人们日益关注的重大问题，随着近年来工农业的迅速发展和人口的显著增加，湖库面源污染和水体富营养化程度不断提高，影响了社会和经济的可持续发展，成为当今生态环境的研究热点。在富营养化发生时，大量未经处理或处理不完全的污废水会直接排放入湖泊、河流等，造成氮磷营养盐、残留农药、重金属离子等污染物大幅度增加，这严重影响了下游河湖水质、群众生活质量和工农业生产用水安全，并会加剧流域生态安全隐患。与此同时，水处理技术经过多年的发展，已经从以沉淀、过滤等物理处理方法为主逐渐发展到高级氧化、膜处理、混凝沉淀等多种技术综合运用的阶段，但是这些方法的实施成本相对较高，在野外自然水体中的推广价值并不高。因此，研发一种应用于输水河道污染控制的水处理装置，对保障河湖水质安全及社会的可持续发展重要的现实价值。
目前净化河湖水体的主要手段是生物技术，生物净化技术是指利用生物的生命代谢活动来降低水体污染物浓度或使其完全无害化，从而使受到污染的水环境能够部分或完全恢复到原初状态的过程。目前常用于野外的污染物生物处理技术有构建人工湿地、设置滨岸缓冲带、打造生态护岸、建造生态渠道等技术，其中人工湿地和滨岸缓冲带的构建占地面积大、耗费时间长，而将传统垂直硬化的护岸进行生态化改造的施工难度和成本较大，因此它们在推广和应用方面受到了一定程度的限制。目前大多数生态渠道的构建方法都是在现有的排水河道或沟渠中种植水生植物或布设一些净化装置，如摆设生物净化箱和生态浮床等，这些措施在一定程度上降低了水体中污染物的浓度。但是净化箱容易受到沟渠底部泥沙附着的影响，而生态浮床的生长过程中需要及时清理和采收，否则腐败的枝叶会再次进入水体、造成二次污染。更重要的是，传统生物净化箱和生态浮床在河道中均具有明显的阻水作用，而在大水流的冲击下净化箱和浮床底部的植物根系易受水流、泥沙的冲击而造成伤害。
中国专利CN107055808 A公开了一种挂箱式组合浮床，包括浮床基体、若干个生物净化箱和若干个吊挂机构；该专利通过吊挂机构将生物净化箱连接在浮床基体的下方，各个净化箱之间采用柔性串接方式，箱体可随水流摆动，有效的减小了对水流的阻力，具有净化效率高、阻水率低、安装方便等优点。但是该发明不能解决净化箱体对水的阻力。
中国专利CN210393872 U公开了用于河湖水质净化的模块式生物净化箱，该专利的填料采用软性纤维填充物，软性纤维填充物填充于镂空球形骨架内，所以填料不易堵塞；该专利虽然解决了填料堵塞的问题，箱体为透水结构，但还是无法解决汛期净化箱体的阻水问题。
因此需要一种生态净化装置，科学结合生物净化箱和生态浮床的优势，在净化水体污染物的同时能降低净化装置的阻水效果、保证水生植物存活率；能显著降低生态净化装置的布设及维护成本，对于受污染河湖水体的治理具有积极的意义。
发明内容
针对以上现有技术的不足，本发明提供了一种自适应水位变化的多功能净化箱，耦合了生态浮床和生物填料球，大幅度提升水体净化效率；生态浮床随水位上下移动时带动闸门的开启和关闭，从而保证净化箱的过水效果，解决净化箱的阻水问题。
为达到上述发明目的，具体通过以下技术实现：
一种自适应水位变化的多功能净化箱，其特征在于，包括净化箱体、隔板、生态浮床模块、闸门和连接杆；
所述净化箱体内部为空腔结构，所述隔板将所述净化箱体分隔为上游隔间和下游隔间；所述上游隔间的顶部开口，所述生态浮床模块设置于所述上游隔间内；所述上游隔间与所述隔板相对的侧面设有进水孔，与所述进水孔所在侧面垂直的侧面上设有出水孔；所述下游隔间与隔板相对的侧面开口，所述下游隔间的顶部设有通孔，所述闸门穿过所述通孔与所述隔板平行；所述隔板上设有矩形通孔和过水通道，所述连接杆一端与所述闸门固定连接，另一端通过所述矩形通孔与所述生态浮床模块固定连接。
本发明的生态浮床模块上下移动可带动闸门进行开启和关闭，进而影响净化箱的过水方式、水力停留时间和污染物净化效果。河道水体从所述进水孔流入净化箱体，净化箱内的水体从所述出水孔流出净化箱，进水孔和出水孔设于相互垂直的侧面上，所以过流水体和绕流水体汇合形成错流，使绕流水体流速减缓，在净化箱体内得到充分净化。
进一步的，所述闸门的宽度与所述下游隔间的开口侧的长度相同，长度大于净化箱体的高度。当闸门处于关闭状态时，水流无法从净化箱体的开口侧流出。
进一步的，所述上游隔间的体积为所述下游隔间的3～4倍。
进一步的，所述进水孔上下边缘距净化箱体上下边缘10～15cm，出水孔的下边缘比进水孔的下边缘高5～8cm。可以将沉降的泥沙收集在上游隔间的底部。
进一步的，所述生态浮床模块包括浮床框架、种植基体、水生植物和生物填料球单元；所述浮床框架与所述上游隔间之间存在间隙，所述种植基体固定在所述浮床框架上，所述生物填料球单元固定连接在所述浮床框架的下方。所述生物填料球单元的数目可根据净化箱体的尺寸进行调整，从而通过增减填料球单元达到调节浮床模块重量的目的。
所述浮床框架与所述上游隔间之间存在间隙，所以随着水位变化浮床框架能够在净化箱体内自由地发生上下移动。
进一步的，所述生物填料球单元包括生物填料球和连接结构，所述生物填料球材质为聚烯烃塑料，外形为镂空球形，所述生物填料球内装有聚氨酯基体的生物填料。
进一步的，所述净化箱体底部铺设有净化砾石层，砾石的粒径为3～5cm。所述砾石层在稳固净化箱体的同时，通过接触氧化工艺加强本发明对水体的净化效果，并且能够接纳一部分过流水体的沉降泥沙颗粒。
进一步的，所述净化箱交错设置在河道中，所述进水孔所在侧面与护岸底部平齐，所述出水孔放置在远离河道护岸的一侧。
进一步的，河道水体从进水孔进入箱体，当处于非汛期正常水位时，闸门处于关闭状态，水体经过净化箱的净化后从出水孔流出；当处于汛期时，浮床模块通过连接杆带动闸门开启，水体经过净化箱体的净化后从出水孔和过水通道流出，以减少净化箱对水流的阻力。
进一步的，所述隔板为可拆卸结构，以方便定期清理净化箱内泥沙、清除腐败水生植物枝叶、维护生态浮床或更换生物填料球。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
(1)本发明在净化箱的基本结构中耦合了生态浮床和生物填料球，可以大幅度提高水体净化效率，其中生态浮床可以根据水位变化上下移动，在保证水生植物持续生长的同时带动闸门的开启和关闭，从而保证净水箱的过水效果；
(2)正常水位时净化箱的入水方向和出水方向处在垂直方向，过流水体和绕流水体汇合形成错流，使绕流水体流速减缓并净化箱体内得到充分净化，提高净化效果；高水位时生态浮床能够自主上浮，并通过连接杆带动闸门开启，从而减小净化箱的阻水效果；
(3)本发明将净化箱体分成上游隔间和下游隔间，隔板和闸门在一定程度上具有消波板的作用：当河道水体进入上游隔间或经由过水通道进入下游隔间时，会分别受到隔板和闸门的阻碍作用而改变流向，从而使得净水箱内部的水流相对平稳，以减小河道水体流速波动对净化箱体内部状态的影响；同时水流平稳有利于泥沙在净化箱体内沉降，从而减少泥沙对水生植物生长和填料球上微生物繁殖的不利影响；
(4)生态浮床的植物可以自主选择种类和种植密度，水生植物可以随时取走进行更换和修理，同时可根据生态浮床的整体重量调节生态浮床的浸水深度，进而调节闸门的启闭程度；
(5)本发明的净化箱结构简单且便于安装，施工过程便捷且易于推广实施，不需要大量基建工程并可在多类型河道中推广使用，且多个净化箱交错安装于河堤中使用可提高对河道水体的净化处理效果。
附图说明
图1为本发明多功能净化箱安装在河道内的结构示意图；
图2为本发明多功能净化箱安装在河道内的正面示意图；
图3为本发明多功能净化箱的结构示意图；
图4为多功能净化箱安装在河道内的俯视图；
图5为正常水位时图4的A-A剖面图；
图6为高水位时图4的A-A剖面图；
图7为高水位时图4的A′-A′剖面图；
图8为高水位时图4的B-B剖面图；
其中：1、河道护岸；2、净化箱体；3、闸门；4、水生植物；5、进水孔；6、水位； 7、护岸底部；8、槽位；9、出水孔；10、水流方向；11、浮床框架；12、种植基体；13、隔板；14、连接杆；15、过水通道；16、尼龙绳；17、生物填料球；18、砾石层；19、矩形通孔。
具体实施方式
下面将对本发明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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中部”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
实施例1
如图1～2所示，本实施例提供了一种自适应河道水位变化的多功能净化箱，其包括净化箱体2、隔板13、生态浮床模块、闸门3和连接杆14；净化箱体2固定放置在位于河道护岸1之间的河道内，净化箱体2的底部边缘与护岸底部7平齐；如图3所示，本实施例的净化箱体2为长方体，内部为空腔结构，净化箱体2采用工程塑料整体成型，箱体壁厚 5～7cm；长度方向上的箱壁顶部开设有槽位8，槽位8的宽度为2～3cm，深度为1～2cm；如图5所示，隔板13垂直安装在净化箱体2的左侧约1/4处，隔板13的横截面为倒置的 L形，隔板13采用工程塑料整体成型；隔板13的宽度和净化箱体2的宽度(除壁厚外) 相同，长度和净化箱体2的高度相同。隔板13将净化箱体2分隔成上游隔间和下游隔间，上游隔间的顶部开口，上游隔间右侧的侧面上设有若干个矩形进水孔5；水体沿河道水流方向10，从净化箱体2右侧的进水孔5流入净化箱体2的上游隔间；进水孔5的上下边缘距净化箱体2的上下边缘10～15cm，进水孔5的宽度和数量可根据流量自行调节；净化箱体2的上游隔间的外侧面开设有若干个矩形的出水孔9，净化箱体2内的水可从出水孔9 流出；出水孔9的高度为20～30cm，出水孔9的下边缘比进水孔5的下边缘高5～8cm，以使得本发明的净化箱对沉降的泥沙具有一定的收集作用。
如图4～5所示，本实施例的生态浮床模块设置在净化箱体2的上游隔间并可随水位6 的变化自由的上下移动；包括浮床框架11、种植基体12、水生植物4和生物填料单元；种植基体12固定在浮床框架11上，用于种植水生植物4，生物填料球单元固定连接在浮床框架11的下方。
如图8所示，隔板13的顶面两端设有凸起，隔板13通过凸起与净化箱体2箱壁顶部的槽位8进行卡接固定；隔板13的侧面上方对称开设两个矩形通孔19，下方开设有两个圆形的过水通道15；过水通道15的下边缘距离净化箱体2底部的距离为8～10cm，如图5 所示，净化箱体2上游隔间的水可经过水通道15流入下游工作隔间。
如图5所示，本实施例的隔板13的顶面设有通孔，闸门3安装于隔板13顶面的通孔内，闸门3可以在通孔内垂直上升或下降；闸门3的宽度和净化箱体2的宽度(除壁厚外) 相同，长度大于净化箱体2的高度，厚度为1cm，内部中空，材质为不锈钢；当闸门3处于关闭状态时，水流无法从净化箱体2的左侧流出；连接杆14的一端与闸门3固定连接，另一端通过矩形通孔19与浮床框架11固定连接。所述连接杆14可通过隔板13侧面上的矩形通孔19上下移动，所以当生态浮床模块上下移动时，生态浮床模块可通过连接杆14 带动闸门3进行开启或关闭。连接杆14在闸门3的连接位置为：当闸门3处于关闭状态时，河道的正常水位高度处；矩形通孔19的底部高度为河道正常水位高度，顶部的高度为汛期河道最高水位高度；
如图4所示，本实施例的浮床框架11为中空结构，材质为工程塑料，能使生态浮床模块漂浮于水面；浮床框架11的宽度和长度比净化箱体的上游隔间内部的宽度和长度小 1～2cm，浮床框架11随着水位6变化能够在净化箱体2内自由上下移动；种植基体12间留有一定间隙，以增大下方水体的气体交换面积。如图5所示，生物填料球单元包括若干条尼龙绳16和若干个生物填料球17，所述尼龙绳16的上端固定连接于浮床框架11，尼龙绳16上等间距固定连接若干个生物填料球17，生物填料球17的间距为5～8cm。生物填料球17的材质为聚烯炔塑料，外形为镂空球形，内装有聚氨酯基体的生物填料。
如图4所示，净化箱体2的上游隔间的底部铺设砾石层18，砾石的粒径为3～5cm，砾石层18的上边缘低于进水孔5的下边缘，并与过水通道15的下边缘齐平；所述砾石层18 在稳固净化箱体2的同时，通过接触氧化工艺加强本发明多功能净化箱对水体的净化效果，并能够接纳一部分过流水体的沉降泥沙颗粒。
本发明的工作原理：首先根据净化箱体2的尺寸和水质净化要求，设计生态浮床模块的组合形状、水生植物种植密度和浮床框架11下方串联的生物填料球17的数目；然后根据浮床模块的尺寸确定隔板13的长度和固定位置；再根据目标河道水位6的变化范围确定闸门3与连接杆14的固定连接位置，组装完成的多功能净化箱固定放置于河道护岸1 之间的河道内。
在非汛期正常水位的情况下，如图5所示，生态浮床模块漂浮于水位6并处于较低位置，浮床框架11通过连接杆14带动闸门3处于关闭状态；此时河道的污染水体从进水孔 5进入净化箱体2，水体沿水流方向10冲击闸门3后部分泥沙颗粒会在净化箱体2的下游隔间内沉降，随后水体会从出水孔9流出，过流水体和绕流水体汇合形成错流时会使绕流水体流速减缓，使水体在净化箱体2内得到充分净化；净化箱上游隔间的砾石层18能够通过接触氧化工艺强化本发明的污染物去除效果，而过流水体的一部分泥沙也会逐渐沉降于砾石层18内部。当河道水位低于正常水位时，可以暂时把浮床上方的水生植物4拿掉，直接利用浮床框架下方悬挂的生物填料球17进行净化水质，并通过增加生物填料球17的数目以增加生态浮床模块的重量，达到闸门关闭的效果。
在汛期高水位的情况下，如图6～7所示，生态浮床模块漂浮于水位6并处于较高位置，浮床框架11通过连接杆14带动闸门3处于开启状态；此时河道的污染水体从进水孔5进入净化箱体2后，一大部分水体会沿着水流方向10经过水通道15流出净化箱体2，从而减小本发明净化箱对水体的刚性阻碍作用、提高过流量。在河道行洪结束后，河道水位6 的下降使得生态浮床所处位置再次下降，闸门3再次处于关闭状态，本发明净化箱恢复至正常水位时的工作情况。两种工作状态下，生态浮床模块底部固定连接的生物填料球17 可随着水流摆动，在保护植物根部、减小水流冲刷的同时，有效提高本发明对污染水体的净化效率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。