水體富營(yíng)養(yǎng)化動(dòng)態(tài)抑制裝置

我國(guó)許多地方湖泊都存在水體富營(yíng)養(yǎng)化的情況， 嚴(yán)重影響了水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。目前，主流的葉輪與耕水機(jī)等傳統(tǒng)機(jī)械式充氧機(jī)充氧速度與效率僅約10%，橡膠管微泡充氧也僅為30%，這些設(shè)備體積大且能耗高。

因此，需要設(shè)計(jì)一種高效智能化的水體富營(yíng)養(yǎng)化動(dòng)態(tài)抑制裝置，讓其既能抑制水體富營(yíng)養(yǎng)化又能處理底層污水，保持或恢復(fù)水體的自凈能力。

一、高效充氧機(jī)構(gòu)——“肺束”仿生構(gòu)思

肺的通氣是肌肉收縮和舒張?jiān)斐煞蝺?nèi)氣壓低于和高于大氣壓，從而使氣體進(jìn)出肺部。肺泡的氣體交換則是毛細(xì)血管中的氧濃度低于肺泡內(nèi)氧濃度（二氧化碳相反），從而使氧氣進(jìn)入毛細(xì)管血液（二氧化碳進(jìn)入肺泡）即由高濃度向低濃度擴(kuò)散的滲透原理。

肺能高效吸收氧氣的器官就是肺泡毛細(xì)血管，毛細(xì)血管上分布著密密麻麻的微孔，具有極大的通氣量和比表面積，對(duì)氧氣有較高的選擇透過性。

能否找到或人工合成類似毛細(xì)血管結(jié)構(gòu)的材料？能否在一定動(dòng)力條件下，促使空氣的氧氣選擇性地透過這種材料，進(jìn)入水體充氧，而讓空氣的氮?dú)馀趴眨?/p>

通過查閱文獻(xiàn)，一些類似于肺泡毛細(xì)血管的有機(jī)高分子合成纖維被人們稱為“肺束”，它比微管曝氣充氧產(chǎn)生的氣泡直徑更小、穩(wěn)定性更好，且與水體接觸比表面積非常大，充氧效率極有可能明顯優(yōu)于目前主流的微管曝氣充氧。

利用疏水性微孔膜無(wú)泡供氧時(shí)，由于水不能浸潤(rùn)膜，膜微孔始終保持干燥，氣體直接通過膜上的微孔從氣相轉(zhuǎn)移到液相。實(shí)際操作中需要把氣壓控制在泡點(diǎn)以下，以保障形成能久溶于水體的微細(xì)氣泡，避免氣泡過大、過激從水中迅速逃逸至空氣中。

膜材料的選擇是“肺束”充氧機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵，本項(xiàng)目通過膜通量及氧氮選擇性等技術(shù)測(cè)試，選擇了綜合性能最優(yōu)的日本產(chǎn)SS膜作為肺束材料進(jìn)行研究。

二、肺束充氧機(jī)構(gòu)工作原理

光伏空壓機(jī)把壓縮空氣經(jīng)流量計(jì)和壓力表壓入肺束充氧機(jī)構(gòu)進(jìn)氣管。壓縮空氣從進(jìn)氣管經(jīng)過旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入肺束模組。在保持氣壓低于泡點(diǎn)條件下，讓壓縮空氣流經(jīng)肺束模組內(nèi)的肺束膜管，其中氧氣分子選擇性透過纖維管壁上廣泛分布的極細(xì)小膜孔，形成肉眼難以看見的極微小氣泡，溶入膜外水體中，提高水體的溶氧量。經(jīng)過一定時(shí)間后，未通過肺束膜的富氮空氣通過排氮管排空。

充氧和排氮交替進(jìn)行可減小充氧阻力并提高充氧效率。利用控制模塊控制變頻電機(jī)，帶動(dòng)肺束充氧機(jī)構(gòu)變速旋轉(zhuǎn)。該旋轉(zhuǎn)作用有兩點(diǎn)，一是加快水體循環(huán)，加速高溶氧水體的擴(kuò)散，使水體溶氧更均勻，二是產(chǎn)生沖擊肺束膜的剪切力，使富氧氣泡更易脫離肺束膜，快速溶入水體，增加溶氧量，避免微小氣泡聚集形成大氣泡，并防止懸浮顆粒堵塞膜孔。

基于以上研究，我們的整體設(shè)計(jì)方案見圖2。

該裝置由肺束與空壓機(jī)構(gòu)、光伏提水與生物凈化機(jī)構(gòu)、水質(zhì)采集與信息控制機(jī)構(gòu)等組成。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水體富營(yíng)養(yǎng)化過程，在水質(zhì)接近富營(yíng)養(yǎng)化的臨界點(diǎn)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)本裝置，為水體生物提供足夠的溶氧，提高水體自凈能力，抑制水體富營(yíng)養(yǎng)化。

由于肺束充氧機(jī)構(gòu)比表面積大、富氧膜在變速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生剪切力，促使肉眼難以看見的微小富氧氣泡溶于水體，再加上間歇式充氧排氮的工作方式，為好氧微生物氧化降解氮磷和有機(jī)物提供保障。

為了水體溶氧量及底層污水的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)處理，本機(jī)構(gòu)采用光伏電池系統(tǒng)（含光伏板、蓄電池、逆變器等）、水泵、溶氧量及水質(zhì)傳感器、生物凈化床等協(xié)調(diào)作用，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。

本裝置具有水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化臨界點(diǎn)測(cè)定、水體高效充氧、水體凈化以及智能控制等基本功能。經(jīng)測(cè)試，本裝置充氧效率達(dá)90%，既能處理底層富營(yíng)養(yǎng)化水體，又能通過高效充氧，利用好氧微生物氧化降解氮、磷和有機(jī)物，抑制水體富營(yíng)養(yǎng)化，恢復(fù)水體的自凈能力，具有良好的環(huán)保和生產(chǎn)應(yīng)用前景。（指導(dǎo)老師：段家鐵 蔣銀生）