CN112537886A - 一种用于沉水植物定植的自动升降生态沉床 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于湖泊、河道、池塘水质净化和生态重建/恢复时沉水植物定植的自动升降生态沉床，包括太阳能供电系统、电子监控调节系统、沉水植物生长系统、浮力系统和电解池，其中沉水植物生长系统和浮力系统形成生态沉床本体；所述的太阳能供电系统为太阳能发电装置，其与电子监控调节系统、浮力系统和电解池连接供电；所述的沉水植物生长系统设置在浮力系统的上部，包括定植的沉水植物；所述的电子监控调节系统包括电子监控设备和中央控制器；所述的浮力系统包括浮力本体和充气装置，浮力本体设置于沉水植物生长系统下部并与沉水植物生长系统连接；所述的电解池与太阳能供电系统连接。
Description
技术领域
本发明涉及水质净化和生态修复技术领域，尤其是涉及一种用于沉水植物定植的自动升降生态沉床。
背景技术
近年来，随着我国工农业的迅速发展和城市化进程的加快，工业废水和生活污水排放量日益增加，水资源开发力度增强，水污染状况加剧，许多地区的水生态系统都遭到严重的破坏，水质恶化、水体富营养化、生物群落退化等水环境问题十分普遍。水环境问题已经成为我国当前面临的主要环境问题之一。沉水植物连片稳定生长时被形象的比喻为″水下森林″，它不仅可以吸收氮、磷等营养元素遏制水体富营养化，其自身对藻类也有抑制作用，沉水植物还可以通过光合作用对水体增氧。
在实际环境中沉水植物的生长受到很多环境因子的影响，当水体污染严重，透明度低时，水下的光照小于沉水植物的光补偿点，水生植物则不能良好的生长，此时光照强度便成为沉水植物生长的主要限制因子，减弱其净化水质的功能。
目前，生态浮床技术作为一种新型富营养化水体原位修复和控制技术，已经得到了广泛的研究和应用，但其在应用中还存在着一些问题和缺陷。当前常用的浮床载体为塑料、竹子等，这类材料不仅抗腐蚀、稳定性方面表现较差，导致浮床的使用寿命十分有限，而且还会带来二次污染。同时，污染水体的水流情况，风浪大小都会对生态浮床系统产生影响，一般来说，大风大浪不仅会破坏床体系统，还会缩短水力停留时间，导致处理效果下降。此外，浮床还缺乏对深层水体的净化能力。
基于沉水植物种植的生态沉床充分考虑了沉水植物在水体净化中的重要作用，但已有的生态沉床在设计过程中仍然存在许多不足之处。例如，公开号为CN101356881A，公开日为2009年2月4日的中国专利公开的《可升降沉水植物生长床及其制作和应用方法》和公开号为CN201648116U，公开日为2010年11月24日中国专利公开的《沉水式水生植物浮床》，床体均采用金属材料，床体造价高且上浮时对浮力系统要求高；公开号为CN201777934U，公开日为2011年3月30日的中国专利公开的《一种连续可调式沉水植物种植网床》和公开号为CN101356881A，公开日为2009年2月4日中国发明公开的《可升降沉水植物生长床及其制作和应用方法》均采用毛竹作为浮力系统，毛竹腐烂后反而会向水体中释放营养物质，造成二次污染；公开号为CN202272773，公开日为2012年6月13日的《沉水位置可调的网箱式生态沉床》，公开号为CN201777934U，公开日为2011年3月30日的《一种连续可调式沉水植物种植网床》和公开号为CN201999795U，公开日为2011年10月5日的《一种连续沉降式沉水植物生态网床》中，均通过连接于水底固定桩的拉线调节床体在水下的位置，增大了施工难度和成本，并且不利于后期维护；公开号为CN201420662632.X，公开日为2015年3月11日的中国发明公开的《一种升降式双定位模块化沉水植物水质净化装置》采用UPVC材质的沉床主体和浮力系统框架，并不再使用固定桩，而以抽灌水的方式实现沉床主体的沉浮，但并未解决抽水动力问题，也未实现根据光补偿点自动调节沉床深度问题，需要人为控制调节，增加了经济和人力成本；公开号为CN108751416A，公开日为2018年11月6日的中国发明专利公开的《一种新型立体生态浮床净化系统》以及公开号为CN108812276A，公开日为2018年11月16日的《一种水资源净化生态浮床》并未涉及光补偿点问题，无法实现自动调节。因此，目前亟需一种采用环保材料作为床体并可根据光补偿点自动调节深度的生态沉床来解决以上问题，从而为水环境改善和生态修复提供新的技术支撑。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种用于湖泊、河道、池塘水质净化和生态重建/恢复时沉水植物定植的自动升降生态沉床，可有效解决上述背景中提到的二次污染问题、光补偿点问题、经济和人力成本问题。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
一种用于沉水植物定植的自动升降生态沉床，其包括太阳能供电系统、电子监控调节系统、沉水植物生长系统、浮力系统和电解池；
所述的太阳能供电系统为矗立在水面上并固定于沉水植物生长系统旁边的太阳能发电装置，太阳能供电系统与电子监控调节系统、浮力系统和电解池连接供电；
所述的沉水植物生长系统包括定植的沉水植物、网格板和基质，沉水植物生长系统设置在浮力系统的上部并与浮力系统连接；
所述的电子监控调节系统包括设置于沉水植物生长系统水平位置的电子监控设备和设置于水面上部的、与太阳能供电系统连接的中央控制器；
所述的浮力系统包括浮力本体和充气装置，所述的浮力本体设置于沉水植物生长系统下部并与沉水植物生长系统连接，充气装置与浮力本体连接可为浮力本体充气，同时充气装置与太阳能供电系统连接；
所述的电解池设置于太阳能供电系统下部并与太阳能供电系统连接。
进一步地，所述的太阳能供电系统包括通过支架结构矗立在水面上方的太阳能多晶硅电池板、充电控制器、蓄电池和逆变器，并固定于沉水植物生长系统旁边。由于光伏发电设备更加稳定，且安装维护简便，本发明采用太阳能光伏发电为本系统供电。太阳能电池板将太阳能转化为电能，通过充电控制器储存在蓄电池中，再通过逆变器将直流电转变为交流电，驱动充气泵，为充气气垫充气。蓄电池同时接入电子监控调节系统和电解池，为电子监控调节系统及电解池供电。
进一步地，所述沉水植物生长系统还包括塑料底板、网格板和基质，所述的塑料底板固定于浮力系统上部，所述的塑料底板上布设网格板；所述的网格板设置在塑料底板上部，每个网格内添加基质以便沉水植物根系固着。所述的塑料底板为PE材质制得，避免了对水体的污染而且可以回收二次利用。
进一步地，所述的电子监控设备包括设置于沉水植物生长系统的塑料底板和网格板之间的测氧装置和设置于沉水植物生长系统上部、与水生植物处于同一水平高度的水下光照监测装置。
进一步地，所述的浮力本体包括充气气垫和固定气囊，所述的固定气囊设置于充气气垫上部使整个浮力系统上部形成一个槽体，所述的沉水植物生长系统固定于槽体中。
进一步地，所述的充气气垫上部设置有多个排气管孔，所述的排气管孔上设置有排气单向阀，所述的排气单向阀与中央控制器连接。
进一步地，所述的充气气垫底部通过绳索与所在水域底部固定连接。
进一步地，所述的电解池装置由置于塑料桶中的Fe-C组合形成。Fe-C形成的电位差通过吸附、凝聚、络合等作用去除废水中的多种污染物。碳棒及铁屑均置于塑料桶中，桶高120～150mm。
本发明具备的优点为：
(1)组件模块化，可根据工程需要调整网床尺寸、深度和工作时间；
(2)PE材料的塑料板，避免二次污染；
(3)在装置四周安装充气气垫，降低了床体上浮所需浮力，装置下沉时放出的气体可给植物提供一部分氧气，实现污染河道、湖泊水生植物定植；
(4)全程使用太阳能供能，无额外能源消耗与污染物排放，节能减排；
(5)沉床上配备了电子装置，可以实现水环境因子自动监测、记录与分析处理，进而可以根据水下光照自动调节沉床在水中的深度，根据水下溶氧量变化适时曝气；
(6)装置添加了Fe-C电解池，Fe-C形成的电位差通过吸附、凝聚、络合等作用去除废水中的多种污染物，净化效果得以提高。
综合来看，本设计环保节能，节省了人力成本，最大程度的利用了沉水植物对污染水体的净化能力，且保证了沉水植物的长期生长。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中，11-太阳能多晶硅电池板，12-蓄电池，13-支架，21-沉水植物，22-塑料底板，23-基质，24-网格板，31-中央控制器，32-测氧装置，33-测光装置，41-充气装置，42-充气气垫，43-固定气囊，5-电解池，6-绳索。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。本领域技术人员对在本发明的启示下所做的任何等效改换均应落入本发明保护范围之内。
结合附图可以更清楚地对本发明进行说明，图1为本发明的结构示意图，在具体实施方式中可对本发明进行尺寸上的调整，但这种大小、比例的调整将不影响本发明要求保护的范围。如图1所示，一种用于沉水植物定植的自动升降生态沉床，其包括太阳能供电系统、电子监控调节系统、沉水植物生长系统、浮力系统和电解池，其中沉水植物生长系统和浮力系统形成生态沉床本体；
所述的太阳能供电系统为矗立在水面上并固定于沉水植物生长系统旁边的太阳能发电装置，太阳能供电系统与电子监控调节系统、浮力系统和电解池连接供电；
所述的沉水植物生长系统包括定植的沉水植物、网格板和基质，沉水植物生长系统设置在浮力系统的上部并与浮力系统连接；
所述的电子监控调节系统包括设置于沉水植物生长系统水平位置的电子监控设备和设置于水面上部的、与太阳能供电系统连接的中央控制器；
所述的浮力系统包括浮力本体和充气装置，所述的浮力本体设置于沉水植物生长系统下部并与沉水植物生长系统连接，充气装置与浮力本体连接可为浮力本体充气，同时充气装置与太阳能供电系统连接；
所述的电解池设置于太阳能供电系统下部并与太阳能供电系统连接。
进一步地，所述的太阳能供电系统包括通过支架结构矗立在水面上方的太阳能多晶硅电池板、充电控制器、蓄电池和逆变器，并固定于沉水植物生长系统旁边。由于光伏发电设备更加稳定，且安装维护简便，本发明采用太阳能光伏发电为本系统供电。太阳能电池板将太阳能转化为电能，通过充电控制器储存在蓄电池中，再通过逆变器将直流电转变为交流电，驱动充气泵，为充气气垫充气。蓄电池同时接入电子监控调节系统和电解池，为电子监控调节系统及电解池供电。
进一步地，所述沉水植物生长系统还包括塑料底板、网格板和基质，所述的塑料底板固定于浮力系统上部，所述的塑料底板上布设网格板；所述的网格板设置在塑料底板上部，每个网格内添加基质以便沉水植物根系固着。塑料底板由PE材料制成，厚30mm，面积由所在水域大小决定，优选为1m2，所在水域面积较大时可以设置多个本发明的自动升降生态沉床。所述的塑料底板为PE材质制得，避免了对水体的污染而且可以回收二次利用。在网格板的每个小格内添加原位沉积物改性或商品化植物生长基质，沉水植物幼苗、石芽等栽植于网格内便于根系固着，并可随沉床上下升降以便接收到足够的光照维持良好生长状态。
进一步地，所述的电子监控设备包括设置于沉水植物生长系统的塑料底板和网格板之间的测氧装置和设置于沉水植物生长系统上部、与水生植物处于同一水平高度的水下光照监测装置。
进一步地，所述的浮力本体包括充气气垫和固定气囊，所述的固定气囊设置于充气气垫上部使整个浮力系统上部形成一个槽体，所述的沉水植物生长系统固定于槽体中，槽体结构的设置也实现了浮力本体的稳定性。
进一步地，所述的充气气垫上部设置有多个排气管孔，所述的排气管孔上设置有排气单向阀，所述的排气单向阀与中央控制器连接，排气管孔口部的孔径较小，以实现浮力本体均匀、小幅度泄气。优选地一种实施方式为：所述的排气管孔的数量与网状连接管上的网格的数量相同，并在每个网格下部设置一个排气管孔。
进一步地，所述的充气气垫底部通过绳索与所在水域底部固定连接，即下层充气气垫的四个角连有连接绳，绳子另一端固定于水底，避免沉床在水流及波浪的影响下四处游走。
进一步地，所述的电解池装置由置于PE塑料桶中的Fe-C组合形成。Fe-C形成的电位差通过吸附、凝聚、络合等作用去除废水中的多种污染物。碳棒及铁屑均置于塑料桶中，桶高120～150mm。
本发明的用于沉水植物定植的自动升降生态沉床的深度自动调控方法，用于自动控制浮力本体所在水体中的实时深度，以提供给沉水植物适宜的生长环境；通过同时控制浮力本体进气和排气结合所在水深的包括照度、溶解氧的环境因子来自动控制浮力本体所在水体中的实时深度：定义沉水植物的最佳照度为S，水体中溶氧量下限值为T，测氧装置测得的水域实时溶氧量为t，测光装置测得的所在深度的实时照度为s，包括以下步骤：
(1)当测光装置测得的所在深度的实时照度s低于最佳照度S时，中央控制器控制排气单向阀关闭，控制充气装置开启，为浮力本体充气，使浮床上升，直至实时照度s等于最佳照度S；
(2)当测光装置测得的所在深度的实时照度s高于最佳照度S时，中央控制器控制排气单向阀开启，控制充气装置关闭，为浮力本体泄气，使浮床下降，直至实时照度s等于最佳照度S；
(3)当测氧装置测得的水域实时溶氧量t小于水体中溶氧量下限值T时，关闭测氧装置、控制排气单向阀和充气装置同时开启，同时通过控制充气装置充气功率输出控制生态沉床本体的深度，使实时照度s等于最佳照度S；一定时间以后，开启测氧装置、控制排气单向阀和充气装置同时关闭。
为了避免排气单向阀与充气装置频繁开启与关闭，所述的最佳照度S为一个范围值，所述的等于最佳照度S即进入S范围值之内，具体为适合所选择定植的沉水植物生长的照度范围值；所述的电子监控调节系统可选择在晚上定时关闭，白天定时开启。
基于本发明的结构，构建种植伊乐藻(Elodea nuttallii)的自动升降生态沉床(结构参数见表1)。生态沉床入水后，感光传感器装置上下移动测得不同水深的照度；中央控制器记录并综合分析光、溶解氧等环境因子状况，与最佳照度值比较后采用气泵充气气孔放气改变沉床浮力来调节深度，使沉床深度始终在合适位置；采用铁屑作为电极材料，利用铁碳微电解法进行电极反应，产生高活性产物与体系中一些难以降解的污染物发生氧化还原反应。通过该装置单位时间净水量约为1～1.5m3/h，出水中N的削减率55％左右、P的削减率52％左右、COD的削减率50％左右。
表1 结构参数表
以上所述仅是对本发明的优选实例，并不用于在形式上限制本发明，凡是根据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种用于沉水植物定植的自动升降生态沉床，其特征在于：包括太阳能供电系统、电子监控调节系统、沉水植物生长系统、浮力系统和电解池，其中沉水植物生长系统和浮力系统形成生态沉床本体；
所述的太阳能供电系统为矗立在水面上并固定于沉水植物生长系统旁边的太阳能发电装置，太阳能供电系统与电子监控调节系统、浮力系统和电解池连接供电；
所述的沉水植物生长系统包括定植的沉水植物，沉水植物生长系统设置在浮力系统的上部并与浮力系统连接；
所述的电子监控调节系统包括设置于沉水植物生长系统水平位置的电子监控设备和设置于水面上部的、与太阳能供电系统连接的中央控制器；
所述的浮力系统包括浮力本体和充气装置，所述的浮力本体设置于沉水植物生长系统下部并与沉水植物生长系统连接，充气装置与浮力本体连接可为浮力本体充气，同时充气装置与太阳能供电系统连接；
所述的电解池设置于太阳能供电系统下部并与太阳能供电系统连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于沉水植物定植的自动升降生态沉床，其特征在于：所述的太阳能供电系统包括通过支架结构矗立在水面上方的太阳能多晶硅电池板、充电控制器、蓄电池和逆变器，并固定于沉水植物生长系统旁边。
3.根据权利要求1所述的一种用于沉水植物定植的自动升降生态沉床，其特征在于：所述沉水植物生长系统还包括塑料底板、网格板和基质，所述的网格板设置在塑料底板上。在网格板的每个小格内添加原位沉积物改性或商品化植物生长基质，沉水植物幼苗、石芽等栽植于网格内便于根系固着，并可随沉床上下升降以便接收到足够的光照维持良好生长状态。
4.根据权利要求1所述的一种用于沉水植物定植的自动升降生态沉床，其特征在于：所述的电子监控设备包括设置于沉水植物生长系统的塑料底板和网格板之间的测氧装置和设置于沉水植物生长系统上部、与水生植物处于同一水平高度的测光装置。
5.根据权利要求1所述的一种用于沉水植物定植的自动升降生态沉床，其特征在于：所述的浮力本体包括充气气垫和固定气囊，所述的固定气囊设置于充气气垫上部使整个浮力系统上部形成一个槽体，所述的沉水植物生长系统固定于槽体中。
6.根据权利要求5所述的一种用于沉水植物定植的自动升降生态沉床，其特征在于：所述的充气气垫上部设置有多个排气管孔，所述的排气管孔上设置有排气单向阀，所述的排气单向阀与中央控制器连接。
7.根据权利要求5所述的一种用于沉水植物定植的自动升降生态沉床，其特征在于：所述的充气气垫底部通过绳索与所在水域底部固定连接。
8.根据权利要求1所述的一种用于沉水植物定植的自动升降生态沉床，其特征在于：所述的电解池装置由置于塑料桶中的Fe-C组合形成。
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