我國許多地方湖泊都存在水體富營養(yǎng)化的情況, 嚴重影響了水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的保護。目前,主流的葉輪與耕水機等傳統(tǒng)機械式充氧機充氧速度與效率僅約10%,橡膠管微泡充氧也僅為30%,這些設備體積大且能耗高。
因此,需要設計一種高效智能化的水體富營養(yǎng)化動態(tài)抑制裝置,讓其既能抑制水體富營養(yǎng)化又能處理底層污水,保持或恢復水體的自凈能力。
一、高效充氧機構——“肺束”仿生構思
肺的通氣是肌肉收縮和舒張造成肺內氣壓低于和高于大氣壓,從而使氣體進出肺部。肺泡的氣體交換則是毛細血管中的氧濃度低于肺泡內氧濃度(二氧化碳相反),從而使氧氣進入毛細管血液(二氧化碳進入肺泡)即由高濃度向低濃度擴散的滲透原理。
肺能高效吸收氧氣的器官就是肺泡毛細血管,毛細血管上分布著密密麻麻的微孔,具有極大的通氣量和比表面積,對氧氣有較高的選擇透過性。
能否找到或人工合成類似毛細血管結構的材料?能否在一定動力條件下,促使空氣的氧氣選擇性地透過這種材料,進入水體充氧,而讓空氣的氮氣排空?
通過查閱文獻,一些類似于肺泡毛細血管的有機高分子合成纖維被人們稱為“肺束”,它比微管曝氣充氧產(chǎn)生的氣泡直徑更小、穩(wěn)定性更好,且與水體接觸比表面積非常大,充氧效率極有可能明顯優(yōu)于目前主流的微管曝氣充氧。
利用疏水性微孔膜無泡供氧時,由于水不能浸潤膜,膜微孔始終保持干燥,氣體直接通過膜上的微孔從氣相轉移到液相。實際操作中需要把氣壓控制在泡點以下,以保障形成能久溶于水體的微細氣泡,避免氣泡過大、過激從水中迅速逃逸至空氣中。
膜材料的選擇是“肺束”充氧機構的關鍵,本項目通過膜通量及氧氮選擇性等技術測試,選擇了綜合性能最優(yōu)的日本產(chǎn)SS膜作為肺束材料進行研究。
二、肺束充氧機構工作原理
光伏空壓機把壓縮空氣經(jīng)流量計和壓力表壓入肺束充氧機構進氣管。壓縮空氣從進氣管經(jīng)過旋轉接頭進入肺束模組。在保持氣壓低于泡點條件下,讓壓縮空氣流經(jīng)肺束模組內的肺束膜管,其中氧氣分子選擇性透過纖維管壁上廣泛分布的極細小膜孔,形成肉眼難以看見的極微小氣泡,溶入膜外水體中,提高水體的溶氧量。經(jīng)過一定時間后,未通過肺束膜的富氮空氣通過排氮管排空。
充氧和排氮交替進行可減小充氧阻力并提高充氧效率。利用控制模塊控制變頻電機,帶動肺束充氧機構變速旋轉。該旋轉作用有兩點,一是加快水體循環(huán),加速高溶氧水體的擴散,使水體溶氧更均勻,二是產(chǎn)生沖擊肺束膜的剪切力,使富氧氣泡更易脫離肺束膜,快速溶入水體,增加溶氧量,避免微小氣泡聚集形成大氣泡,并防止懸浮顆粒堵塞膜孔。
基于以上研究,我們的整體設計方案見圖2。
該裝置由肺束與空壓機構、光伏提水與生物凈化機構、水質采集與信息控制機構等組成。通過實時監(jiān)測水體富營養(yǎng)化過程,在水質接近富營養(yǎng)化的臨界點時自動啟動本裝置,為水體生物提供足夠的溶氧,提高水體自凈能力,抑制水體富營養(yǎng)化。
由于肺束充氧機構比表面積大、富氧膜在變速旋轉產(chǎn)生剪切力,促使肉眼難以看見的微小富氧氣泡溶于水體,再加上間歇式充氧排氮的工作方式,為好氧微生物氧化降解氮磷和有機物提供保障。
為了水體溶氧量及底層污水的實時監(jiān)測處理,本機構采用光伏電池系統(tǒng)(含光伏板、蓄電池、逆變器等)、水泵、溶氧量及水質傳感器、生物凈化床等協(xié)調作用,實現(xiàn)設計功能。
本裝置具有水質富營養(yǎng)化臨界點測定、水體高效充氧、水體凈化以及智能控制等基本功能。經(jīng)測試,本裝置充氧效率達90%,既能處理底層富營養(yǎng)化水體,又能通過高效充氧,利用好氧微生物氧化降解氮、磷和有機物,抑制水體富營養(yǎng)化,恢復水體的自凈能力,具有良好的環(huán)保和生產(chǎn)應用前景。(指導老師:段家鐵 蔣銀生)