CN108996605B - 一种可自主调控的漂浮式除藻装置及除藻方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可自主调控的漂浮式除藻装置，包括头部、主体、浓度监测器、除藻系统和微处理器，所述头部的底部与所述主体的顶部连接；所述主体包括外壳和内壳，所述外壳和内壳之间围成浮力调节空间，所述浮力调节空间的底部与外界连通；所述头部内设置有气泵系统，所述气泵系统包括气泵以及分别与所述气泵连接的大气连通管和浮力调节空间连通管，所述大气连通管与外界空气连通，所述浮力调节空间连通管与所述浮力调节空间连通。该除藻装置可自动调节吃水深度，以便更好地去除水体中的微藻。本发明的除藻装置小巧节能，美观大方，特别适合用于在比较小型的景观水体中除藻。

Description

一种可自主调控的漂浮式除藻装置及除藻方法

技术领域

本发明涉及水环境治理领域，更特别地，涉及一种可自主调控的漂浮式除藻装置及除藻方法。

背景技术

人类生产生活的污水往往富含微藻增殖的营养元素，因此，当排入水体河流、湖泊、水库或海洋等大型水体后，往往会使这类水体的水质富营养化。其结果是导致水体中的微藻大量增殖，从而引发水华或赤潮。水华是影响陆地水资源水质的重大危害因素之一。当水体发生水华时，藻细胞大量繁殖，并且悬浮于水中，大大影响了透光性，使水生植物得不到足够的光照而死亡，继而引发水生动物因食物缺乏或染病而死亡，大大破坏了水体的生态系统，使水体向藻型水体演化，并且不可自我修复。

水华一般由蓝藻、绿藻、硅藻等微藻引起。其中，有些水华微藻通过伪空胞等上浮机制漂浮在水体表层，使得水体在竖直方向上分层富藻层和贫藻层。有些水华微藻则没有这类上浮机制，水体中藻细胞浓度均匀，不存在这样的分层现象。因此，对于不同形式的水华需要不同去除方法。对分层的微藻水华，因为富藻层的藻细胞浓度较高，可通过收集富藻层的水进行进一步处理。然而，对于不上浮的微藻水华，就很难使用该办法处理，因为涉及的水量几乎等于整个水体的水量，故需要用其他方法除藻。

目前尚无自动化的水华治理装置，使得微藻水华的治理费时费力，效率低下。因此，需要一种新的去除水体中的微藻的装置。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种可自主调控的漂浮式除藻装置，包括头部、主体、浓度监测器、除藻系统和微处理器，所述头部的底部与所述主体的顶部连接；

所述主体包括外壳和内壳，所述外壳和内壳之间围成浮力调节空间，所述浮力调节空间的底部与外界连通；

所述头部内设置有气泵系统，所述气泵系统包括气泵以及分别与所述气泵连接的大气连通管和浮力调节空间连通管，所述大气连通管与外界空气连通，所述浮力调节空间连通管与所述浮力调节空间连通；

所述浓度监测器设置于所述主体的外部，所述除藻系统与所述头部和/ 或所述主体连接；所述浓度监测器与所述微处理器数据连接，向所述微处理器发送所监测的浓度数据，所述微处理器分别与所述除藻系统和气泵系统电连接。

本发明的除藻装置可通过气泵系统来调节浮力调节空间中的气体和水的体积比，从而改变该除藻装置的吃水深度。根据预先设置好的阈值和浓度监测器发送的浓度数据，微处理器自动控制气泵系统的工作状态，将该除藻装置维持在合适的吃水深度，以利于去除水体中的水华微藻。

在一个优选实施方案中，所述气泵系统还包括控制所述浮力调节空间连通管通断的气阀，所述气阀与所述微处理器电连接。当浓度数据满足条件时，微处理可关闭气阀和气泵，由于气阀的关闭，使浮力调节空间处于完全密闭状态，从而维持该除藻装置的吃水深度不变。当浓度数据不满足条件时，微处理可打开气阀和气泵，调节除藻装置的吃水深度。

在一个实施方案中，所述除藻系统包括藻水抽离系统，所述藻水抽离系统包括藻水容纳室、藻水入口和水泵系统；

所述藻水容纳室位于所述主体内，并通过所述藻水入口与外界相通，所述水泵系统从所述藻水容纳室向外抽水。优选地，对微藻装置的材料密度进行调配，使得当该除藻装置放入水中，并且藻水容纳室充满水时，藻水入口的上沿与水面齐平或略高于水面。

通过以上设置，对于具有上浮机制的水华微藻形成的水华而言，可调节除藻装置的吃水深度，使微藻调节藻水入口的下沿处于富藻层的底部。从而最大程度的使富藻层的水流入藻水容纳室，并通过水泵系统抽离。可设置多个藻水入口，以增大藻水的流入速度。

由于富藻层的厚度一般为20cm左右，所以优选将藻水入口设置成上沿与下沿之间在竖直方向的宽度为20-30cm。

在一个具体实施方案中，所述藻水容纳室由所述内壳围成，所述藻水入口位于所述主体的侧壁上靠近所述主体的顶部，所述藻水容纳室通过所述藻水入口与外界相通；

所述水泵系统包括水泵、进水管和出水管，所述进水管穿过所述头部和主体的顶部进入所述藻水容纳室，所述水泵与所述微处理器电连接。

在一个实施方案中，所述除藻系统包括超声除藻系统，所述超声除藻系统设置于所述头部外壁上，包括一个或多个超声探头，所述超声探头向下伸出，并且，当所述除藻装置漂浮在水上时，所述超声探头的端部位于水下。

对于没有上浮机制的微藻形成的水华，可使用超声破碎的方式来除藻。

在一个实施方案中，所述浓度监测器包括第二浓度监测探头，位于距所述藻水入口下沿所在水平面的距离小于等于2cm的位置。

第二浓度监测探头监测相当于藻水入口所处水平面的藻浓度实时数据，并发送给微处理器，我们将该数据称为第二浓度数据，本领域技术人员可容易地根据微藻浓度来判断该处是否处于富藻层还是贫藻层，并设定好阈值让微处理器自行判断。可设定高阈值和低阈值，当所述第二浓度数据不低于高阈值时，认为藻水入口的下沿已处于富藻层中，气泵系统维持除藻装置的吃水深度，水泵系统工作，从藻水容纳室向外抽离藻水。

当第二浓度数据低于低阈值时，认为藻水入口的下沿处于贫藻层中，气泵系统工作，使除藻装置的吃水深度减小，藻水入口的位置提高，直至所述第二浓度数据达到高阈值。

在一个优选实施方案中，所述浓度监测器还包括位置分别比第二浓度监测探头高和低的第一浓度监测探头和第三浓度监测探头。第一浓度监测探头获取的第一浓度数据用于监测整个水体的藻细胞浓度是否超标，即，当第一浓度数据低于低阈值时，意味着整个水体未发生水华，或者没有短期内发生水华的可能性，此时除藻系统和气泵系统均可停止工作。第三浓度监测探头获取的第三浓度数据可用于指示水华微藻的类型，即，当第三浓度数据低于低阈值，并且第一或第二浓度数据达到高阈值时，认为水华微藻具有上浮机制，启动藻水抽离系统以及相应的工作模式。当第三浓度数据达到低阈值时，认为水华微藻不具有上浮机制，启动超声除藻系统。当第三浓度数据低于低阈值，并且第一浓度数据在低阈值与高阈值之间时，认为存在短期内发生水华的可能性，启动超声除藻系统。

在一个优选实施方案中，所述第三浓度监测探头位置比所述藻水入口上沿所在水平面低大于等于40cm；

所述第一浓度监测探头位置比所述藻水入口上沿所在水平面的低小于等于2cm。

在一个优选实施方案中，所述除藻还包括用于检测所述除藻装置吃水深度的水位检测装置，所述水位检测装置与所述微处理器数据连接，并向所述微处理器发送吃水深度数据。当除藻装置上浮达到一定程度后，例如藻水入口的下沿或第二浓度监测探头快露出水面(例如距水面2cm左右)时，已经没有继续上浮的必要了，此时微处理指示气泵系统维持该吃水深度，并保持除藻系统继续工作，直至第二浓度数据低于低阈值时，微处理器指示除藻系统停止工作。

本发明还提供了一种从水体去除微藻的方法，其包括使用上述除藻装置来去除水体中的微藻，具体地，包括以下步骤：

S1：将所述除藻装置放置在目标水体中，所述浓度监测器持续或断续获取实时浓度数据，并将所述实时浓度数据发送给所述微处理器；

S2：所述微处理根据所接收到的实时浓度数据进行判断，当所述浓度数据满足所述除藻系统工作条件时进行S3，当所述浓度数据满足所述除藻系统和气泵系统均不工作条件时进行S4，当所述浓度数据既不满足所述除藻系统工作条件又不满足所述除藻系统和气泵系统均不工作条件时进行S5；

S3：所述微处理器发出指令，使所述气泵系统维持所述除藻装置当前的吃水深度，并使所述除藻系统进行相应的工作；

S4：所述微处理器发出指令，使所述除藻系统和气泵系统均不工作；

S5：所述微处理器发出指令使所述气泵系统工作，调节所述除藻装置的吃水深度，直至所述浓度数据满足所述除藻系统工作条件时进行S3。

附图说明

图1为本发明实施例1的示意图图；

图2为本发明实施例1的主体的顶部视图；

图3为本发明实施例1的主体的底部视图；

图4为本发明实施例2的气泵系统的示意图；

图5为涉电部件之间的电/数据连接关系图；

图6为本发明实施例3的示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、头部，2、主体，3、水泵系统，4、浓度监测器，5、超声除藻装置， 12、气泵系统，121、大气连通管、122浮力调节空间连通管，123、气泵， 124、气阀，21、外壳，22、内壳，23、浮力调节空间，211、藻水入口，212、浮力调节空间连通管通孔，213、进水管通孔，31、水泵，32、进水管，41、第一浓度监测探头，42、第二浓度监测探头，43、第三浓度监测探头。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的第一实施例如图1-3所示，该可自主调控的漂浮式除藻装置，包括头部1、主体2、浓度监测器4和微处理器，所述头部1的底部与所述主体2的顶部连接；

所述主体2包括外壳21和内壳22，所述外壳21和内壳22均为圆柱体结构，两者的顶部一体成型构成主体2的顶部，并且不透水，内壳22底部和侧壁均不透水，围成藻水容纳室。

外壳21的侧壁不透水，嵌套在内壳22外，并且外壳21侧壁的长度与内壳22相等(也可大于或小于后者)，外壳21内侧壁与内壳22的外侧壁之间形成浮力调节空间23，外壳21的底部开放(或者设置有透水的底部) 使得浮力调节空间23的底部与外界连通。

所述头部1内设置有气泵系统12，所述气泵系统12包括气泵123以及分别与所述气泵123连接的大气连通管121和浮力调节空间连通管122，所述大气连通管121与外界空气连通，所述浮力调节空间连通管122穿过主体 2顶部的浮力调节空间连通管通孔212，并与所述浮力调节空间23连通。

所述主体2侧壁上靠近顶部的位置设置有藻水入口211，所述藻水容纳室通过所述藻水入口211与外界相通。藻水入口211的上沿与下沿之间的竖直间距为25cm。

所述浓度监测器4设置于所述主体2的外部，所述浓度监测器4与所述微处理器数据连接，向所述微处理器发送所监测的浓度数据，所述微处理器分别与所述除藻系统和气泵系统12电连接。所述浓度监测器4包括第二浓度监测探头42，位于所述藻水入口211下沿所在水平面的位置。

本实施例的除藻装置还包括水泵系统3，所述水泵系统3包括水泵31、进水管32和出水管，水泵31和出水管和设置于岸上或其他载具上，所述进水管32穿过所述头部1以及主体2顶部的进水管通孔213进入所述藻水容纳室，所述水泵31与所述微处理器电连接。微处理器中设置好用于与第二浓度数据比较的高阈值和低阈值。

对微藻装置的材料密度以及装置的体积进行调节，使得当该除藻装置放入水中，并且藻水容纳室充满水时，藻水入口211的上沿与水面齐平或略高于水面。外壳21和内壳22的底部可使用密度较大的材料，使底部处于最下方。

本实施例的除藻装置可用于去除具有上浮机制的水华微藻。将该除藻装置放入水中，使藻水容纳室先充满水，第二浓度监测探头42监测相当于藻水入口211所处水平面的藻浓度实时数据，并发送给微处理器，当所述第二浓度数据不低于高阈值时，认为藻水入口211的下沿已处于富藻层中，气泵系统维持除藻装置的吃水深度，水泵系统工作，从藻水容纳室向外抽离藻水。可调节除藻装置的吃水深度，使微藻调节藻水入口211的下沿处于富藻层的底部。从而最大程度的使富藻层的水流入藻水容纳室，并通过水泵系统抽离。当第二浓度数据低于低阈值时，认为藻水入口211的下沿处于贫藻层中，气泵系统工作，使除藻装置的吃水深度减小，藻水入口211的位置提高，直至所述第二浓度数据达到高阈值。

在另一个实施方案中可设置多个藻水入口211，以增大藻水的流入速度。

实施例2

如图4所示，本实施例对气泵系统12进行一定的改进，所述气泵系统12还包括控制所述浮力调节空间连通管122通断的气阀124，所述气阀124 与所述微处理器电连接。当浓度数据满足条件时，微处理可关闭气阀124和气泵123，由于气阀124的关闭，使浮力调节空间23处于完全密闭状态，从而维持该除藻装置的吃水深度不变。当浓度数据不满足条件时，微处理可打开气阀124和气泵123，调节除藻装置的吃水深度。各具有数据连接或电连接关系的部件之间的连接关系如图5所示。

实施例3

如图6所示，本实施例的除藻装置还包括包括超声除藻系统5，所述超声除藻系统5设置于所述头部1外壁上，包括一个或多个超声探头，所述超声探头向下伸出，并且，当所述除藻装置漂浮在水上时，所述超声探头的端部位于水下。对于没有上浮机制的微藻形成的水华，可使用超声破碎的方式来除藻。

浓度监测器4除了第二浓度监测探头42外，还包括位置分别比第二浓度监测探头42高和低的第一浓度监测探头41和第三浓度监测探头43。所述第三浓度监测探头43位置比所述藻水入口211上沿所在水平面低大于等于 40cm；所述第一浓度监测探头41位置比所述藻水入口211上沿所在水平面的低小于等于2cm。

第一浓度监测探头41获取的第一浓度数据用于监测整个水体的藻细胞浓度是否超标，即，当第一浓度数据低于低阈值时，意味着整个水体未发生水华，或者没有短期内发生水华的可能性，此时除藻系统和气泵系统12均可停止工作。第三浓度监测探头43获取的第三浓度数据可用于指示水华微藻的类型，即，当第三浓度数据低于低阈值，并且第一或第二浓度数据达到高阈值时，认为水华微藻具有上浮机制，启动藻水抽离系统以及相应的工作模式。当第三浓度数据达到低阈值时，认为水华微藻不具有上浮机制，启动超声除藻系统5。当第三浓度数据低于低阈值，并且第一浓度数据在低阈值与高阈值之间时，认为存在短期内发生水华的可能性，启动超声除藻系统5。

实施例4

本实施例的除藻装置还包括用于检测所述除藻装置吃水深度的水位检测装置，所述水位检测装置与所述微处理器数据连接，并向所述微处理器发送吃水深度数据。当除藻装置上浮达到一定程度后，例如藻水入口211的下沿或第二浓度监测探头快露出水面(例如距水面2cm左右)时，已经没有继续上浮的必要了，此时微处理指示气泵系统维持该吃水深度，并保持除藻系统继续工作，直至第二浓度数据低于低阈值时，微处理器指示除藻系统停止工作。

本发明还提供了一种从水体去除微藻的方法，其包括使用上述除藻装置来去除水体中的微藻，具体地，包括以下步骤：

S1：将所述除藻装置放置在目标水体中，所述浓度监测器4持续或断续获取实时浓度数据，并将所述实时浓度数据发送给所述微处理器；

S2：所述微处理根据所接收到的实时浓度数据进行判断，当所述浓度数据满足所述除藻系统工作条件时进行S3，当所述浓度数据满足所述除藻系统和气泵系统12均不工作条件时进行S4，当所述浓度数据既不满足所述除藻系统工作条件又不满足所述除藻系统和气泵系统12均不工作条件时进行 S5；

S3：所述微处理器发出指令，使所述气泵系统12维持所述除藻装置当前的吃水深度，并使所述除藻系统进行相应的工作；

S4：所述微处理器发出指令，使所述除藻系统和气泵系统12均不工作；

S5：所述微处理器发出指令使所述气泵系统12工作，调节所述除藻装置的吃水深度，直至所述浓度数据满足所述除藻系统工作条件时进行S3。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可自主调控的漂浮式除藻装置，其特征在于，包括头部（1）、主体（2）、浓度监测器（4）、除藻系统和微处理器，所述头部（1）的底部与所述主体（2）的顶部连接；

所述主体（2）包括外壳（21）和内壳（22），所述外壳（21）和内壳（22）之间围成浮力调节空间（23），所述浮力调节空间（23）的底部与外界连通；

所述头部（1）内设置有气泵系统（12），所述气泵系统（12）包括气泵（123）以及分别与所述气泵（123）连接的大气连通管（121）和浮力调节空间连通管（122），所述大气连通管（121）与外界空气连通，所述浮力调节空间连通管（122）与所述浮力调节空间（23）连通；

所述浓度监测器（4）用于监测微藻浓度，设置于所述主体（2）的外部，所述除藻系统与所述头部（1）和/或所述主体（2）连接；所述浓度监测器（4）与所述微处理器数据连接，向所述微处理器发送所监测的浓度数据，所述微处理器分别与所述除藻系统和气泵系统（12）电连接；

所述气泵系统（12）还包括控制所述浮力调节空间连通管（122）通断的气阀（124），所述气阀（124）与所述微处理器电连接。

2.根据权利要求1所述的除藻装置，其特征在于，所述除藻系统包括藻水抽离系统，所述藻水抽离系统包括藻水容纳室、藻水入口（211）和水泵系统（3）；

所述藻水容纳室位于所述主体（2）内，并通过所述藻水入口（211）与外界相通，所述水泵系统（3）从所述藻水容纳室向外抽水。

3.根据权利要求2所述的除藻装置，其特征在于，所述藻水容纳室由所述内壳（22）围成，所述藻水入口（211）位于所述主体（2）的侧壁上靠近所述主体（2）的顶部，所述藻水容纳室通过所述藻水入口（211）与外界相通；

所述水泵系统（3）包括水泵（31）、进水管（32）和出水管，所述进水管（32）穿过所述头部（1）和主体（2）的顶部进入所述藻水容纳室，所述水泵（31）与所述微处理器电连接。

4.根据权利要求1所述的除藻装置，其特征在于，所述除藻系统包括超声除藻系统（5），所述超声除藻系统（5）设置于所述头部（1）外壁上，包括一个或多个超声探头，所述超声探头向下伸出，并且当所述除藻装置漂浮在水上时，所述超声探头的端部位于水面下。

5.根据权利要求2所述的除藻装置，其特征在于，所述浓度监测器（4）包括第二浓度监测探头（42），位于距所述藻水入口（211）下沿所在水平面的距离小于等于2cm的位置。

6.根据权利要求5所述的除藻装置，其特征在于，所述浓度监测器（4）还包括位置分别比第二浓度监测探头（42）高和低的第一浓度监测探头（41）和第三浓度监测探头（43）。

7.根据权利要求6所述的除藻装置，其特征在于，所述第三浓度监测探头（43）位置比所述藻水入口（211）上沿所在水平面低大于等于40cm；

所述第一浓度监测探头（41）位置比所述藻水入口（211）上沿所在水平面的低小于等于2cm。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的除藻装置，其特征在于，还包括用于检测所述除藻装置吃水深度的水位检测装置，所述水位检测装置与所述微处理器数据连接，并向所述微处理器发送吃水深度数据。

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