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水体富营养化动态抑制装置
我国许多地方湖泊都存在水体富营养化的情况,严重影响了水产养殖业的发展和生态环境的保护.目前,主流的叶轮与耕水机等传统机械式充氧机充氧速度与效率仅约10%,橡胶管微泡充氧也仅为30%,这些设备体积大且能耗高.
因此,需要设计一种高效智能化的水体富营养化动态抑制装置,让其既能抑制水体富营养化又能处理底层污水,保持或恢复水体的自净能力.
一、高效充氧机构——“肺束”仿生构思
肺的通气是肌肉收缩和舒张造成肺内气压低于和高于大气压,从而使气体进出肺部.肺泡的气体交换则是毛细血管中的氧浓度低于肺泡内氧浓度（二氧化碳相反）,从而使氧气进入毛细管血液（二氧化碳进入肺泡）即由高浓度向低浓度扩散的渗透原理.
肺能高效吸收氧气的器官就是肺泡毛细血管,毛细血管上分布着密密麻麻的微孔,具有极大的通气量和比表面积,对氧气有较高的选择透过性.
能否找到或人工合成类似毛细血管结构的材料？能否在一定动力条件下,促使空气的氧气选择性地透过这种材料,进入水体充氧,而让空气的氮气排空？
通过查阅文献,一些类似于肺泡毛细血管的有机高分子合成纤维被人们称为“肺束”,它比微管曝气充氧产生的气泡直径更小、稳定性更好,且与水体接触比表面积非常大,充氧效率极有可能明显优于目前主流的微管曝气充氧.
利用疏水性微孔膜无泡供氧时,由于水不能浸润膜,膜微孔始终保持干燥,气体直接通过膜上的微孔从气相转移到液相.实际操作中需要把气压控制在泡点以下,以保障形成能久溶于水体的微细气泡,避免气泡过大、过激从水中迅速逃逸至空气中.
膜材料的选择是“肺束”充氧机构的关键,本项目通过膜通量及氧氮选择性等技术测试,选择了综合性能最优的日本产SS膜作为肺束材料进行研究.
二、肺束充氧机构工作原理
光伏空压机把压缩空气经流量计和压力表压入肺束充氧机构进气管.压缩空气从进气管经过旋转接头进入肺束模组.在保持气压低于泡点条件下,让压缩空气流经肺束模组内的肺束膜管,其中氧气分子选择性透过纤维管壁上广泛分布的极细小膜孔,形成肉眼难以看见的极微小气泡,溶入膜外水体中,提高水体的溶氧量.经过一定时间后,未通过肺束膜的富氮空气通过排氮管排空.
充氧和排氮交替进行可减小充氧阻力并提高充氧效率.利用控制模块控制变频电机,带动肺束充氧机构变速旋转.该旋转作用有两点,一是加快水体循环,加速高溶氧水体的扩散,使水体溶氧更均匀,二是产生冲击肺束膜的剪切力,使富氧气泡更易脱离肺束膜,快速溶入水体,增加溶氧量,避免微小气泡聚集形成大气泡,并防止悬浮颗粒堵塞膜孔.
基于以上研究,我们的整体设计方案见图2.
该装置由肺束与空压机构、光伏提水与生物净化机构、水质采集与信息控制机构等组成.通过实时监测水体富营养化过程,在水质接近富营养化的临界点时自动启动本装置,为水体生物提供足够的溶氧,提高水体自净能力,抑制水体富营养化.
由于肺束充氧机构比表面积大、富氧膜在变速旋转产生剪切力,促使肉眼难以看见的微小富氧气泡溶于水体,再加上间歇式充氧排氮的工作方式,为好氧微生物氧化降解氮磷和有机物提供保障.
为了水体溶氧量及底层污水的实时监测处理,本机构采用光伏电池系统（含光伏板、蓄电池、逆变器等）、水泵、溶氧量及水质传感器、生物净化床等协调作用,实现设计功能.
本装置具有水质富营养化临界点测定、水体高效充氧、水体净化以及智能控制等基本功能.经测试,本装置充氧效率达90%,既能处理底层富营养化水体,又能通过高效充氧,利用好氧微生物氧化降解氮、磷和有机物,抑制水体富营养化,恢复水体的自净能力,具有良好的环保和生产应用前景.（指导老师：段家铁蒋银生）
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