CN104731004B - 湖库流域的生态因子及基因表达纳米调控设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种湖库流域的生态因子及基因表达纳米调控设备。主要由空压机、储气罐、气体处理单元、生态因子控制单元、水质监测及系统控制PLC、采样及监测单元、阵列可控纳米曝气盘、微气泡及微纳米气泡扩散装置、滤网所组成。本发明具有连接简便快捷、结构牢靠、外形美观的优点。能够安全、可靠、高效地抑制水体富营养化发生。

Description

湖库流域的生态因子及基因表达纳米调控设备

技术领域

本发明涉及抑制水体富营养化设备，特别涉及一种湖库流域的生态因子及基因表达纳米调控设备。

背景技术

我国的江河湖库水体污染主要包括氮磷等营养物和有机物污染两方面。另外，湖库流域蓝藻及赤潮给水域生态、人体饮水安全也造成了严重危害。对于富营养化的控制，发达国家以控制营养盐为主，大多采取“高强度治污 - 自然生态恢复”的技术路线，即控制外源磷污染负荷并配合生态恢复措施，在这方面已经取得较大成效。去除藻类与控制其生长是湖泊水库水体恢复与保护的难题。目前国际上采用的技术主要有三类 ：1）化学方法 ：如加入化学药剂杀藻、加入铁盐促进磷的沉淀、加入石灰脱氮等，但是易造成二次污染 ；2）物理方法 ：疏挖底泥、机械除藻、引水冲淤等，但往往治标不治本 ；3）生物 - 生态方法：按照仿生学的理论对于自然界恢复能力与自净能力的强化。这是人与自然和谐相处的合乎逻辑的治污思路，是一条创新的技术路线，也是当前生态修复技术的研究开发热点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够安全、可靠、高效地抑制水体富营养化发生的湖库流域的生态因子及基因表达纳米调控设备。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：本发明主要由空压机、储气罐、气体处理单元、生态因子控制单元、水质监测及系统控制PLC、采样及监测单元、阵列可控纳米溶氧盘、微气泡及微纳米气泡扩散装置、滤网所组成，所述的空压机的出气端通过气管与储气罐的进气口相连，储气罐的出气口通过气管与气体处理单元的一端相连，气体处理单元的气体由出气口通过气管进入生态因子控制单元内，压力传感器安装于气管上；生态因子控制单元内的压力流量控制PLC的信号输入端通过信号线与水质监测及系统控制PLC的信号输出端相连，压力流量控制PLC 的信号输入端通过信号线分别与压力传感器、流量传感器相连；压力流量控制PLC的控制端通过控制线分别与压力调节阀、流量调节阀信号接收端相连，流量调节阀的出口通过气管与阵列可控纳米溶氧盘的一端相连，所述的水质监测及系统控制PLC的信号输入端通过信号线与采样及监测单元内的水质探头控制器的信号输出端相连；水质监测及系统控制PLC的控制端通过控制线分别控制放样阀、取样阀、循环水泵的开启与关闭，取样阀的右侧部通过取样管与滤网的一端相连，取样阀的左侧部通过取样管与负压罐的右侧部相连。

所述的采样及监测单元内的水箱通过水管与循环水泵的进水口相连，循环水泵的出口与射流器的进水口相连，射流器通过抽气管与负压罐相连，射流器的出水通过水管循环至水箱内，负压罐底部的放样阀的出水口与监测槽相连。

所述的水质探头控制器的底部连接有水质探头，水质探头置于监测槽之内。

所述的水质探头为公知的溶解氧测定探头、温度测定探头、pH 测定探头、ORP 测定探头、浊度探头、氨氮测定探头中的其中一种和 / 或两种和 / 或三种和 / 或四种 /或五种 /或六种组成。所述的与水质监测及系统控制PLC相连的生态因子控制单元的数量为3个或 3个以上。

所述的取样阀的数量为 3个或 3个以上。

所述的滤网的数量为 3个或 3个以上。

所述的气体处理单元内的气体净化单元的进气口与储气罐的出气口通过气管连接，气体净化单元的出气口分为两个气管，气管分别与一个气体阀门的进气口连接，其中一个气体阀门的出气口连接气体转化单元，气体转化单元的出气口通过气管与一个气体阀门的进气口连接，气源的出气口通过气管与一个气体阀门的进气口连接，气体净化单元的出气口后的另一个气体阀门的出气口、气体转化单元后的气体阀门的出气口与气源后的气体阀门的出气口通过气管汇总为总的出气气管，气体净化单元由公知的冷干机、精密过滤器、分子筛相连组成，气体转化单元由公知PSA制氧机、臭氧发生器组成，进气为压缩空气，出气为纯氧或臭氧，气源由公知的氧气瓶组成。

所述的阵列可控纳米溶氧盘的数量为3个或3个以上，阵列可控纳米溶氧盘的布点形状为多边形，以使微气泡及微纳米气泡扩散装置位于溶氧盘所布点形状之中。

所述的阵列可控纳米溶氧盘由 9 个或 9 个以上固定在固定支架上的公知的溶氧曝气盘组件所组成，固定支架上分布有 42个或 42个以上固定孔，溶氧曝气盘组件通过固定孔固定在固定支架上，固定孔可固定额外的溶氧曝气盘组件，以调整间距和阵列可控纳米溶氧盘内的溶氧曝气盘组件的数量，固定支架四个端点分别连接一个支脚；所述的溶氧曝气盘组件的连接方式为：与流量调节阀相连的气管在进入阵列可控纳米溶氧盘后，分为两个充氧干管，充氧干管上分别连接一个调节阀，其中一个调节阀的出口通过充氧支管连接至阵列可控纳米溶氧盘的中部的溶氧曝气盘组件上，另一个调节阀的出口通过充氧支管连接至阵列可控纳米溶氧盘外围的溶氧曝气盘组件上，两个气路不相通，并调整通过中部的溶氧曝气盘组件的气体的流量和压力大于外围的溶氧曝气盘组件的平均流量和压力；所述的一个溶氧曝气盘组件的进气端与另一个溶氧曝气盘组件的出气端相连，气路末端的溶氧曝气盘组件的出气端由堵头封堵。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是 ：

1.本设备以采样及监测单元采集水体多个点位水质数据，通过水质监测及系统控制PLC可综合分析大范围水体水质状况；

2.采样及监测单元内的水质探头及水质探头控制器可监测多项水质指标，可保证监测数据的详细充分，最大程度的保证水质监测及系统控制PLC水质综合分析结论的准确性；

3.水质监测及系统控制PLC将每个点位的水质状况传输至该点位对应的阵列可控纳米溶氧盘的控制单元，即相对应的生态因子控制单元，可保证生态因子控制单元可根据处理效果进行针对性地调整生态因子；

4.生态因子控制单元通过控制输出气体的流量和压力，可控制阵列可控纳米溶氧盘的出气量和气体压力；

5.每套阵列可控纳米溶氧盘上的两个调节阀 ,可使阵列可控纳米溶氧盘内中部溶氧曝气盘组件的流量大、压力略高、气泡流速高、气泡粒径大，将水体向上托举、循环的能力强，外围溶氧曝气盘组件的流量、压力受压力流量控制 PLC 的控制，处于最适合范围，产生的气泡粒径小，上升流速慢，则中部快速上升的水流可带动外围溶氧曝气盘组件产生的微纳米级气泡迅速向上流动、在水体中循环，增加纳米级气泡扩散面积；

6.生态因子控制单元可将出气的流量、压力调整至溶氧曝气盘组件的开启压力，在开启压力下，溶氧曝气盘组件产生的气泡粒径最小，部分达到纳米级，气泡的直径越小，则气体的利用率越高，则溶氧曝气盘组件可选用范围广，需在使用时调整出气的压力和流量即可，可选用金属或陶瓷盘面的溶氧曝气盘组件；

7.一个微气泡及微纳米气泡扩散装置与四周多个阵列可控纳米溶氧盘的组合，可形成中心微气泡及微纳米气泡扩散装置上方水体形成向下的流态；流至微纳米气泡扩散装置扩散盘平面时，水体流态变化为以微气泡及微纳米气泡扩散装置为中心，平行于扩散盘平面，向四周辐流；以微气泡及微纳米气泡扩散装置为中心向外扩散、流动的气水混合物被周围阵列可控纳米溶氧盘形成的上升流态带动，改变流态向上运动；上升到一定高度的含纳米气泡的水体受微气泡及微纳米气泡扩散装置形成的向下流态影响，与表层水再次向下循环；

8.水库表面的水经由微气泡及微纳米气泡扩散装置与多个阵列可控纳米溶氧盘形成的循环流态，经水库底部好氧底泥中环境友好微生物对表层水带入的营养盐、有机物等进行分解吸收转化，降低水体中污染物浓度；

9.生态因子控制单元通过调节阵列可控纳米溶氧盘通过的气体流量、压力及气泡粒径，控制阵列可控纳米溶氧盘周围较大范围内水体流态循环、溶解氧浓度，从而形成倒置层流、调控表层水光照时长、调节水体温变温跃、提高水体氧化还原电位、提高溶解氧浓度、均衡水体 pH等；

10.气体处理单元内可根据需要除安装冷干机、精密过滤器、分子筛或等净化处理产品之外，在净化后可安装PSA制氧机、臭氧发生器等能产生纯氧、臭氧等气体的气体处理装置，或直接将压缩空气与纯氧、臭氧等气体混合；

11.微气泡及微纳米气泡扩散装置与阵列可控纳米溶氧盘形成的纳米级微气泡破裂瞬间，由于气液界面消失的剧烈变化，界面上集聚的高浓度离子将积蓄的化学能一下子释放出来，此时可激发产生大量的羟基自由基等活性氧；设备若选用臭氧发生器，则直接可产生大量溶于水的活性氧等；

12.设备通过对生态因子进行调控，从水体流态、溶解氧浓度、表层水光照时长、温变温跃、水体氧化还原电位、pH、活性氧浓度等方面给水生生物以环境压力，当环境的变化超过机体的承受水平时，某些酶的活性被抑制或消失，另一些酶的活性增强或被诱导，在代谢活动中蛋白质重新被合成，为机体通过驯化而适应环境压力的应答或对细胞适应新环境起重要的作用 ；湖库流域内生物基因的转录水平、基因表达水平受到生态因子的影响及调控；

13.在水体污染物浓度较高、有毒有害污染物进入、藻类爆发等生态灾难发生时，可使用纯氧或臭氧对水体进行高效降解净化，对生物进行生态因子及基因表达调控。

附图说明

图1为实施例湖库流域的生态因子及基因表达纳米调控设备运行结构示意图。

图2为湖库流域的生态因子及基因表达纳米调控设备结构原理结构方框示意图。

图3为湖库流域的生态因子及基因表达纳米调控设备中生态因子控制单元4的内部结构放大示意图。

图4为湖库流域的生态因子及基因表达纳米调控设备中采样及监测单元22的内部结构放大示意图。

图5为湖库流域的生态因子及基因表达纳米调控设备中气体处理单元3的内部结构连接示意图。

图6为湖库流域的生态因子及基因表达纳米调控设备中阵列可控纳米溶氧盘10的组成连接结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明，但不是对本发明的限制。

如图 1、2、3、4、5、6 所示，一种湖库流域的生态因子及基因表达纳米调控设备，由空压机1、储气罐2、气体处理单元3、生态因子控制单元4、水质监测及系统控制PLC12、采样及监测单元 22、阵列可控纳米溶氧盘10、微气泡及微纳米气泡扩散装置11、滤网27所组成，所述的空压机1的出气端通过气管23与储气罐2的进气口相连，储气罐2的出气口通过气管23与气体处理单元3的一端相连，气体处理单元3的气体由出气口通过气管23进入生态因子控制单元4内，压力传感器5安装于气管 23上；生态因子控制单元4内的压力流量控制PLC9的信号输入端通过信号线24与水质监测及系统控制PLC12 的信号输出端相连，压力流量控制PLC9 的信号输入端通过信号线24分别与压力传感器5、流量传感器6相连；压力流量控制PLC9的控制端通过控制线25分别与压力调节阀7、流量调节阀8信号接收端相连，流量调节阀8的出口通过气管23与阵列可控纳米溶氧盘10 的一端相连，所述的水质监测及系统控制 PLC12 的信号输入端通过信号线24与采样及监测单元22内的水质探头控制器19的信号输出端相连；水质监测及系统控制PLC12的控制端通过控制线25分别控制放样阀18、取样阀17、循环水泵14的开启与关闭，取样阀17的右侧部通过取样管2与滤网27的一端相连，取样阀17的左侧部通过取样管26与负压罐16的右侧部相连。

所述的采样及监测单元22内的水箱13通过水管28与循环水泵14的进水口相连，循环水泵14的出口与射流器15的进水口相连，射流器15通过抽气管29与负压罐16相连，射流器 15的出水通过水管28循环至水箱13内，负压罐16底部的放样阀18的出水口与监测槽20 相连。

所述的水质探头控制器19的底部连接有水质探头 21，水质探头21置于监测槽20之内。

所述的水质探头 21 为公知的溶解氧测定探头、温度测定探头、pH 测定探头、ORP 测定探头、浊度探头、氨氮测定探头中的其中一种和 / 或两种和 / 或三种和 / 或四种 / 或五种/ 或六种组成。

所述的与水质监测及系统控制PLC12相连的生态因子控制单元4的数量为3个或3个以上。

所述的取样阀17的数量为3个或3个以上。

所述的滤网 27 的数量为3个或3个以上。

所述的气体处理单元3内的气体净化单元38的进气口与储气罐2的出气口通过气管23连接，气体净化单元38的出气口分为两个气管23，气管 23分别与一个气体阀门41的进气口连接，其中一个气体阀门41的出气口连接气体转化单元39，气体转化单元39 的出气口通过气管23与一个气体阀门41的进气口连接，气源40的出气口通过气管 23 与一个气体阀门41的进气口连接，气体净化单元38 的出气口后的另一个气体阀门41的出气口、气体转化单元39后的气体阀门41的出气口与气源40后的气体阀门41的出气口通过气管23 汇总为总的出气气管23，气体净化单元38由公知的冷干机、精密过滤器、分子筛相连组成，气体转化单元39由公知PSA制氧机、臭氧发生器组成，进气为压缩空气，出气为纯氧或臭氧，气源40由公知的氧气瓶组成。

所述的阵列可控纳米溶氧盘10的数量为3个或3个以上，阵列可控纳米溶氧盘10的布点形状为多边形，以使微气泡及微纳米气泡扩散装置11位于溶氧盘 10 所布点形状之中。

所述的阵列可控纳米溶氧盘10由9个或 9个以上固定在固定支架35上的公知的溶氧曝气盘组件33所组成，固定支架35上分布有42个或42个以上固定孔36，溶氧曝气盘组件33通过固定孔36 固定在固定支架35上，固定孔36可固定额外的溶氧曝气盘组件33，以调整间距和阵列可控纳米溶氧盘10内的溶氧曝气盘组件33的数量，固定支架35四个端点分别连接一个支脚37 ；所述的溶氧曝气盘组件33的连接方式为 ：与流量调节阀 8相连的气管23在进入阵列可控纳米溶氧盘10后，分为两个充氧干管31，充氧干管31上分别连接一个调节阀30，其中一个调节阀30的出口通过充氧支管32连接至阵列可控纳米溶氧盘10的中部的溶氧曝气盘组件33上，另一个调节阀30的出口通过充氧支管32连接至阵列可控纳米溶氧盘10外围的溶氧曝气盘组件33上，两个气路不相通，并调整通过中部的溶氧曝气盘组件33的气体的流量和压力大于外围的溶氧曝气盘组件 33的平均流量和压力 ；所述的一个溶氧曝气盘组件33的进气端与另一个溶氧曝气盘组件33的出气端相连，气路末端的溶氧曝气盘组件33的出气端由堵头34封堵。本发明的控制方式如下 ：

本发明的水质监测及系统控制 PLC12定期发出某点监测开始的信号，使循环水泵14启动、对应取样阀17开启 ；射流器15开始抽气，使负压罐16产生负压，通过取样管26将经滤网27过滤的湖库流域原水抽至负压罐16 ；待负压罐16内水样量达到设定值之后，水质监测及系统控制 PLC12 发出信号，关闭循环水泵14及取样阀 17，开启放样阀18，湖库流域原水进入监测槽20，水质探头21开始监测数据，并将水质信号传输至水质探头控制器 19，水质探头控制器19将数据上传至水质监测及系统控制 PLC12，水质监测及系统控制 PLC12对数据进行记录并分析，低于设定值（根据生态修复目标确定），则向监测点对应的生态因子控制单元4中的压力流量控制 PLC9 发出水质信号，压力流量控制 PLC9通过生态因子控制单元4 中的压力传感器5、流量传感器6感应当前压力及流量，并控制压力调节阀7、流量调节阀8，压力调节阀7、流量调节阀8对经由空压机1、储气罐2、气体处理单元3加压净化的气体的压力和流量进行调整，以此来调节阵列可控纳米溶氧盘10中通过的气体流量及压力，控制阵列可控纳米溶氧盘10产生的纳米气泡的粒径（压力越趋近平衡值，气泡越小，溶氧效率越高，水体溶解氧增加、氧化还原电位提高）、水体的流态（气体流量越大，水体循环加大，表层水循环进入深水层，温度交换增加，光照条件（光照时长改变），同时配合微气泡及纳米气泡扩散装置11形成水体循环流态、倒置层流，从而对湖库流域中的生态因子进行针对性的调控，如 ：提高溶解氧、提高氧化还原电位、适当降低表层水光照条件（光照时长）、平衡水温、促进水体循环流态（包括且不限于此）。生态因子受到调控，水生生物的基因的表达也因此受到调控。经过一个周期的处理，水质监测及系统控制 PLC12 再次发出某点监测开始的信号，再一次通过设备对该点的生态因子及基因表达进行调控。

本发明设备中的阵列可控纳米溶氧盘具有如下特点 ：

1.阵列可控纳米溶氧盘10有很大灵活性，可根据水深和水质情况及水域面积，调节纳米溶氧盘的间距和数量，服务面积可控、溶氧曝气盘组件33可选用范围广，仅需在使用时调整出气的压力和流量即可，无需特别选用超细盘面的溶氧曝气盘组件 33；

2.溶氧曝气盘组件33在开启压力下，产生的气泡粒径最小，部分达到纳米级，气泡的直径越小，则气体的利用率越高，阵列可控纳米溶氧盘10产生微米至几百纳米之间的极微气泡，气体可 98%-100% 溶解于水，无气泡逸散，最大限度节约气体，在水体中存在状态稳定，存在时间长，能最大面积的与水流接触，带动大面积的水体充氧 ；

3.阵列可控纳米溶氧盘10内由于两个调节阀 30的调控，中部溶氧曝气盘组件33将水体向上托举、循环的能力强，外围溶氧曝气盘组件33产生的气泡粒径小，上升流速慢，则中部快速上升的水流可带动外围溶氧曝气盘组件33产生的微纳米级气泡迅速向上流动、在水体中循环，增加纳米级气泡扩散面积；

4.阵列可控纳米溶氧盘10产生的是具有向上流态的微纳米气泡，循环水流高于底泥表面，不会搅动湖库流域水体底泥。

本发明设备所产生的活性氧微纳米气泡具有如下特点：

1.存在时间长 ：微纳米气泡尺寸越小，在水中上升的速度越慢；

2.传质效率高 ：自身增压效应，使气液界面处的传质效率得到持续增强，大大增加水中氧气的溶解度；

3.界面ζ电位高 ：微纳米气泡界面周围的电荷离子会形成双电层，产生的电势差，常利用ζ电位来表征，气泡的体积越小则界面处产生ζ电位就会越高，相应对水体中带电粒的吸附性能也就越好；

4.释放自由基 ：微气泡破裂瞬间，由于气液界面消失的剧烈变化，界面上集聚的高浓度离子将积蓄的化学能一下子释放出来，此时可激发产生大量的羟基自由基等活性氧，羟基自由基等活性氧具有超高的氧化还原电位其产生的超强氧化作用可降解水中正常条件下难以氧化分解的污染物，实现对水质的净化作用 ；

5.使用臭氧作为微气泡承载气体更容易产生大量活性氧 ；对突然的水污染事件，可以以此作为应急处理，以其超强氧化性分解水中污染物，实现对水质的净化作用。

本发明设备所产生的循环流态具有如下特点 ：

1.阵列可控纳米溶氧盘10内中部溶氧曝气盘组件33流量大、压力略高、气泡流速高、气泡粒径大，将水体向上托举、循环的能力强，外围溶氧曝气盘组件33的流量、压力受压力流量控制PLC9 控制，处于最适合范围，产生的气泡粒径小，上升流速慢，则中部快速上升的水流可带动外围溶氧曝气盘组件33产生的微纳米级气泡迅速向上流动；

2. 微气泡及微纳米气泡扩散装置11与四周多个阵列可控纳米溶氧盘10的组合，可形成中心微气泡及微纳米气泡扩散装置11上方水体形成向下的流态 ；流至微纳米气泡扩散装置11扩散盘平面时，水体流态变化为以微气泡及微纳米气泡扩散装置11为中心，平行于扩散盘平面，向四周辐流 ；以微气泡及微纳米气泡扩散装置 11 为中心向外扩散、流动的气水混合物被周围阵列可控纳米溶氧盘10形成的上升流态带动，改变流态向上运动 ；上升到一定高度的含纳米气泡的水体受微气泡及微纳米气泡扩散装置11形成的向下流态影响，与表层水再次向下循环，形成“上汇下扩中沉周扬”的倒八字内循环，使大水域溶氧由静态变成流态 ；

3.水库表面的水经由微气泡及微纳米气泡扩散装置11与多个阵列可控纳米溶氧盘10形成的循环流态，经水库底部好氧底泥中环境友好微生物对表层水带入的营养盐、有机物等进行分解吸收转化，降低水体中污染物浓度。

生态基因表达机理 ：所有生物几乎所有生理生化过程都是由基因调控的，但基因的转录水平也受环境压力的影响。当环境的变化超过机体的承受水平时，某些酶的活性被抑制或消失，另一些酶的活性增强或被诱导，在代谢活动中蛋白质重新被合成，为机体通过驯化而适应环境压力的应答或对细胞适应新环境起重要的作用。

基因调控主要发生在三个水平上，即① DNA 水平上的调控、转录控制和翻译控制；②微生物通过基因调控可以改变代谢方式以适应环境的变化，这类基因调控一般是短暂的和可逆的 ；③多细胞生物的基因调控是细胞分化、形态发生和个体发育的基础，这类调控一般是长期的，而且往往是不可逆的。

本发明设备产生的微纳米气泡粒径达到微米至几百纳米之间，其高比表接触面有超强溶解活性氧能力，微纳米气泡表面带有负电荷，在气泡收缩、破裂过程可产生电荷浓缩、电离、产生氢氧自由基等现象，生成大量的活性氧。

许多事实证明活性氧影响细胞增殖、分化、衰老和死亡以至于癌变等多种过程。有人把活性氧看作细胞自分泌性的分裂信号和生存信号（life signals)，这种功能广泛存在于微生物和动植物细胞中。活性氧对细胞多种过程的调控是通过基因的转录和表达来介导的。作为基因产物的蛋白质一级结构中的半胱氨酸残基所含有的巯基对氧化还原状态极敏感，巯基易氧化成二硫键化合物或次磺酸，从而改变了与 DNA 结合的能力，由此操纵基因表达，活性氧也能使位于细胞质中的转录因子 NF-κB 摆脱抑制因子后，进入核中与 DNA结合，以启动基因的转录。最近发现活性氧也影响着端粒酶的活性，而端粒酶通过染色体端粒的长短来决定细胞的分裂、分化、衰老和死亡，以至于癌变等多种过程。

在自然水体中，我们对氧气和臭氧进行程序式调控，例如控制其气泡的粒径大小，微纳米气泡开启的时间段，时间的长短等，从而改变氧自由基的含量，出现的时间段，时间的长短等，从而达到调控水体中生物的基因表达，增殖，分化，凋亡，使有利生物快速增长，有害生物凋亡。

大量的活性氧也能氧化分解水体中的有机污染物，达到净化水质的目的。研究发现：蓝藻能在夏季的强光下竞争成为优势藻种, 因而其有较宽的适光范围。在强光下通过碳水化合物的合成与分解， 来调节其在水中的浮力，避免受到高光损伤，在水体中表现为蓝藻的垂直运动。强光照射时，碳水化合物积累得多，气囊破裂，导致藻体下沉；光强减弱，碳水化合物积累得少，气囊合成，浮力增加，上浮获得更高的光强；藻类在生长过程中能够适应周围变化的环境，当光强从 300lx 增加到 800lx 时，种群迁移距离不大，说明蓝藻细胞代谢物的合成在持续，细胞的生长也随着光照强度的增加而相应地增加；当光照强度超过 900lx 时,迁移距离增大，藻体向着水体深处迁移，同时迁移速率也增大。微囊藻有其最适宜的光照周期，其原因可能是藻类的生长需要一个适当的光暗交替，以利于光合过程的光反应和暗反应的匹配以及其光合产物的形成和体内的物质代谢的正常进行。本专利申请的设备利用微纳米充氧技术，通过倒置层流技术原理，形成“上汇下扩中沉周扬”的倒八字内循环，使大水域溶氧由静态变成流态，坏藻类昼夜迁移，垂直迁移，抑制其钟控基因、气囊基因表达，使得其各种代谢活动不能更好适用环境，抑制藻类生长。

由于本设备微纳米气泡的特性，以及倒置层流技术，使得水体中溶解氧大大增加，并上下均衡，从而改变微生物种群，使得好氧有益菌群成为优势菌，从而减少微生物的有害基因表达，例如减少产生亚硝酸盐，低级胺类，低级脂肪酸，硫醇，吲哚，粪臭素，H2S，和氨等有害物质，改善水质 ；增加微生物活性，从而增加对营养盐的吸收，与藻类形成营养盐竞争，达到抑制藻类生长的目的，例如溶氧增加，微生物对磷的吸收增加，抑制藻类生长；同时由于好氧菌成为优势菌群，水体pH由弱酸性转变成中性，氧化还原电位增加，更适宜生物生长，大大提高各生物活性和密度：微生物对营养盐的吸收增加，分解更多的有机物，减少水体中的营养盐，改善水质；水生生物活性增加，加快食物链循环。环境温度对蛋白质等生物大分子的正确折叠、组装、活性和稳定性，以及膜的流动性和可透过性涉及细胞正常生命活动的因素都有重要影响，因此即使是小幅度的温度波动也会对细胞内的平衡状态和生理功能有一定范围的影响，本设备通过改变水体循环流态，调节水体温变、温跃，使其处于适合生物生存生长的条件，促进了水体生物生命活性 ；同时增加水生生物活动范围、捕食范围、增加了水体生物量、加快食物链物质循环、能量传递，同时降低由于水库整体水温变低对下游生态造成的影响。

应用本专利申请的设备进行饮用水源地水体生态修复还可以达到如下的环境效益、社会效益、经济效益：

1、环境效益

本专利申请项目实施后，将使得周边的生态环境得到明显改善，有力控制进入水库及其上游流域中的面源污染，改善流域水环境质量，消减水库及其上游污染源对区域地表水资源的污染，使水库污染负荷有效降低。通过对水库水源地富营养化整治，逐渐消减水库内源污染，控制藻类暴发，恢复水库水体的生物多样性、全生态及自净能力，保障饮用水供水水源的水质安全；

本专利申请项目工程建成运行后，将消除因藻类暴发而引起的饮水的隐患，逐渐修复水体的自然生态，恢复水体自净能力，降低自来水厂的水处理成本，提高出厂水水质，从而保障区域饮用水安全，促进区域经济社会可持续发展；

2 、经济效益 本专利申请项目建成后，可降低水体中藻毒素等有毒有害物质含量，提升原水品质，从而节省自来水厂消毒、净化的处理成本。并且可提高农业生产效率，水质提高后，可减少因为灌溉用水对农田的污染而造成的品质下降或减产减收：

（1）降低自来水厂的处理费用。项目建成后，将有效控制藻类暴发，降低原水含量，降低氮、磷和铁、锰等有毒有害物质含量，去除异味，提升原水品质，从而节省自来水厂消毒、净化的处理成本；

（2）提高农业生产效率。水质提高后，可减少因为灌溉用水对农田的污染而造成的品质下降或减产减收；

（3）鱼作为内源物质最终接受体，水源地富营养化整治项目将大大提高生态渔业的产量，提升生态鱼类产品的种类及品质。项目建成后，水体含氧量增加，水质提升，可大大降低鱼类发病的几率，提高生态鱼的产量的同时由于水质的改善也使得鱼类产品的肉质鲜美，某些鱼类产品的异味、土腥味也将消除；

（4）通过对村乡制笋废水的整治及河道污染整治，将使得村居环境得到改善；

3、社会效益

本专利申请项目实施与宣传，能提高周边群众的环保意识，对区域可持续发展战略的深入贯彻有重要而深刻的影响。工程建成运行后，改善水源水质，保障区域饮用水安全，消除社会不安定因素，促进区域经济社会可持续发展：

（1）带动产业经济通过生态修复工程的实施，可提升区域生态价值，调整产业结构带动相关行业发展 ；通过提高水库生产力及生态产量，促进相关产业发展，最终增加就业机会，保障社会安定；

（2）水质风险预警及防控

通过水质风险预警及防控系统的应用，可避免由于水污染、投毒等突发事件造成的社会危害；

（3）解除饮用水水源对于人体健康隐患

减少因水质较差引起的过量投加铝系絮凝剂，避免铝系絮凝剂投加过量产生负面效应，如老年痴呆及儿童智力下降现象的产生 ；杜绝了藻毒素的产生及其带来的危害，如促肝癌发生 ；减少原水中重金属离子的迁移转化，如中毒、死亡 ；减少水体中有害有机物含量（如总多环芳烃等）。

以上是本发明的优选实施方式，它显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的效果和优点，是对本发明提供的湖库流域的生态因子及基因表达纳米调控设备进行了详细介绍，未详细说明的技术特征均为公知技术。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，这个实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本行业的技术人员来说，应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，凡依上述构思所作的相类似改变，理应属于本发明的涵盖内容，本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种湖库流域的生态因子及基因表达纳米调控设备，由空压机（1）、储气罐（2）、气体处理单元（3）、生态因子控制单元（4）、水质监测及系统控制PLC（12）、采样及监测单元（22）、阵列可控纳米溶氧盘（10）、微气泡及微纳米气泡扩散装置（11）、滤网（27）所组成，其特征是所述的空压机（1）的出气端通过气管（23）与储气罐（2）的进气口相连，储气罐（2）的出气口通过气管（23）与气体处理单元（3）的一端相连，气体处理单元（3）的气体由出气口通过气管（23）进入生态因子控制单元（4）内，压力传感器（5）安装于气管（23）上 ；生态因子控制单元（4）内的压力流量控制PLC（9）的信号输入端通过信号线（24）与水质监测及系统控制PLC（12）的信号输出端相连，压力流量控制 PLC（9）的信号输入端通过信号线（24）分别与压力传感器（5）、流量传感器（6）相连 ；压力流量控制 PLC（9）的控制端通过控制线（25）分别与压力调节阀（7）、流量调节阀（8）信号接收端相连，流量调节阀（8）的出口通过气管（23）与阵列可控纳米溶氧盘（10）的一端相连，所述的溶氧盘（10）的数量为3个以上，溶氧盘（10）的布点形状为多边形，以使微气泡及微纳米气泡扩散装置（11）位于溶氧盘（10）所布点形状之中；所述的水质监测及系统控制 PLC（12）的信号输入端通过信号线（24）与采样及监测单元（22）内的水质探头控制器（19）的信号输出端相连，所述的水质探头控制器（19）的底部连接有水质探头（21），水质探头（21）置于监测槽（20）之内；水质监测及系统控制 PLC（12）的控制端通过控制线（25）分别控制放样阀（18）、取样阀（17）、循环水泵（14）的开启与关闭，取样阀（17）的右侧部通过取样管（26）与滤网（27）的一端相连，取样阀（17）的左侧部通过取样管（26）与负压罐（16）的右侧部相连。

2.根据权利要求1所述的一种湖库流域的生态因子及基因表达纳米调控设备，其特征是所述的采样及监测单元（22）内的水箱（13）通过水管（28）与循环水泵（14）的进水口相连，循环水泵（14）的出口与射流器（15）的进水口相连，射流器（15）通过抽气管（29）与负压罐（16）相连，射流器（15）的出水通过水管（28）循环至水箱（13）内，负压罐（16）底部的放样阀（18）的出水口与监测槽（20）相连。

3.根据权利要求1 所述的一种湖库流域的生态因子及基因表达纳米调控设备，其特征是所述的水质探头（21）为公知的溶解氧测定探头、温度测定探头、pH 测定探头、ORP 测定探头、浊度探头、氨氮测定探头组成。

4.根据权利要求1所述的一种湖库流域的生态因子及基因表达纳米调控设备，其特征是所述的与水质监测及系统控制 PLC（12）相连的生态因子控制单元（4）的数量为3个以上。

5.根据权利要求1所述的一种湖库流域的生态因子及基因表达纳米调控设备，其特征是所述的取样阀（17）的数量为3个以上。

6.根据权利要求1所述的一种湖库流域的生态因子及基因表达纳米调控设备，其特征是所述的滤网（27）的数量为3个以上。

7.根据权利要求1所述的一种湖库流域的生态因子及基因表达纳米调控设备，其特征是所述的气体处理单元（3）内的气体净化单元（38）的进气口与储气罐（2）的出气口通过气管（23）连接，气体净化单元（38）的出气口分为两个气管（23），气管（23）分别与一个气体阀门（41）的进气口连接，其中一个气体阀门（41）的出气口连接气体转化单元（39），气体转化单元（39）的出气口通过气管（23）与一个气体阀门（41）的进气口连接，气源（40）的出气口通过气管（23）与一个气体阀门（41）的进气口连接，气体净化单元（38）的出气口后的另一个气体阀门（41）的出气口、气体转化单元（39）后的气体阀门（41）的出气口与气源（40）后的气体阀门（41）的出气口通过气管（23）汇总为总的出气气管（23），气体净化单元（38）由公知的冷干机、精密过滤器、分子筛相连组成，气体转化单元（39）由公知PSA制氧机、臭氧发生器组成，进气为压缩空气，出气为纯氧或臭氧，气源（40）由公知的氧气瓶组成。

8.根据权利要求 1所述的一种湖库流域的生态因子及基因表达纳米调控设备，其特征是所述的阵列可控纳米溶氧盘（10）由9个以上固定在固定支架（35）上的公知的溶氧曝气盘组件（33）所组成，固定支架（35）上分布有42个以上固定孔（36），溶氧曝气盘组件（33）通过固定孔（36）固定在固定支架（35）上，固定孔（36）可固定额外的溶氧曝气盘组件（33），以调整间距和阵列可控纳米溶氧盘（10）内的溶氧曝气盘组件（33）的数量，固定支架（35）四个端点分别连接一个支脚（37）；所述的溶氧曝气盘组件（33）的连接方式为 ：与流量调节阀（8）相连的气管（23）在进入阵列可控纳米溶氧盘（10）后，分为两个充氧干管（31），充氧干管（31）上分别连接一个调节阀（30），其中一个调节阀（30）的出口通过充氧支管（32）连接至阵列可控纳米溶氧盘（10）的中部的溶氧曝气盘组件（33）上，另一个调节阀（30）的出口通过充氧支管（32）连接至阵列可控纳米溶氧盘（10）外围的溶氧曝气盘组件（33）上，两个气路不相通，并调整通过中部的溶氧曝气盘组件（33）的气体的流量和压力大于外围的溶氧曝气盘组件（33）的平均流量和压力 ；所述的一个溶氧曝气盘组件（33）的进气端与另一个溶氧曝气盘组件（33）的出气端相连，气路末端的溶氧曝气盘组件（33）的出气端由堵头（34）封堵。