论文部分内容阅读
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。通過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）
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。通過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）