CN109516523B - 一种实现富营养化水体资源化的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现富营养化水体资源化的装置及方法，属于水体资源化的利用技术领域。包含水文缆道自动测控台和施肥整地一体机，所述的水文缆道系统包含水文缆车机械装置及生物炭铁笼，水文缆车机械装置控制生物炭铁笼进入到富营养化水体内吸附其养分后，将吸附养分的生物炭输送至施肥整地一体机，将吸附养分的生物炭与肥料混合均匀后进行撒播实现富营养化水体资源化的利用。本系统中包含改进后自动化水文缆道投放回收系统、施肥机械搬运及平地系统，三者协调运作，将养分饱和的生物炭施用于农田以实现资源化利用，不仅能够降低水体中养分的富集程度，还能在农田实现资源化进而提高农田水氮利用率和实现水氮双减的目的。
Description
技术领域：
本发明涉及一种实现富营养化水体资源化的装置及方法，属于水体资源化的利用技术领域。
背景技术：
目前地表径流入河、入湖，水体富营养化日渐严重，水体自净能力减退，水生态环境遭到破坏，影响区域经济发展。
针对水体富营养化的控制和治理方法包含以下几种方法：1、物理方法；针对富营养化程度较高的水体，引入贫营养化或非营养化或低于富营养化的水体的方式来缓解富营养化的程度，但此法仅适用于富营养化程度相对较小的水体，虽增大了富营养化水体的总量，但是可一定时间内缓和水体自净能力；针对底泥型富营养化较高的水体，采用集中清淤疏浚的方式来降低底泥释放到水体内的污染物质，虽短时间内打破水体与底泥的平衡，但能快速缓解富营养化。
2、化学方法；采用化学药剂，与水体或底泥物质发生化学反应，达到对氮磷等物质固化、阻隔释放。例如将硝酸钙注入到底泥中，磷与硝酸钙能够形成更为稳定的磷酸钙等物质实现磷固定；其次硝酸钙对水环境的有机物、硫化物均有降解或抑制作用，且对水体中的动植物几乎无影响，且效果持续。此外，利用粘土的吸附性质，改性后的粘土对底泥中磷的吸附性有较为长远的应用前景。
3、生物方法：采用投加微生物或生物酶的方式，针对专项营养物质进行降解，或采用生物酶来强化本土微生物的繁殖能力、活性，以达到增强水体自净能力的作用，如：采用强化厌氧微生物的酶物质来修复底泥，来降解底泥中有机物质；增强生物链的长度，以达到利用高级微生物除磷的效果。
物理方法经济高效，但再生难，吸收的水体中的养分未被利用，没有实现资源化。
化学方法效率高，有一定应用前景，但是存在二次污染，也不能实现资源化。
生物方法高效，但是造价高，适用于污染加重水体的紧急处理，容易导致水生生物过度繁殖，并且未涉及到资源化。
清华大学谢淘提出了资源化的理念：利用生物炭对营养元素的吸附性能进行黄水资源化处理，得到可应用于贫瘠土壤改良的缓释肥料，在减轻污水中氮磷的同时，改善土壤肥力，可获得保护环境与农业增产的双赢，实现可持续发展。但是生物炭对有机分子的去除能力弱于无机离子，例如NH4 +和NH4 -，而且该方法只是初步探索，对生物炭如何播撒至田间没有提出具体方案。
因此，我们选择了一种吸附养分离子能力强的生物炭载体吸附水体中的养分并大规模机械化应用于田间，缓释养分，实现其资源化利用。
发明内容：
针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种实现富营养化水体资源化的装置及方法。
本发明的一种实现富营养化水体资源化的装置包含水文缆道自动测控台和施肥整地一体机，所述的水文缆道系统包含水文缆车机械装置及生物炭铁笼，水文缆车机械装置控制生物炭铁笼进入到富营养化水体内吸附其养分后，将吸附养分的生物炭输送至施肥整地一体机，将吸附养分的生物炭与肥料混合均匀后进行撒播实现富营养化水体资源化的利用；其中所述的水文缆车机械装置通过缆绳和电机连接有生物炭铁笼，所述的生物炭铁笼上方设置有水面信号接收装置，生物炭铁笼的下方设置河底信号接收装置，生物炭铁笼内部设置有综合信号接收器，生物炭铁笼侧壁上设置有浓度信号传感器，且水面信号接收装置、河底信号接收装置、综合信号接收器和浓度信号传感器外侧包裹有防水膜，水文缆车机械装置在水文缆道行车装置上行驶，且水文缆车机械装置分别与与交流无级变频控制系统、起点距光电传感器和入水深光电传感器连接，交流无级变频控制系统与PLC可编程器连接，手动操作系统与PLC可编程器控制连接，计算机系统分别与PLC可编程器和浓度测算装置连接，浓度测算装置与综合信号接收器连接，综合信号接收器分别与水面信号接收装置、河底信号发生器和浓度信号传感器连接。
作为优选，所述的交流无级变频控制系统与电源保护及启闭控制电路连接，且电源保护及启闭控制电路外接380v电源，交流无级变频控制系统分别与第一交流接触器和第二交流接触器连接，第一交流接触器连接有巡回电机,第二交流接触器连接有起重电机，电源保护及启闭控制电路主要是对整个系统的安全运行提供一个可靠的电源保障，它不仅为人身安全提供保障，而且对设备的短路故障提供了断电保护。
作为优选，所述的施肥和整地一体机的前端部为整地机，施肥和整地一体机的后端为施肥器，所述的施肥器包括机架,所述机架包括横架杆一和横架杆二,横架杆一上设有料箱,所述料箱内转动安装有水平螺旋输送叶片,所述料箱下方连接有播撒管,所述播撒管通过管道与安装在横架杆二上的播撒器连接,所述播撒器上设有多个鸭嘴式播撒头,所述播散管内转动安装有播撒螺旋叶片,所述播撒螺旋叶片与水平螺旋输送叶片齿轮传动连接,所述水平螺旋输送叶片与安装在横架杆一上的电机通过法兰转动连接；所述横架杆一上还设有水箱,所述水箱位于料箱的右侧,所述水箱侧面安装有水管,所述水管上安装有多个喷嘴,所述喷嘴位置位于播撒器右侧；所述横架杆二上通过连接杆连接有旋耕机,所述旋耕机与横架杆一上的电机转动连接,横架杆二上还连接有导向轮,所述导向轮位于水管的右侧。
所述的整地机包含整地耙、平地辊、挡土罩、传动箱和连接挂钩，平地辊的前端设置有整地耙,平地辊的两侧设置有挡土罩，且平地辊与传动箱传动连接，传动箱的后侧设置有连接挂钩。
本发明的有益效果：本方法使用吸附剂吸附水体养分并在大田进行资源化利用，采用改进后的自动化水文缆道投放回收系统、施肥机械搬运及平地系统，三者协调运作，将养分饱和的生物炭施用于农田以实现资源化利用，不仅能够降低水体中养分的富集程度，还能在农田实现资源化进而提高农田水氮利用率和实现水氮双减的目的。
附图说明：
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为本发明中水文缆道自动测控台的结构示意图；
图2为本发明中生物炭铁笼的结构示意图；
图3为本发明中施肥整地一体机的结构示意图；
图4为本发明中施肥器的结构示意图；
图5为本发明中整地机的结构示意图；
图6为本发明中水文缆道自动测控台控制原理结构示意图；
图7为本发明中交流无级变频控制系统中控制原理结构示意图。
具体实施方式：
如图1-7所示，本具体实施方式采用以下技术方案：一种实现富营养化水体资源化的装置包含水文缆道自动测控台1和施肥整地一体机3，所述的水文缆道系统1包含水文缆车机械装置1-1及生物炭铁笼2，水文缆车机械装置1-1控制生物炭铁笼2进入到富营养化水体内吸附其养分后，将吸附养分的生物炭输送至施肥整地一体机3，将吸附养分的生物炭与肥料混合均匀后进行撒播实现富营养化水体资源化的利用；其中所述的水文缆车机械装置1-1通过缆绳和电机连接有生物炭铁笼2，所述的生物炭铁笼2上方设置有水面信号接收装置2-1，生物炭铁笼2的下方设置河底信号接收装置2-2，生物炭铁笼2内部设置有综合信号接收器2-3，生物炭铁笼2侧壁上设置有浓度信号传感器2-4，且水面信号接收装置2-1、河底信号接收装置2-2、综合信号接收器2-3和浓度信号传感器2-4外侧包裹有防水膜，水文缆车机械装置1-1在水文缆道行车装置1-5上行驶，且水文缆车机械装置1-1分别与与交流无级变频控制系统1-2、起点距光电传感器1-8和入水深光电传感器1-9连接，交流无级变频控制系统1-2与PLC可编程器1-3连接，手动操作系统1-4与PLC可编程器1-3控制连接，计算机系统1-6分别与PLC可编程器1-3和浓度测算装置1-7连接，浓度测算装置1-7与综合信号接收器2-3连接，综合信号接收器2-3分别与水面信号接收装置2-1、河底信号发生器2-2和浓度信号传感器2-4连接。
作为优选，所述的交流无级变频控制系统1-2与电源保护及启闭控制电路连接1-2-1，且电源保护及启闭控制电路1-2-1外接380v电源，交流无级变频控制系统1-2分别与第一交流接触器1-2-2和第二交流接触器1-2-3连接，第一交流接触器1-2-2连接有巡回电机1-2-4,第二交流接触器1-2-3连接有起重电机1-2-5，电源保护及启闭控制电路1-2-1主要是对整个系统的安全运行提供一个可靠的电源保障，它不仅为人身安全提供保障，而且对设备的短路故障提供了断电保护。
作为优选，所述的施肥和整地一体机3的前端部为整地机a，施肥和整地一体机3的后端为施肥器b，所述的施肥器b包括机架b1,所述机架b1包括横架杆一b1-1和横架杆二b1-2,横架杆一b1-1上设有料箱b2,所述料箱b2内转动安装有水平螺旋输送叶片b4,所述料箱b2下方连接有播撒管b3,所述播撒管b3通过管道与安装在横架杆二b1-2上的播撒器b6连接,所述播撒器b6上设有多个鸭嘴式播撒头b6-1,所述播散管b3内转动安装有播撒螺旋叶片b5,所述播撒螺旋叶片b5与水平螺旋输送叶片b4齿轮传动连接,所述水平螺旋输送叶片b4与安装在横架杆一b1-1上的电机通过法兰转动连接；所述横架杆一b1-1上还设有水箱b9,所述水箱b9位于料箱b2的右侧,所述水箱b9侧面安装有水管bl0,所述水管b10上安装有多个喷嘴b11,所述喷嘴b11的位置位于播撒器b6右侧；所述横架杆二b1-2上通过连接杆b7连接有旋耕机b8,所述旋耕机b8与横架杆一b1-1上的电机转动连接,横架杆二b1-2上还连接有导向轮b13,所述导向轮b13位于水管b10的右侧。
所述的整地机a包含整地耙a1、平地辊a2、挡土罩a3、传动箱a4和连接挂钩a5，平地辊a2的前端设置有整地耙a1,平地辊a2的两侧设置有挡土罩a3，且平地辊a2与传动箱a4传动连接，传动箱a4的后侧设置有连接挂钩a5。
一种实现富营养化水体资源化的装置的实现方法为：首先PLC可编程控制器1-3提供交流无级变频控制系统1-2运行命令，能实现生物炭铁笼2的出车、回车、下降、提升等方向的无级调速控制,且能执行河底信号及各测点的行车信号,可同时控制巡回电机1-2-4和起重电机1-2-5的运行；
当生物炭铁笼2向河底下降过程中触及河底时，河底信号发生器2-2将产生一个开关闭合信号，交流无级变频控制系统1-2接收到信号后，将自动使生物炭铁笼2立即停止下降并迅速将生物炭铁笼2提升至河底信号断开瞬间时止；
此时生物炭铁笼2中的生物炭载体吸附水体中的养分，待吸附完后，生物炭铁笼2进行提升，将吸附养分的生物炭输送至施肥器b，通过电机带动水平螺旋输送叶片b4转动，从而带动播撒螺旋叶片b5转动,进而将生物炭箱中的吸附养分的生物炭与肥料混合输送到播撒器6中,播撒器6通过鸭嘴式播撒头6-1将生物炭混合肥料播撒出来，旋耕机b8,上设置的多个耙刺，可以有效地将播撒出来的生物炭与肥料混合均匀化；
整地机a在车内连接的传动箱a4牵引动力的作用下，整地耙a1受重力和土壤反力的作用边滚动边切入土壤并达到预定耙深，由于耙片偏角的作用，耙组同时完成了切割土壤，切断杂草和翻扣的工作，同时双向的整地耙a1上方的平地辊a2可伸缩，当工作时会被放下来在整地耙a1后进行翻滚，碾压，平地，实现富营养化水体中养分资源化的利用。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，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。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (2)
1.一种实现富营养化水体资源化的装置，其特征在于：它包含水文缆道系统(1)和施肥整地一体机(3)，所述的水文缆道系统(1)包含水文缆车机械装置(1-1)及生物炭铁笼(2)，水文缆车机械装置(1-1)控制生物炭铁笼(2)进入到富营养化水体内吸附其养分后，将吸附养分的生物炭输送至施肥整地一体机(3)，将吸附养分的生物炭与肥料混合均匀后进行撒播实现富营养化水体资源化的利用；其中所述的水文缆车机械装置(1-1)通过缆绳和电机连接有生物炭铁笼(2)，所述的生物炭铁笼(2)上方设置有水面信号接收装置(2-1)，生物炭铁笼(2)的下方设置河底信号发生器(2-2)，生物炭铁笼(2)内部设置有综合信号接收器(2-3)，生物炭铁笼(2)侧壁上设置有浓度信号传感器(2-4)，且水面信号接收装置(2-1)、河底信号发生器(2-2)、综合信号接收器(2-3)和浓度信号传感器(2-4)外侧包裹有防水膜，水文缆车机械装置(1-1)在水文缆道行车装置(1-5)上行驶，且水文缆车机械装置(1-1)分别与交流无级变频控制系统(1-2)、起点距光电传感器(1-8)和入水深光电传感器(1-9)连接，交流无级变频控制系统(1-2)与PLC可编程器(1-3)连接，手动操作系统(1-4)与PLC可编程器(1-3)控制连接，计算机系统(1-6)分别与PLC可编程器(1-3)和浓度测算装置(1-7)连接，浓度测算装置(1-7)与综合信号接收器(2-3)连接，综合信号接收器(2-3)分别与水面信号接收装置(2-1)、河底信号发生器(2-2)和浓度信号传感器(2-4)连接；
所述的交流无级变频控制系统(1-2)与电源保护及启闭控制电路(1-2-1)连接，且电源保护及启闭控制电路(1-2-1)外接380v电源，交流无级变频控制系统(1-2)分别与第一交流接触器(1-2-2)和第二交流接触器(1-2-3)连接，第一交流接触器(1-2-2)连接有巡回电机(1-2-4),第二交流接触器(1-2-3)连接有起重电机(1-2-5)，电源保护及启闭控制电路(1-2-1)主要是对整个系统的安全运行提供一个可靠的电源保障；
所述的施肥和整地一体机(3)的前端部为整地机(a)，施肥和整地一体机(3)的后端为施肥器(b)，所述的施肥器(b)包括机架(b1),所述机架(b1)包括横架杆一(b1-1)和横架杆二(b1-2),横架杆一(b1-1)上设有料箱(b2),所述料箱(b2)内转动安装有水平螺旋输送叶片(b4),所述料箱(b2)下方连接有播撒管(b3),所述播撒管(b3)通过管道与安装在横架杆二(b1-2)上的播撒器(b6)连接,所述播撒器(b6)上设有多个鸭嘴式播撒头(b6-1),所述播撒管(b3)内转动安装有播撒螺旋叶片(b5),所述播撒螺旋叶片(b5)与水平螺旋输送叶片(b4)齿轮传动连接,所述水平螺旋输送叶片(b4)与安装在横架杆一(b1-1)上的电机通过法兰转动连接;所述横架杆一(b1-1)上还设有水箱(b9),所述水箱(b9)位于料箱(b2)的右侧,所述水箱(b9)侧面安装有水管(b10),所述水管(b10)上安装有多个喷嘴(b11),所述喷嘴(b11)的位置位于播撒器(b6)右侧，所述横架杆二(b1-2)上通过连接杆(b7)连接有旋耕机(b8),所述旋耕机(b8)与横架杆一(b1-1)上的电机转动连接,横架杆二(b1-2)上还连接有导向轮(b13),所述导向轮(b13)位于水管(b10)的右侧；
所述的整地机(a)包含整地耙(a1)、平地辊(a2)、挡土罩(a3)、传动箱(a4)和连接挂钩(a5)，平地辊(a2)的前端设置有整地耙(a1),平地辊(a2)的两侧设置有挡土罩(a3)，且平地辊(a2)与传动箱(a4)传动连接，传动箱(a4)的后侧设置有连接挂钩(a5)。
2.一种基于权利要求1所述的实现富营养化水体资源化的装置的方法，其特征在于：具体方法为：首先PLC可编程器(1-3)提供交流无级变频控制系统(1-2)运行命令，能实现生物炭铁笼(2)的出车、回车、下降、提升方向的无级调速控制, 且能执行河底信号及各测点的行车信号, 可同时控制巡回电机(1-2-4)和起重电机(1-2-5) 的运行；
当生物炭铁笼(2)向河底下降过程中触及河底时，河底信号发生器(2-2)将产生一个开关闭合信号，交流无级变频控制系统(1-2)接收到信号后，将自动使生物炭铁笼(2)立即停止下降并迅速将生物炭铁笼(2)提升至河底信号断开瞬间时止；
此时生物炭铁笼(2)中的生物炭载体吸附水体中的养分，待吸附完后，生物炭铁笼(2)进行提升，将吸附养分的生物炭输送至施肥器(b)，通过电机带动水平螺旋输送叶片(b4)转动，从而带动播撒螺旋叶片(b5)转动,进而将生物炭箱中的吸附养分的生物炭与肥料混合输送到播撒器(b6)中,播撒器(b6)通过鸭嘴式播撒头(b6-1)将生物炭混合肥料播撒出来，旋耕机(b8)上设置的多个耙刺，可以有效地将播撒出来的生物炭与肥料混合均匀化；
整地机(a)在车内连接的传动箱(a4)牵引动力的作用下，整地耙(a1)受重力和土壤反力的作用边滚动边切入土壤并达到预定耙深，由于耙片偏角的作用，耙组同时完成了切割土壤，切断杂草和翻扣的工作，同时双向的整地耙(a1)上方的平地辊(a2)可伸缩，当工作时会被放下来在整地耙(a1)后进行翻滚，碾压，平地，实现富营养化水体资源化利用。
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