CN107182434B - 一种原位新能源驱动的浮游生物收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新能源驱动的原位浮游生物收集装置，包括太阳能光伏电池与风力发电系统、浮力支撑系统、电源与控制系统、浮游生物抽吸与收集系统、锚定系统。本装置重心靠下，以不倒翁性质竖直地漂浮于水体中，发电系统距离水面的高度大于1.2倍最高波高，锚定系统可以抗击10年一遇的风浪。浮游生物抽吸与收集系统由抽吸轴流泵与收集囊网组成，轴流泵出口端环形凹槽后面具有放射性弹性卡扣，便于安装和拆卸。袋状浮游生物收集囊网的网目孔径小于目标浮游生物平均体长的0.8倍，可以双面使用。本专利可以多个装置同时使用，阵列型布设于目标水域，用于浮游生物的收集利用，也可以用于水域环境的治理和修复，应用前景良好。

Description

一种原位新能源驱动的浮游生物收集装置

技术领域

本发明属于水生微生物培养收获的工程装备与技术领域，涉及一种新能源驱动的原位浮游生物收集装置。

背景技术

水生微小生物种类很多，大体上包括浮游植物、浮游动物两大类，它们提供了水生生态系统最为重要的初级生产力与次级生产力。打个比方而言，水生的浮游植物、浮游动物分别相当于陆地生态系统的草地与牛羊，为后续各种肉食性动物提供了食物的基础，例如各种鱼虾蟹贝等具有经济价值的水生动物都是依赖于浮游生物而生存的。那么，容易理解，如果不通过捕获鱼虾蟹贝的方式间接利用利用水生浮游生物，而直接收获利用水生的浮游生物，则显然资源利用效率会提高很多。根据生态学十分之一的林德曼效率，直接进行浮游植物、浮游动物的收获与利用，则水生生态系统生产力利用效率至少提高10至100倍。

事实上，人们早已开始进行各种浮游生物的开发与利用，最为常见的就是水生单细胞藻类的培养与利用。单细胞藻类也称单胞藻，也就是只有一个细胞的水生植物，通常称为微藻，其种类繁多，功能多样。一些微藻可以特异合成与累积某些具有重要药用价值、保健价值、经济价值的物质，例如产生类胡萝卜素、虾青素的微藻，以及富油微藻、富集蛋白质的微藻、螺旋藻等，从而具有很高的经济价值，也形成了一个很大的产业，关于微藻培养及收获的专利技术多不胜数，有数千项之多。

常见的微藻收集方式，或者说浮游植物的收集方式，包括过滤、离心、絮凝等方法，其中过滤法易堵塞，离心法能耗较大，单独应用不多。已有的微藻收集方法和先进技术，往往是各种不同絮凝技术与过滤或者离心法的联合应用，微藻絮凝方式很多，包括添加絮凝剂、沉降、气浮、电泳或电场作用、改变pH值等等。微藻絮凝的基本思路是，采取一定的方式迫使微藻聚集成团从而絮凝，然后加以收集利用。这些迫使微藻聚集成团的各种絮凝方式一般会对微藻造成一定程度的伤害，使其不再是自然的浮游生存方式而聚集成团，一般需要添加一定物质，或者消耗一定的能源，多少会对微藻质量产生一定的影响，且需要一定的经济成本，尚无十分完美的方式。室内集约化的高密度微藻培养生产方式中，微藻的收集过程与培养生产过程一般是分开的，无论是否连续生产，一般都在微藻培养生产工艺之外，将微藻培养液输送至收集装置中另行进行微藻的收获。前述各种技术及其联合应用的微藻收集专利种类繁多，具有各自不同的优缺点。

实际上，在天然的水生生态系统中，各种摄食浮游生物的鱼虾蟹贝等动物即可视作为一个个的天然水生微生物收集装置，他们不需要额外的措施及能源消耗，浮游生物食性的鱼虾蟹贝其摄食过程，即可视作为一种高效率的水生微生物收集工作。本专利即借鉴于天然水生生态系统中大型动物的摄食行为，采取原始的过滤方式，设计了一种创新性的浮游生物收集技术与装置。

发明内容

本发明旨在解决上述现有水生浮游生物收集技术中存在问题，提出了一种新能源驱动的原位浮游生物收集装置，适于合各种不同类型浮游生物的收集与利用。

本发明的技术方案是：

一种新能源驱动的原位浮游生物收集装置，包括太阳能光伏电池与风力发电系统、浮力支撑系统、电源与控制系统、浮游生物抽吸与收集系统和锚定系统；其中，太阳能光伏电池与风力发电系统位于浮力支撑系统上部，分别利用晴好天气情况下的太阳能，以及自然界中的风能，将两种新能源驱动所提供的电力，经过转化后储存于电源与控制系统的蓄电池中，提供稳定的电力供应；浮力系统由浮球及连接件组成，为整个装置提供浮力支撑，浮力支撑系统与锚定系统连接，保持该装置重心在水面以下竖直地漂浮在水体指定区域，且保证太阳能光伏电池与风力发电系统露出水面的高度在水域最高波高的1.2倍以上，不受水域风浪的侵蚀和损害，可以耐受10年一遇风浪的冲击；电源及控制系统与浮游生物抽吸及收集系统相连，浮游生物抽吸与收集系统固定在浮力支撑系统上，设置于水面以下锚定系统上部，由浮游生物抽吸轴流泵与收集囊网通过弹性卡扣衔接而成，可以方便的进行衔接和拆卸，用于抽吸和收集目标浮游生物。

所述的浮游生物抽吸轴流泵，由变频电机驱动，其功率大小可调，由蓄电池提供稳定的电力供应；浮游生物抽吸轴流泵的进口端沿水流吸入方向口径逐渐变小，且进口端始终朝向自然水流的来向，以节约能耗，提高浮游生物的收集效果。

所述的浮游生物抽吸轴流泵内设置流速感应器和报警装置；轴流泵的初始抽吸水流流速设定为拟收集的浮游生物最大平均逃逸游动速度的1.2倍以上；当收集囊网过滤收集到一定量的目标浮游生物，使过滤囊网发生一定的堵塞，致使轴流泵的抽吸水流流速降低至拟收集的浮游生物最大平均逃逸游动速度以下时，报警装置发出警报提醒，以便更换收集囊网。

进一步地，所述的收集囊网，其网孔大小，小于拟收集的目标浮游生物平均大小的0.8倍。

进一步地，收集囊网为口小腹大的布袋形状，其网口为不可发生形变刚性圆圈，收集囊网的双面结构一样，以便双面使用。

进一步地，所述浮游生物抽吸轴流泵的出口端外周设置环形凹槽，凹槽外侧均匀布置放射状弹性卡扣，弹性方向向外，握紧或松开这一圈弹性卡扣，能够令轴流泵出口端环形凹槽的直径减小或恢复原状，以便安装或者拆卸收集囊网。

进一步地，轴流泵出口端环形凹槽与浮游生物收集囊网的刚性圆圈网口能够密切套合衔接。浮游生物抽吸轴流泵出水端环形凹槽后面的弹性卡扣恢复方向向外，自然状态下呈现放射状的喇叭口形状，当握紧这一圈弹性卡扣后，可迫使环形凹槽直径略小于浮游生物收集囊网网口的直径，从而可以顺利将收集囊网的刚性圈网口套入环形凹槽中，松开这一圈弹性卡扣，其恢复弹性即自然撑开浮游生物收集囊网，且环形凹槽的直径略微增大，从而将其刚性圈网口卡死在环形凹槽中，完成其衔接动作，其结合过程如说明书附图图3所示。同理，握紧轴流泵出水端的一圈弹性卡扣时，也可以顺利地将浮游生物收集囊网取下来。也就是说，本发明装置的浮游生物抽吸轴流泵与收集囊网可以很方便地进行密切结合与顺利拆卸。

本装置的锚定系统包括配重、锚链、底锚所组成，配重用于调节整体装置的重心位置及漂浮性能，使整体装置具有不倒翁性质，保持太阳能光伏电池与风力发电系统一直浮出水面其保持竖直状态，通过锚链锚系在底锚上，可以抵御所使用水域风浪和水流的冲击，能够抵抗10年一遇风浪的冲击。

本发明的有益效果为，通过前述五个系统所构成的新能源驱动的原位浮游生物收集装置，利用绿色新能源驱动不消耗额外的能源，适宜于各种自然水域及大面积水域中浮游生物培养的收集和利用，不适用于室内集约化微藻或者微生物的收集与利用。采用本装置进行浮游生物收集时，根据目标浮游生物的大小选择合适网目的收集囊网，定时更换收集囊网，或者根据浮游生物抽吸轴流泵中流速报警器的提示更换收集囊网。将集满浮游生物的收集囊网取下，翻转过来，即可获得其中收集的浮游生物，可以进行进一步的处理和利用。

本发明装置可以在大面积水域进行阵列型布置，如说明书附图图2所示，用于大面积微藻或其他浮游生物生产利用的收集工作。阵列布置每一个装置即相当于天然水域中的一条恒定存在鱼儿，更换收集囊网即获得目标浮游生物，更换一次囊网即相当于收获一条鱼儿，且不需要额外的能源消耗，使用简洁方便。本发明技术还可以应用于水域环境的治理和修复，尤其适宜于富营养化水体藻华的治理及预防。当水域环境富营养化以后很容易发生有害藻华，且很难进行治理和清除，在这样的水域中阵列布置本发明装置，定时更换浮游生物收集囊网，从而移除其中藻华暴发的微藻，可用于富营养化水体有害灾害的应急治理，没有发生藻华时在富营养化水域中使用本发明装置进行浮游生物的清除，则可以起到预防有害藻华暴发的作用。

附图说明

说明书附图是本发明的新能源驱动的原位浮游生物收集装置。

图1是整体装置示意图。

图2是大面积的水域本发明装置安装应用示意图。

图3是本发明装置抽吸与过滤系统的拆分与安装示意图。

图中：1风力发电系统；2太阳能光伏电池发电系统；3水面波浪线；4浮球支持系统；5电源储蓄与控制系统；6浮游生物收集囊网；7浮游生物滤网安装弹性卡扣；8水体的底部；9底锚；10配重；11抽吸系统中的流速感应器。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

本发明的新能源驱动原位浮游生物收集装置，由水面上的太阳能光伏电池与风力发电系统、浮力支撑系统、水面下的电源及控制系统、浮游生物抽吸过滤系统、锚定系统五个部分所组成。风力发电系统1与太阳能光伏电池2利用自然界的太阳能与风力进行发电，为本装置的蓄电池电源5提供电力供应。风力发电系统1的朝向随风向而变化，保持风机叶轮始终在迎风的方向。本装置的核心部件是浮游生物抽吸收集系统，由浮游生物抽吸轴流泵与浮游生物收集囊网6衔接组成。浮游生物抽吸轴流泵出口端有一圈环形凹槽，环形凹槽后面是一圈放射状的弹性卡扣7，握紧弹性卡扣7，可稍微减小轴流泵出口端环形凹槽的直径，从而可以很方便地将收集囊网6的刚性圈网口卡入环形凹槽中，或者从环形凹槽中退出，从而完成浮游生物抽吸轴流泵与收集囊网6的衔接或者拆卸。浮游生物抽吸轴流泵朝向随水流而变化，保持其喇叭形进口端始终朝向自然水流的来向。本装置的配重10、浮球支持系统4的联合作用，确保本装置的重心位于整体的下部，使整体装置漂浮于水面且保持竖直状态，太阳能光伏电池露出水面的高度大于最大浪高的1.2倍。整体装置通过锚链锚系在水体底部的固定锚上，可以抗击10年一遇风浪的冲击。浮游生物抽吸轴流泵中安装有流速感应器11，轴流泵驱动采用变频电机其功率可以调节，浮游生物收集囊网6网目孔径小于拟收集浮游生物的平均体长的0.8倍。

本发明并不意味着被示意图及说明书所局限，在没有脱离本发明技术原理及其宗旨的前提下可以有所变化。在了解拟收集目标浮游生物平均体长、逃逸速度后，即可选择网目孔径在目标浮游生物平均体长0.8倍以下的收集囊网，调整抽吸轴流泵功率使抽吸水流流速在目标浮游生物逃逸速度的1.2倍以上，安装本发明装置在适宜的水域，即可进行目标浮游生物的收集利用。本发明即可用于浮游生物的收集利用，也可用于富营养化水域的环境治理和修复，用于清除或者预防有害藻华的暴发。有实施实例如后。

实施实例1，使用本发明装置收集利用轮虫。

轮虫是水产养殖及渔业上常见和重要的饵料生物，往往供不应求，培养收集存在较多的困难，而大面积自然水域中条件合适情况下可以自然繁盛密度很高的轮虫种群。设轮虫的平均体长为a微米，其平均最大游动速度为b厘米/秒。选择网目孔径在0.8a微米以下的筛绢制作为轮虫的收集囊网，安装在本发明装置上，调整抽吸轴流泵的功率，使抽吸的水流速度在1.2b厘米/秒以上，将前述调整的轮虫收集装置阵列布放在轮虫繁盛的池塘或者其他水域中。为保持轮虫的活力和新鲜程度，每隔3小时更换一次轮虫的收集囊网。将换下来收集有轮虫的收集囊网，翻转过来，在水产养殖或者渔业生产水体中清洗，譬如渔业苗种培育池或养殖池中清洗，即可将收集的轮虫释放至目标水体中，作为鲜活饵料供应使用。如果收集的轮虫数量过大，超过了鲜活饵料供应的需求量，可以轮虫收集囊网翻转过来，将收集的轮虫全部集中在一起，冷冻或者冷藏处理，在需要时再解冻作为饵料供应使用。当轮虫收集量十分丰富的情况下，可以将收集有轮虫的收集囊网用淡水冲洗干净，去除盐分后，再翻转收集囊网，将收集的轮虫全部集中干燥处理，形成轮虫的干制品，可作为饲料添加剂、诱食剂或者蛋白质源使用。

实施实例2，使用本发明设计进行水体有害藻华或赤潮的预防和处理。

设某富营养化水域常见的有害藻华或者赤潮暴发种类为某种微藻，其平均大小为c微米，其平均最大运动速度为d厘米/秒。选择网目孔径为0.8c微米以下的筛绢制作为微藻收集囊网，安装在本发明装置上，调整抽吸轴流泵的功率，使抽吸的水流速度在1.2d厘米/秒以上，将前述调整的微藻收集装置阵列布放在该富营养化的水域中。如果该暴发性微藻无利用价值，可以根据轴流泵中的流速感应器报警提醒，当收集囊网中滤集足够多的微藻而抽吸流速下降至d厘米/秒以下时，流速感应器即发出报警提示，及时更换新的微藻收集囊网；将更换下的微藻收集囊网翻转，把所收集的微藻集中起来进行无害化处置，或作为肥料使用。如果该爆发性微藻具有一定的利用价值，则根据其用途及需求，定时更换微藻收集囊网，收集足够新鲜的微藻，进行脱盐脱水，或者冷冻冷藏，或者干燥处理，以供精深加工利用。只要收集微藻的本发明装置布放使用足够及时，阵列数量足够多，可以很好地压制有害藻华或者赤潮的发生，并可以通过微藻的收集与处理，逐渐移除富营养化水体中的营养盐，从而达到富营养化水域环境治理和修复的目的。

Claims (3)

1.一种新能源驱动的原位浮游生物收集装置，其特征在于，包括太阳能光伏电池与风力发电系统、浮力支撑系统、电源与控制系统、浮游生物抽吸与收集系统和锚定系统；其中，太阳能光伏电池与风力发电系统位于浮力支撑系统上部，利用太阳能与风力为电源与控制系统的蓄电池提供电力供应；浮力支撑系统由浮球及连接件组成，为整个装置提供浮力支撑，浮力支撑系统与锚定系统连接，保持该装置重心在水面以下竖直地漂浮在水体指定区域，且保证太阳能光伏电池与风力发电系统露出水面的高度在水域最高波高的1.2倍以上；电源与控制系统与浮游生物抽吸与收集系统相连，浮游生物抽吸与收集系统固定在浮力支撑系统上，设置于水面以下锚定系统上部，由浮游生物抽吸轴流泵与收集囊网通过弹性卡扣衔接而成；

所述的浮游生物抽吸轴流泵，由变频电机驱动，由蓄电池提供稳定的电力供应；浮游生物抽吸轴流泵的进口端沿水流吸入方向口径逐渐变小，且进口端始终朝向自然水流的来向；收集囊网为口小腹大的布袋形状，其网口为不可发生形变刚性圆圈，收集囊网的双面结构一样，以便双面使用；所述浮游生物抽吸轴流泵的出口端外周设置环形凹槽，凹槽外侧均匀布置放射状弹性卡扣，弹性方向向外，握紧或松开这一圈弹性卡扣，能够令轴流泵出口端环形凹槽的直径减小或恢复原状，以便安装或者拆卸收集囊网；轴流泵出口端环形凹槽与收集囊网的刚性圆圈网口能够密切套合衔接；

所述的浮游生物抽吸轴流泵内设置流速感应器和报警装置；轴流泵的初始抽吸水流流速设定为拟收集的浮游生物最大平均逃逸游动速度的1.2倍以上；当轴流泵的抽吸水流流速降低至拟收集的浮游生物最大平均逃逸游动速度以下时，报警装置发出警报提醒，以便更换收集囊网。

2.根据权利要求1所述的一种新能源驱动的原位浮游生物收集装置，其特征还在于，所述的收集囊网，其网孔大小，小于拟收集的目标浮游生物平均大小的0.8倍。

3.根据权利要求1或2所述的一种新能源驱动的原位浮游生物收集装置，其特征还在于，所述的锚定系统包括配重、锚链、底锚，配重通过锚链锚系在底锚上。