河道黑臭水體原位修復無人船設計*

戴有華，吳丹，金文忻，孫昌權

(江蘇農林職業技術學院，江蘇句容，212400)

0 引言

河道水體黑臭影響城市景觀、破壞生態環境、影響居民生活、危害人體健康，已經成為當前亟待解決的水環境問題[1]。2015年國務院頒布的《水污染防治行動計劃》提出：到2020年，地級及以上城市建成區黑臭水體均控制在10%以內；到2030年，全國城市建成區黑臭水體總體得到消除[2]。為實現黑臭水體治理與水質長效改善，黑臭水體修復的研究主要集中在原位修復技術和組合修復技術，原位修復技術還可分為物理法、化學法、生物生態法[3]，而關于黑臭水體修復裝備設計開發的研究就很缺乏，僅有漂浮式修復裝置[4]、固定式修復裝置[5]、沉浸式修復裝置[6]、過濾式修復裝置[7]等。但是，人工進行河道黑臭水體修復作業存在健康危害大、作業效率低等問題，因此，急需研發應用黑臭水體修復裝備。

本文選用樊開青提出的碳纖維生態草技術協同曝氣修復黑臭水體技術[8]、曲面優化高鐵酸鉀與活性炭協同修復黑臭水體技術[9]，進而確定采用“投加微生物菌劑+鼓風曝氣+投放炭纖維生態草”的黑臭水體修復技術。為實現該修復技術的作業過程機械化，研發一種河道黑臭水體原位修復無人船，以提高黑臭水體修復作業的移動性、安全性和快速性。

1 整機結構和工作原理

1.1 整機結構及參數

河道黑臭水體原位修復無人船主要由船體行駛系統、微生物菌劑投加系統、鼓風曝氣系統、炭纖維生態草投放系統、自動控制系統和供電系統等組成，如圖1所示，船體行駛系統由船體、葉輪、船體推進電機、船體推進處聯軸器、方向舵、方向舵驅動電機、方向舵驅動機構、甲板等組成；微生物菌劑投加系統由儲液箱、旋轉閥、流量計、微生物菌劑投加電磁閥、微生物菌劑投加管、攪拌電機、攪拌葉片等組成；鼓風曝氣系統由空氣壓縮機、輸氣電磁閥、輸氣管、電動推桿、曝氣桿、微型曝氣孔等組成；炭纖維生態草投放系統由儲草箱、炭纖維生態草投放驅動電機、炭纖維生態草投放處聯軸器、炭纖維生態草投放處變速箱、炭纖維生態草投放控制葉片等組成；自動控制系統由電氣控制柜和電線等組成；供電系統由蓄電池組和電源逆變器等組成。

圖1 無人船的結構示意圖

船體內底部設置甲板，甲板上左右居中地安裝蓄電池組、電源逆變器、空氣壓縮機、船體推進電機等，以使整個無人船的重心較低；微生物菌劑投加系統、鼓風曝氣系統、炭纖維生態草投放系統等通過機架左右對稱地安裝在船體上方，以便平穩地進行黑臭水體修復作業。

該無人船的主要技術參數見表1。

表1 河道黑臭水體原位修復無人船的主要技術參數Tab. 1 Main technical parameters of unmanned boat for in-situ restoration of river black-odor water body

1.2 工作原理

河道黑臭水體原位修復無人船作業時，由船體推進電機帶動葉輪轉動產生推動力、并由方向舵驅動電機通過驅動機構帶動方向舵轉動實現船體轉向；攪拌電機帶動攪拌葉片轉動，使微生物菌劑在儲液箱里保持攪勻狀態，再通過微生物菌劑投加電磁閥控制微生物菌劑從多個管道口投加到河道水體中；空氣壓縮機產生的壓縮空氣經輸氣電磁閥輸入曝氣桿，電動推桿將曝氣桿轉動河道水體較深處，曝氣桿上的多個微型曝氣孔持續向水體中曝出壓縮空氣；儲草箱中放滿圓柱狀生態草，炭纖維生態草投放驅動電機帶動儲草箱底部出口處的炭纖維生態草投放控制葉片轉動，以連續平緩地向河道水體中投放炭纖維生態草；蓄電池組對各個電動機、各個電磁閥、電氣控制柜進行供電，電氣控制柜接收河岸上發來的控制信號、并驅動各個電動機和各個電磁閥工作，實現無人化作業。

2 關鍵部件的設計

2.1 船體的設計

船體的外形曲面由船體型線決定，船體型線可根據船舶主要要素、并參考母型船進行設計[10]。河道黑臭水體原位修復無人船屬于簡單的小型船，在船體設計時可以進行適當的簡化，根據該船的使用要求：船體承載能力≤200 kg、船長約為2 200 mm、船寬約為970 mm、吃水深度約為300 mm、型深約為105 mm、船速估計≤10 km/h，并考慮到船行駛時的穩性，設計出了該船的船體型線，如圖2所示，從而為該船的結構設計、放樣制造等提供了依據。

圖2 船體型線圖

2.2 方向舵驅動機構的設計

方向舵處于葉輪正后方的左右居中位置，黑臭水體修復無人的轉向靠方向舵的轉動實現。轉向時，由方向舵驅動電機帶動滾珠絲杠、再經連桿帶動方向舵轉動；直行時，滾珠絲杠上的方形螺母保持在滾珠絲杠的中間位置。方向舵驅動機構由曲柄滑塊機構與滾珠絲杠串聯而成，方形螺母用作滑塊，如圖3所示，其中，轉動副A的配合間隙留得稍大一些，以防出現卡死現象，方向舵的轉角范圍在-50°～+50°。

圖3 方向舵驅動機構運動簡圖

2.3 微生物菌劑投加裝置的設計

微生物菌劑加入清水混合，先將其注入儲液箱，并在攪拌葉片的持續攪動下保持均勻混合狀態，再通過微生物菌劑投加管投入河道水體中。微生物菌劑投加裝置主要通過儲液箱底部出口聯接微生物菌劑投加管實現(圖4)，微生物菌劑投加管上裝有微生物菌劑投加電磁閥，以控制微生物菌劑是否投加；微生物菌劑投加管在緊貼船體處分成左右對稱的兩根，每根投加管上設置幾個細管穿出船體，以便于向河道水體投加微生物菌劑。

圖4 微生物菌劑投加裝置

2.4 鼓風曝氣裝置的設計

鼓風曝氣裝置左右對稱地與船體及機架緊固聯接，左右兩邊的推轉管可以繞與船體聯接的橫桿轉動，曝氣桿與推轉管緊固聯接成一直線，每根曝氣桿的首端聯接輸氣管、中段安裝30多個微型曝氣孔、末端安裝蓋子，如圖5所示，以便將輸氣管里的壓縮空氣經曝氣桿上的微型曝氣孔吹出至河道水體較深處。

圖5 鼓風曝氣裝置

曝氣時，左右兩邊的電動推桿都伸出，分別推動左右兩邊的推轉管轉動大約70°，將曝氣桿轉入了河道水體較深處，再接通輸氣電磁閥，將空氣壓縮機里的壓縮空氣輸出；不曝氣時，左右兩邊的電動推桿都縮回，將曝氣桿接近水平地緊靠船體兩側上部，再斷開輸氣電磁閥，停止輸出壓縮空氣。曝氣作業過程若有河道水體進入曝氣桿，可以擰開曝氣桿末端的蓋子、將水體排出，再擰上蓋子即可正常進行曝氣作業。

2.5 炭纖維生態草投放裝置的設計

為了便于使炭纖維生態草在黑臭水體中停放較長的時間，將多層塑料圓盤懸掛的炭纖維生態草與較薄的圓柱形泡沫塊用水溶膠粘接成較厚的圓柱狀顆粒，當投放到黑臭水體中以后，泡沫塊浮于水面上、多層塑料圓盤掛接于泡沫塊下、炭纖維生態草懸掛于水下多層塑料圓盤下，經10多天掛膜之后，再將泡沫塊及炭纖維生態草一起打撈走。

炭纖維生態草投放裝置上部是儲草箱，箱體底部有一個長方形的出口，在出口處安裝了炭纖維生態草投放控制葉片，在出口下方焊接出料槽，如圖6所示。投放炭纖維生態草時，炭纖維生態草投放驅動電機帶動周向均布的5個炭纖維生態草投放控制葉片轉動，圓柱狀的炭纖維生態草顆粒被撥動從儲草箱底部長方形出口掉到出料槽，并沿著出料槽滑入河道水體中；不投放炭纖維生態草時，停止炭纖維生態草投放驅動電機的轉動，炭纖維生態草投放控制葉片在不轉的狀態下堵住了存放箱底部長方形出口，炭纖維生態草顆粒也不會被投入河道水體中。炭纖維生態草的投放速度由炭纖維生態草投放驅動電機的轉速決定。

圖6 炭纖維生態草投放裝置

3 控制及通信系統的設計

3.1 自動控制系統的設計

PLC是一種工業自動控制裝置，廣泛應用于各種機械或生產過程的控制，現采用西門子PLC為核心控制器進行河道黑臭水體原位修復無人船的自動控制。

自動控制系統的硬件部分主要是西門子S7-200 SMART PLC、MCGS觸摸屏、24 V船體推進電機，直流24 V方向舵驅動電機、交流220 V攪拌電機、交流電磁閥、交流220 V空氣壓縮機、直流電動推桿、電動推桿限位開關、MPBS超聲波傳感器、交流220 V生態草投放電機等。PLC的I/O地址分配見表2，PLC控制系統的I/O外部接線圖，如圖7所示。通過觸摸屏也可以操控河道黑臭水體原位修復無人船。

表2 無人船PLC控制系統的I/O地址分配表Tab. 2 I/O address allocation table of PLC control system for unmanned boat

圖7 無人船PLC控制系統的接線圖

自動控制系統的軟件部分采用西門子STEP 7-Micro/Win SMART軟件進行梯形圖編程，自動控制系統的程序流程圖，如圖8所示。

圖8 無人船自動控制系統的程序流程圖

對于船體的行駛控制，啟動船體行駛按鈕以及必要時啟動船體向左或向右轉向按鈕即可，左轉向或右轉向限位開關會限制方向舵的極限轉角，船體周圍設置四個超聲波傳感器會在檢測到障礙物時停止船體行駛。

對于微生物菌劑投加控制，啟動微生物菌劑攪拌按鈕和微生物菌劑投加按鈕即可；對于鼓風曝氣控制，先啟動空氣壓縮機按鈕和鼓風曝氣按鈕、再啟動曝氣桿展開按鈕即可，左側和右側展開限位開關會限制曝氣桿展開的極限位置；對于炭纖維生態草投放控制，啟動炭纖維生態草投放按鈕即可。

3.2 無線通信系統的設計

在河岸上對河面上黑臭水體原位修復無人船的操控要采用無線通信方式，現選用傳輸速率較快、網絡信號較穩定的NB-IoT對無人船進行遠程控制。無線通信系統由無人船上的PLC、NB-IoT無線網關、手機APP等組成，如圖9所示，PLC與觸摸屏、NB-IoT無線網關等采用有線方式通信，再通過NB-IoT無線網關上傳數據到云平臺或接受云平臺的控制命令，并通過手機APP與云平臺通信來實現遠程控制河道黑臭水體原位修復無人船。

圖9 無人船無線通信系統

4 樣機的三維設計

本文采用UG軟件進行河道黑臭水體原位修復無人船的三維建模，以便于后續進行該無人船的樣機制造。對于船體，主要是根據船體型線、并通過[網格曲面]命令創建；對于蓄電池組、電源逆變器、儲液箱、電氣控制柜、儲草箱等，主要是通過[拉伸]命令創建；對于各個電動機、空氣壓縮機等，主要是通過[旋轉]命令創建；對于微生物菌劑投加管、輸氣管等，主要是通過[管道]命令創建。在各零部件的創建過程中，要準確創建關鍵尺寸、外觀形狀等，可以簡化不重要的尺寸、內部結構等，另外，對于多個相同的零部件，只需創建一次。在進行零部件的虛擬裝配時，要先采用[原點]定位方式裝入船體，然后采用[約束]關系依次地裝上甲板、甲板上的各零部件、機架上的各零部件等。創建完成后，所得的樣機三維模型如圖10所示。

圖10 無人船樣機的三維模型

5 現場試驗

5.1 試驗條件

2020年12月，在某市城邊的某黑臭河道進行了現場試驗。河面寬度≥10 m、河面長度≥3 km、河水深度≥2 m，河道水體流動性差。現場風力≤2級、現場溫度≈7 ℃、多云天氣。河道黑臭水體原位修復無人船沿河面寬度方向“S”型路徑行駛。

5.2 試驗結果分析

在河道黑臭水體原位修復無人船進入穩定作業階段后，進行各項作業性能參數的測定，試驗結果見表3。

表3 河道黑臭水體原位修復無人船性能試驗結果Tab. 3 Performance test results of unmanned boat for in-situ restoration of black-odor river water body

從表3可知，修復作用截面范圍的測定值比設計值略大、船體轉向不夠靈活，是由于船體實際尺寸比設計值稍大了一些；增氧后溶解氧濃度的測定值比設計值略大，是由于實際采用的空氣壓縮機功率比設計值大；微生物菌劑投加均勻度粗略測定顯示較均勻；炭纖維生態草投放密度的測定值與設計值相差較大，是由于投放速度與船速、投放控制葉片轉速等都有關；遠程控制距離的測定值比設計值略大，是由于通訊信號條件較好；作業時船速的測定值比設計值小，是由于船體直行區段短；連續作業時間的測定值比設計值大，是由于能裝載容量大的蓄電池組，水體中的氨氮(NH3-H)和化學需氧量(COD)去除率的測定值比設計值大，是由于原位修復技術選用得當。總體來看，試驗結果符合設計要求。

6 結論

1) 為滿足所采用黑臭水體原位修復技術的組合作業要求,設計了無人船的行駛系統、微生物菌劑投加系統、鼓風曝氣系統、炭纖維生態草投放系統等。能對大面積河道進行移動作業、且作業效率是人工的5倍以上，具有裝備使用率高、作業效率高、勞動強度低的效果。

2) 為實現對無人船行駛系統及各個修復作業系統的遠程控制，設計了PLC控制系統和NB-IoT通信系統。遠程控制距離≥3 km，使工人可以遠距離進行修復作業，減少了黑臭水體對工人的健康危害。

3) 性能試驗結果表明：修復作用截面范圍≥1 m2、增氧后溶解氧濃度≥3 mg/L、菌劑投加均勻度85%、生態草投放密度10～15粒/m2，水體中的氨氮(NH3-H)去除率≥73%、化學需氧量(COD)去除率≥65%，各項指標符合設計要求。

4) 河道黑臭水體原位修復無人船是針對典型的黑臭水體原位修復技術設計的，值得生產并推廣應用，同時，也為開發針對其他黑臭水體原位修復技術的裝備，提供了技術參考。