CN109319940B - 一种水生态修复装置、系统及修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水生态修复装置，包括主控制器部分、电源部分、电机驱动部分、导流结构部分、浮标体、传感器检测部分。一种水生态修复系统，包括远程数据中心、上述水生态修复装置及配套的APP。本发明还公开了一种水生态修复方法，具体步骤为：配置系统运行的阈值和参数；主控制器接收上位机的指令，并控制电机叶轮旋转；叶轮旋转带动水体形成了横向流和纵向流；装置通过产生横向水循环和纵向水循环，促进浅层水和深层水体的交换，消除水体分层，促进水体均匀化，显著提高深层水体的溶解氧含量。本发明采用闭环控制策略，通过在一定范围内的水体形成纵横向水循环，促进浅层和深层水体的交换，提高水体溶解氧含量，改善水质，实现水生态修复。

Description

一种水生态修复装置、系统及修复方法

技术领域

本发明涉及水生态技术领域，特别涉及一种水生态修复装置、系统及其修复方法。

背景技术

当前黑臭水体问题已成为我国主要环境问题之一，水库、城市景观池、人工湖等容易发生水体富营养化或者黑臭水体问题。形成黑臭水体的主要原因之一是水体缺氧，水体分层进一步加剧了这一现象，造成缺氧水体尤其是深层水体厌氧生物大量繁殖，引起严重水变。国家为治理黑臭水体投入了大量的人力物力，取得了一定的效果，但是效果往往缺乏长久性，而且维护的成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种水生态修复装置及修复系统，此装置及系统通过实现水体的横纵向水循环，能显著提高水中尤其是深层水体的溶解氧含量，装置无需外接电源，无需人员值守，维护成本较低。

本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种水生态修复方法，此方法采用闭环控制策略来调节水体溶解氧含量，提高控制的效率。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种水生态修复装置，包括主控制器部分、电源部分、电机驱动部分、导流结构部分、浮标体、传感器检测部分；

所述电源部分包括电池仓；

所述电机驱动部分包括电机、电机连接轴、叶轮，叶轮和电机靠连接轴连接传动，主控制器驱动电机旋转从而带动叶轮旋转；

所述浮标体包括浮标平台、三个以上的浮体，还包括连接浮标平台与浮体、浮体与浮体、浮体与导流结构部分的支架；

水生态修复装置以浮标体为载体，分为水上、水下两部分，水上部分包括位于浮标平台上的主控制器部分和电机驱动部分的电机、位于浮体内的电池仓，水下部分包括电机驱动部分的连接轴、叶轮、导流结构部分，叶轮通过连接轴固定于浮标平台下方，伸入浅层水；

所述导流结构部分包括导流管、分水盘、压水盘，导流管底端伸入到深水层下并设有进水孔；分水盘连接导流管的另一端，并通过支架与浮标平台连接固定；压水盘固定于浮标平台下，位于叶轮上方；分水盘和压水盘之间形成水流的横向导流空间；

所述传感器检测部分，包括溶解氧检测装置作为水质传感器，水质传感器伸入水下，主控制器采集传感器检测部分的参数，进而控制装置运行。

优选的，所述水质传感器包括COD传感器、NH₃-N传感器、TP传感器、TN传感器、叶绿素a传感器，同步监测COD含量、NH₃-N含量、TP含量、TN含量、叶绿素a含量数据，以监测上述指标的变化趋势。

优选的，所述传感器检测部分还包括连接电机的电压电流转速检测装置、蓄电池电压检测装置，电机检测装置和蓄电池电压检测装置均位于主控制器中；主控制器可采集传感器检测部分的参数，从而对装置的运行状态进行跟踪。

优选的，所述主控制器部分包括GPRS模块，该模块远程传输监测数据、配置设备参数、控制装置运行。

优选的，所述主控制器部分包括蓝牙模块，通过蓝牙传输方式，结合配套的手机APP控制装置运行，方便现场测试与比对效果。

优选的，所述水生态修复装置还包括固定于浮标平台上的太阳能板，太阳能板与蓄电池配套使用，二者之间的充电控制由位于主控制器的太阳能充电控制电路完成，无需外接电源，方便环保，维护量小，可保证在阴雨条件下维持正常工作。

优选的，所述主控制器部分、电机外设置密封仓，并将电池仓也密封进浮体中，起到防水的作用。

优选的，浮体上方设有栽培生态修复水生植物的框架，水生植物可以吸收水体的氮磷，还可以富集重金属，起到净化水体的作用。

优选的，所述导流管为软管且长度可伸缩，以长度达到深层水为宜。

一种水生态修复系统，此修复系统包括远程数据中心、上述任一水生态修复装置及配套的APP；

水生态修复装置内含遥测终端，远程数据中心的数据接收端利用GPRS无线传输方式远程实时召测需监测的数据或者开关电机。通过配套的APP，以蓝牙方式实现对装置电机的开关和调速、水质参数的获取，方便现场测试与比对效果。远程数据中心或APP均可配置系统运行的阈值及参数，实现装置的自动运行，定时采集数据。

优选的，所需监测的数据包括水质参数、电机电流、电机电压、电机转速、蓄电池电压，其中水质参数一般包含溶解氧含量、COD含量、NH₃-N含量、TP含量、TN含量、叶绿素a含量。

优选的，系统运行的阈值和参数包括需采样的物理量、采样周期、电机开关周期、电机转速。

本发明的另一目的通过以下技术方案实现：一种水生态修复方法，此水生态修复方法基于上述任一水生态修复系统，具体步骤如下：

S1、配置系统运行的阈值和参数；

S2、主控制器接收上位机的指令，并控制电机叶轮旋转；

S3、叶轮旋转带动水体产生横向流，同时叶轮附近形成局部负压，在大气压作用下管子底部的深层水体被提升到上层，同时管底外面附近的深层水通过进水孔补充到管子内部，从而形成纵向流；装置通过产生横向水循环和纵向水循环，促进浅层水和深层水体的交换，消除水体分层，促进水体均匀化，显著提高深层水体的溶解氧含量。

优选的，所述步骤S1中，系统运行的阈值和参数可通过远程数据中心或配套的APP配置和修改，包括需采样的物理量、采样周期、电机开关周期，实现装置的自动运行，定时采集数据。

优选的，所述水生态修复方法，以电机转速和转动时长为控制量，以溶解氧含量为反馈量，当溶解氧含量高于设定阈值时，关闭电机，装置处于待机状态；当溶解氧检测装置检测到氧含量较低时，装置进入工作模式，综合考虑转速和时长对溶解氧的影响，对其进行优化控制。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明通过在一定范围内的水体形成纵横向水循环，促进浅层和深层水体的交换，提高水体溶解氧含量，采用闭环控制策略，以水中溶解氧含量为反馈量，以电机旋转速度和时长为控制量，通过建立电机旋转速度、旋转时长、溶解氧含量三者之间的反馈关系，优化控制电机转速和时长，提高控制的效率改善水质实现水生态修复。

2、本发明设有GPRS无线传输模块和蓝牙控制模块，利用GPRS可远程实时监控相关数据，远程配置设备参数，实现数据的定时自动采集与上报；蓝牙控制基于配套的app可方便快速地自主配置设备，不依赖于移动网络，为现场测试实验提供了便利。

3、本发明采用太阳能为动力补充能量来源，装置采用“太阳能+蓄电池”组合供电，无需外接电源，方便环保，维护量小，可保证在阴雨条件下维持正常工作。

附图说明

图1是本发明实施例水生态修复装置结构示意图。

图2是本发明实施例水生态修复系统示意图。

其中：1—密封仓，2—主控制器部分，3—电机，4—太阳能板，5—浮体，6—电池仓，7—压水盘，8—分水盘，9—进水孔，10—叶轮，11—支架，12—连接轴，13—导流管，14—水质传感器，15—生态修复水生植物，16—远程数据中心，17—水生态修复装置，18—手机APP，图1中虚线箭头表示水流方向。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图详细描述本发明提供的实施例，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1—2所示，一种水生态修复装置，包括主控制器部分2、电源部分、电机驱动部分、导流结构部分、浮标体、传感器监测部分。

主控制器部分包括GPRS模块、蓝牙模块，远程数据中心16的数据接收端利用GPRS无线传输方式远程实时监测传感器采集到的数据或者开关电机3，采集的数据包括、水温、电机电流、电机转速、蓄电池电压，还包括溶解氧含量、COD含量、NH₃-N含量、TP含量、TN含量、叶绿素a含量等水质参数。在现场，则通过蓝牙数据传输，结合配套的手机APP18实现对装置电机的开关和调速，方便现场测试与比对效果。同时，主控制器通过远程数据中心配置或手机APP操作配置好需采样的物理量和采样周期、电机开关周期等，实现装置的自动运行，定时采集数据。

电源部分包括密封于浮体5中的电池仓6和固定于浮标平台上的太阳能板4，太阳能板与蓄电池配套使用，二者之间的充电控制由位于主控制器的太阳能充电控制电路完成，无需外接电源，方便环保，维护量小，可保证在阴雨条件下维持正常工作。

电机驱动部分包括电机、电机连接轴、叶轮，叶轮和电机靠连接轴连接传动，主控制器驱动电机旋转从而带动叶轮旋转。

浮标体包括浮标平台、三个浮体，还包括连接浮标平台与浮体、浮体与浮体、浮体与导流结构部分的支架11。

传感器检测部分包括水质传感器14、连接电机的电压电流转速检测装置、蓄电池电压检测装置，水质传感器具体包括溶解氧检测装置、COD传感器、NH₃-N传感器、TP传感器、TN传感器、叶绿素a传感器。水质传感器伸入水下，当溶解氧检测装置检测到的氧含量较低时，装置进入工作模式，以电机转速和转动时长为控制量，以溶解氧含量为反馈量，综合考虑转速和时长对溶解氧的影响，对其进行优化控制，使控制效果最优化。主控制器可采集传感器检测部分的参数，从而对装置的运行状态进行跟踪。

水生态修复装置以浮标体为载体，分为水上、水下两部分，水上部分包括位于浮标平台上的主控制器部分和电机驱动部分的电机、位于浮体内的电池仓，水下部分包括传感器监测部分的溶解氧检测装置、电机驱动部分的连接轴12、叶轮10、导流结构部分，叶轮通过连接轴固定于浮标平台下方，伸入浅层水。

导流结构部分包括导流管13、分水盘8、压水盘7，导流管为直径630mm软管，可根据水深伸缩，导流管底端伸入到深水层并设有进水孔9；分水盘连接导流管的另一端，并通过支架与浮标平台连接固定；压水盘固定于浮标平台下，位于叶轮上方；分水盘和压水盘之间形成水流的横向导流空间。当电机旋转时，浅层水在叶轮的作用下进入到分水盘，在分水盘和压水盘的共同作用下，水体以微提升状态扩散到装置外并形成横向流，此时叶轮附近形成局部负压，在大气压的作用下，深层水体从管底的进水孔进入导流管并提升到浅层，因此形成了横向流循环和纵向流循环。

浮标平台上方设有密封仓1，密封仓分为上下两层，上层固定主控制器部分，下层固定电机本体部分，并将电池仓也密封进浮体中，起到防水的作用。

浮体上方设有框架可栽培生态修复水生植物15，水生植物可以吸收水体的氮磷，还可以富集重金属，起到净化水体的作用。

实施例2

如图2所示，一种水生态修复系统，此修复系统包括远程数据中心16、实施例1中的水生态修复装置17及配套的手机APP；

水生态修复装置内含遥测终端，远程数据中心的数据接收端利用GPRS无线传输方式远程实时召测需监测的数据或者开关电机，监测的数据包括溶解氧含量、COD含量、NH₃-N含量、TP含量、TN含量、叶绿素a含量、电机电流、电机电压、电机转速、蓄电池电压。通过配套的手机APP，以蓝牙方式实现对装置电机的开关和调速以及水质参数获取，方便现场测试与比对效果。远程数据中心或手机APP均可配置系统运行的阈值及参数，包括需采样的物理量、采样周期、电机开关周期，实现装置的自动运行，定时采集数据。

实施例3

一种水生态修复方法，此水生态修复方法基于实施例2中的水生态修复系统，具体步骤如下：

S1、通过远程数据中心或配套的手机APP配置系统运行的阈值和参数，包括需采样的物理量、采样周期、电机开关周期；

S2、采用闭环控制策略，以电机转速和转动时长为控制量，以溶解氧含量为反馈量，当溶解氧含量高于设定阈值时，关闭电机，装置处于待机状态；当溶解氧检测装置检测到氧含量较低时，装置进入工作模式，综合考虑转速和时长对溶解氧的影响，对其进行优化控制；

S3、主控制器接收上位机的指令，并控制电机叶轮旋转；

S4、叶轮旋转带动水体产生横向流，同时叶轮附近形成局部负压，在大气压作用下管子底部的深层水体被提升到上层，同时管底外面附近的深层水通过进水孔补充到管子内部，从而形成纵向流。浅层水在叶轮的作用下进入到分水盘，在分水盘和压水盘的共同作用下，水体以形成了横向流循环和纵向流循环，装置通过产生横向水循环和纵向水循环，促进浅层水和深层水体的交换，提高水体尤其是深层水体的溶解氧含量。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种水生态修复装置，其特征在于，包括主控制器部分、电源部分、电机驱动部分、导流结构部分、浮标体、传感器检测部分；

所述电源部分包括电池仓；

所述水生态修复装置还包括固定于浮标平台上的太阳能板，太阳能板与蓄电池配套使用，二者之间的充电控制由位于主控制器的太阳能充电控制电路完成，无需外接电源；所述主控制器部分、电机外设置密封仓，并将电池仓也密封进浮体中；所述导流管为软管且长度可伸缩；

所述电机驱动部分包括电机、电机连接轴、叶轮，叶轮和电机靠连接轴连接传动，主控制器驱动电机旋转从而带动叶轮旋转；

所述浮标体包括浮标平台、三个以上的浮体，还包括连接浮标平台与浮体、浮体与浮体、浮体与导流结构部分的支架；

水生态修复装置以浮标体为载体，分为水上、水下两部分，水上部分包括位于浮标平台上的主控制器部分和电机驱动部分的电机、位于浮体内的电池仓，水下部分包括电机驱动部分的连接轴、叶轮、导流结构部分，叶轮通过连接轴固定于浮标平台下方，伸入浅层水；

所述导流结构部分包括导流管、分水盘、压水盘，导流管底端伸入到深水层下并设有进水孔；分水盘连接导流管的另一端，并通过支架与浮标平台连接固定；压水盘固定于浮标平台下，位于叶轮上方；分水盘和压水盘之间形成水流的横向导流空间；

所述传感器检测部分具体包括溶解氧检测装置作为水质传感器，水质传感器伸入水下，主控制器采集传感器检测部分的参数，进而控制装置运行，其中，水生态修复方法是：

S1、配置系统运行的阈值和参数；建立电机旋转速度、旋转时长和溶解氧含量三者之间的反馈关系，采用闭环控制策略实现溶解氧的提升；以电机转速和转动时长为控制量，以溶解氧含量为反馈量，当溶解氧含量高于设定阈值时，关闭电机，装置处于待机状态；当溶解氧检测装置检测到氧含量较低时，装置进入工作模式；

S2、主控制器接收上位机的指令，并控制电机叶轮旋转；

S3、叶轮旋转带动水体产生横向流，同时叶轮附近形成局部负压，在大气压作用下管子底部的深层水体被提升到上层，同时管底外面附近的深层水通过进水孔补充到管子内部，从而形成纵向流；装置通过产生横向水循环和纵向水循环，促进浅层水和深层水体的交换，消除水体分层，促进水体均匀化，显著提高深层水体的溶解氧含量；

所述浮体上方设有栽培生态修复水生植物的框架；

所述主控制器部分包括蓝牙模块，通过蓝牙传输方式，结合配套的APP控制装置运行。

2.根据权利要求1所述的水生态修复装置，其特征在于，所述传感器检测部分还包括连接电机的电压电流转速检测装置、蓄电池电压检测装置，电机检测装置和蓄电池电压检测装置均位于主控制器中。

3.根据权利要求1所述的水生态修复装置，其特征在于，所述主控制器部分包括GPRS模块，该模块远程传输监测数据、配置设备参数、控制装置运行。

4.一种水生态修复系统，其特征在于，此修复系统包括远程数据中心、权利要求1-3任一水生态修复装置及配套的APP；

水生态修复装置内含遥测终端，远程数据中心的数据接收端利用GPRS无线传输方式远程实时召测需监测的数据或者开关电机；通过配套的APP，以蓝牙方式实现对装置电机的开关和调速、水质参数的获取；远程数据中心或APP均可配置系统运行的阈值和参数，包括需采样的物理量、采样周期、电机开关周期和电机转速。

5.根据权利要求4所述的水生态修复系统，其特征在于，所需监测的数据包括溶解氧含量、电机电流、电机电压、电机转速、蓄电池电压。