CN105565430A - 浮筒式波浪能超声曝气净化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于节能减排技术领域，涉及一种浮筒式波浪能超声曝气净化装置。包括浮筒，浮筒之上与防护外壳固定连接，防护外壳顶部固定一连杆，线圈与连杆连接，可随连杆摆动，防护外壳壁面围绕永磁体，线圈通过波浪作用随连杆摆动切割磁感线发电，所述线圈通过导线依次与交直流转换器和蓄电池连接，所述蓄电池与曝气泵连接，同时，所述蓄电池依次与超声波发生器和超声波换能器连接，所述交直流转化器、蓄电池、曝气泵、超声波发生器和超声波换能器置于浮筒内；所述浮筒的底部通过系绳与沉底配重连接。
Description
技术领域
本发明属于节能减排技术领域，涉及一种浮筒式波浪能超声曝气净化装置。
背景技术
我国是一个严重缺水的国家，水资源总量并不丰富，淡水资源总量为28000亿m3，居世界第六位，而人均可资利用的水资源量约为900m3，仅为世界人均水资源占有量的四分之一。全国600多个城市中有400多个存在供水不足问题。除了水资源缺乏问题之外，随着经济和社会的发展，中国逐渐陷入严重的水质危机，水污染问题已成为中国乃至世界的重要生态环境问题之一。中国水污染问题的成因复杂、面广量大，污染物种类多、负荷高，大大加剧了中国的水稀缺程度，并威胁公众的身体健康和生活水平，造成了巨大的经济社会损失。
根据2011年的《中国环境状况公报》显示，我国长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河、浙闽片河流、西南诸河和内陆诸河十大水系监测的469个国控断面中，Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质断面比例分别为61.0％、25.3％和13.7％。2012年的水质断面比例为68.9％、20.9％、10.2％。2013年的水质情况相比2012年无明显变化，将三年的水质情况取平均值得断面比例为67.2％、21.8％、11％。由此可见，我国的淡水环境问题突出。
同样，海洋环境形势也十分严峻。近岸海域监测点位代表面积共281012平方千米。其中，一类、二类、三类、四类和劣四类海水面积分别为64809平方千米、120739平方千米、39127平方千米、18008平方千米和38329平方千米。
水体富营养化是指由于水体中氮磷等营养盐的增加引起藻类等水生生物的大量繁殖，从而使得水体溶解氧降低、透明度下降、水体功能受到破坏的现象(Vollenweideretal，1982)。表征水体富营养化的指标有溶解氧、碳源和营养盐类(氮和磷)等。目前一般采用的指标是：水体中氮含量超过0.2～0.3ppm，生化需氧量大于10ppm，磷含量大于0.01～0.02ppm，pH值7～9的淡水中细菌总数每毫升超过10万个，表征藻类数量的叶绿素a含量大于10μmg/L。水体富营养化常导致藻类暴发性生长，形成水华或赤潮(H.Kennethetal，2010)水华指的是在富营养化的水体中，藻类(尤其是蓝藻)的异常繁殖，某些藻种生物量(一般超过0.1mg/L)远超过其它藻种的平均水平的现象(Heisler，2008)。20世纪以来，水体富营养化问题已经成为困扰全球众多水体的主要环境问题。据调查(Chorusetal，1999；Smithetal，2003)，亚太地区54％的湖泊呈富营养化状态，欧洲、北美洲、南美洲和非洲富营养化的比例分别为53％、48％、41％和28％。近20年来，我国湖泊富营养化发展速度相当快。调查结果表明，富营养化湖泊个数占被调查湖泊的比例由20世纪70年代末至80年代前期的41％发展到80年代后期61％，至20世纪90年代后期又上升到77％，可见我国湖泊富营养化的发展趋势十分严峻。
湖库富营养化的最直接结果是导致水中蓝藻、绿藻等藻类大量生长，最终形成赤潮、水华等现象，造成水中动植物因缺少光照和氧气死亡，水生生态系统遭到破坏。据2010年《中国海洋环境质量公报》显示，2010年全年全海域发现赤潮69次，累计面积10892km2，赤潮发现次数与2009年(68次)基本持平，但对比过去二十年我国近岸赤潮发生频次，明显发现近十年比20世纪90年代十年间发生的频次增加。赤潮的发生不仅会对人类健康产生危害，而且会影响近海区域鱼、贝等海洋生物的繁殖，造成巨大的经济损失。所以说，对赤潮、水华等现象的治理与防治是维持和保护水体生态平衡的重要措施。
赤潮、水华发生时，藻类大量聚集在水体表层，不仅影响水体景观，而且会阻碍水生植物的光合作用，影响水-气界面间氧气的交换，而同时水体中的浮游生物则会大量消耗氧气，使得水体溶解氧急剧下降，最终导致水中生物如鱼类等因缺氧而窒息死亡，水生生物种类减少、水生生态系统紊乱、水生生物多样性遭到破坏(徐大伟等，2007；陈水勇等，1999；Diego-McGloneetal，2008)。此外很多藻类还会产生藻毒素、异味物质(土腥素、硫醇、吲哚、胺类、酮类等)和其它次生代谢的有毒有害物质，影响各种水生和半水生动物或通过食物链传递威胁人类的健康(Buryetal，2007；Chorusetal，1999)，在1996年，巴西就发生了一起因藻毒素污染肾透析用水导致52人死亡的严重事件(Azevedoetal，2002)。还有一些藻类直接或间接对人类的健康产生严重威胁，世界卫生组织报告表明水华暴发时采集的水样60％都含有毒素，而当饮用水源水中藻密度大于105个/mL时，人类将产生长期的疾病(Bartrametal，2003)。
现阶段除藻方法主要分为三大类：物理除藻、化学除藻、生物除藻。物理方法主要包括以下几种：机械去除法、紫外线照射法、超声波除藻发、γ射线照射法、遮光法、过滤法等，由于机械除藻法是针对于应急除藻，无法做到预防除藻，同时耗费大量人力物理，经济效益不划算。遮光法、过滤法在自然条件下实现比较困难，紫外线照射法及γ射线照射法同样实现起来比较困难，同时辐射可能会带来污染。而超声波除藻对生态环境没有二次污染，且除藻效率比较高，经研究，用频率为200kHZ的超声波6天的抑藻率可高达68％，所以超声波除藻无疑是可用于湖库治理的最好方法。
化学方法包括投加药剂法、粘土絮凝法、预氧化法及活性炭法等，但其对水生生态的破坏较大。虽然活性炭法的效果较好，但因成本过高不适宜大范围使用。
生物方法包括水生生物法和水生植物法两种，但均会造成其它物种入侵，最终破坏生态平衡。
现有的超声波除藻装置和水体曝气净化装置基本上是利用人工电缆为其输电，再将装置固定于湖库的某一位置进行除藻和水体充氧。这样的方式存在两个重要缺陷：第一是无法进行预防性除藻，只有当藻类大面积产生后才能进行。第二是无法进行大范围除藻，人工电缆的长度限制了超声波除藻仪的工作范围，只能在岸边等位置除藻，不能对湖库中心及近岸海域的藻类进行清理。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种浮筒式波浪能超声曝气净化装置。
本发明的浮筒式波浪能超声曝气净化装置，包括浮筒，浮筒之上与防护外壳固定连接，线圈通过连杆与防护外壳顶部连接，连杆一端固定于防护外壳顶部，防护外壳内壁围绕椭圆形永磁体，线圈通过波浪作用随连杆摆动切割磁感线发电，所述线圈通过导线依次与交直流转换器和蓄电池连接，所述蓄电池与曝气泵连接，同时，所述蓄电池依次与超声波发生器和超声波换能器连接，所述交直流转化器、蓄电池、曝气泵、超声波发生器和超声波换能器置于浮筒内；
所述浮筒的底部通过系绳与沉底配重连接。
所述曝气泵与导气管连接。
本发明装置增强了适用面和功能。本发明的浮筒式波浪能超声曝气净化装置将波浪能发电、超声波除藻和水体曝气三大技术结合，利用浮筒式波浪能发电装置作为主要能量来源，并将超声曝气与浮筒装置良好结合。装置通过波浪作用，线圈随着固定于外壳的连杆摆动，切割固定于外壳内壁的永磁体磁感线发电，并通过交直流转换器向蓄电池供电，再由为超声波发生器供电，再由超声波发生器将信号传至超声波换能器，由超声波换能器产生超声波，对水中的藻类进行清理。同时，蓄电池为曝气泵供电，曝气泵与超声波装置并联。赤潮、水华大量繁殖的地区，水体氧气含量较少，通过曝气装置可以增加水中深处的含氧量，增加底栖动物的捕食。同时超声波将水面藻类抑制，被破坏的藻类会往水中下沉，底栖动物通过捕食藻类，可有效抑制藻类。装置底部设有沉底配重块和系绳，系绳将装置与沉底配重块连接，既可以让装置在有效范围内工作，又避免装置的丢失与搁浅。
附图说明
图1，本发明的浮筒式波浪能超声曝气净化装置结构示意图。1-浮筒，2-防护外壳，3-永磁体，4-线圈，5-导线，6-交直流转换器，7-蓄电池，8-曝气泵，9-超声波发生器，10-超声波换能器，11导气管，12-系绳，13-沉底配重，14-连杆。
具体实施方式
本发明的浮筒式波浪能超声曝气净化装置主要由波浪能、超声波除藻和水体曝气三大核心技术组成，所需设备有浮筒、防水外壳、永磁体、连杆、初、次级线圈、交直流转换器、蓄电池、超声波发生器、超声波换能器、曝气泵、导管、系绳、沉底配重。
超声波换能器选择海纳科技有限公司的HNC-8SH-3820型号换能器。
具体参数：
采用浮筒式波浪能发电装置，通过电磁感应现象来发电，经过交直流转换将电能使用。
采用的超声波频率为200千赫兹，水中声波的吸收系数为α＝1.44*10-12ν2m-1，故α＝5.76*10-2m-1。平面波强度I随传播距离x衰减的规律是I＝I0e-2αx(I0为x＝0处波的强度)。
通过查阅有关资料和研究发现当波的强度衰减到原来的25％时，即I＝0.25I0，除藻的效果已大幅度降低。由I＝I0e-2αx和I＝0.25I0得将α＝5.76*10-2m-1代入得x＝12m。所以本发明装置的有效除藻距离在10米左右。
同市面上的超声波除藻仪和曝气器相比，浮筒式波浪能超声曝气近岸海域水体净化装置优势明显。其一，装置充分利用了波浪能能这一清洁无污染的能源，通过将波浪能转化为电能为该装置提供电源，而市面上的超声波除藻仪和曝气器都采用的是人工供电，通过电缆提供电源，相比之下设计的装置不需要通过电缆为其供电及传输，可以即发即用，运行成本低，更为廉价。其二，市面上的超声波除藻仪和曝气器由于要通过电缆为其提供电源，在使用上受到了很大限制，在很多偏远的地区无法运行，相比之下本装置工作不受地域限制，应用的范围更为广泛。综合以上两点，本团队设计的除藻装置在推广与应用上前景较好。
本装置主要用于近海水环境污染问题的治理。装置漂浮在海中，用一沉底配重控制装置在某一范围内漂浮，避免装置漂浮范围过大丢失。当产生潮汐及波浪的时候，装置通过线圈切割磁感线产生感应电流。由波浪能所产生的交流电一部分直接供给超声波发生器，产生超声波。另一部分通过交直流转换器，存储到电池中，为曝气泵供电。曝气泵为水体供氧，可使部分藻类下沉并有效解决水生生物因赤潮现象而产生的缺氧问题。超声曝气对水体生物无害，不仅有利于治理赤潮现象，还有利于修复水体生态环境。经相关实验，超声曝气的除藻率可达到90％左右。装置的开发不仅有利于减少富营养化现象，治理水体，同时开发利用新能源，可以达到较好的效果。装置外部也设置了保护外壳，避免波浪能发电装置收到破坏，达到装置可以高效长期使用。
Claims (2)
1.一种浮筒式波浪能超声曝气净化装置，其特征在于，包括浮筒，浮筒之上与防护外壳固定连接，线圈通过连杆与防护外壳顶部连接，连杆一端固定于防护外壳顶部，防护外壳内壁围绕椭圆形永磁体，线圈通过波浪作用随连杆摆动切割磁感线发电，所述线圈通过导线依次与交直流转换器和蓄电池连接，所述蓄电池与曝气泵连接，同时，所述蓄电池依次与超声波发生器和超声波换能器连接，所述交直流转化器、蓄电池、曝气泵、超声波发生器和超声波换能器置于浮筒内；所述浮筒的底部通过系绳与沉底配重连接。
2.根据权利要求1所述的浮筒式波浪能超声曝气净化装置，其特征在于，所述曝气泵与导气管连接。
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