自发式超声曝气水体净化装置.pdf

本发明涉及一种自发式超声曝气水体净化装置，属于环保技术领域。包括顶端的太阳能电池板与太阳能电池板下端的穹窿式外壳，太阳能电池板通过逆变器与蓄电池连接，蓄电池依次与超声波发生器和超声波换能器连接；在超声波换能器下方有一层防水层，蓄电池通过导线穿过防水层依次与水泵和螺旋桨连接，水泵所在区域的穹窿式外壳上有透水栅格，在螺旋桨下方有两层金属网和夹持在两层金属网上的活性炭。本装置发出的超声波对水体其他的水生生物无明显危害，环保无污染。同时曝气器将空气以气泡的形式压入水中，增加水中的含氧量，增强水体的自我净化功能。本装置的工作范围较广，在野外的河流湖泊和城市中的人工湖中均可运行。

1.  一种自发式超声曝气水体净化装置，包括顶端的太阳能电池板与太阳能电池板下端的穹窿式外壳，在穹窿式外壳与太阳能电池板形成的空腔内，太阳能电池板通过逆变器与蓄电池连接，蓄电池依次与超声波发生器和超声波换能器连接；
在超声波换能器下方有一层防水层，蓄电池通过导线穿过防水层依次与水泵和螺旋桨连接，水泵所在区域的穹窿式外壳上有透水栅格，在螺旋桨下方有两层金属网和夹持在两层金属网上的活性炭。

2.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述穹窿式外壳为防水材料制成。

3.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述太阳能电池板为圆形。

4.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蓄电池为24V蓄电池。

自发式超声曝气水体净化装置
技术领域
本发明涉及一种自发式超声曝气水体净化装置，属于环保技术领域。
背景技术
我国是一个严重缺水的国家，水资源总量并不丰富。随着经济和社会的发展，中国逐渐陷入严重的水质危机，水污染问题已成为中国乃至世界的重要生态环境问题之一。
水体富营养化是指由于水体中氮磷等营养盐的增加引起藻类等水生生物的大量繁殖，从而使得水体溶解氧降低、透明度下降、水体功能受到破坏的现象(Vollenweider et al，1982)。水体富营养化常导致藻类暴发性生长，形成水华或赤潮(H.Kenneth et al，2010)。
近20年来，我国湖泊富营养化发展速度相当快。调查结果表明，富营养化湖泊个数占被调查湖泊的比例由20世纪70年代末至80年代前期的41％发展到80年代后期61％，至20世纪90年代后期又上升到77％，可见我国湖泊富营养化的发展趋势十分严峻。
湖库富营养化的最直接结果是导致水中蓝藻、绿藻等藻类大量生长，最终形成赤潮、水华等现象，造成水中动植物因缺少光照和氧气死亡，水生生态系统遭到破坏。赤潮的发生不仅会对人类健康产生危害，而且会影响近海区域鱼、贝等海洋生物的繁殖，造成巨大的经济损失。
此外很多藻类还会产生藻毒素、异味物质(土腥素、硫醇、吲哚、胺类、酮类等)和其它次生代谢的有毒有害物质，影响各种水生和半水生动物或通过食物链传递威胁人类的健康(Bury et al，2007；Chorus et al，1999)。
水华暴发会导致水体中藻类的大量生长，对水体生态系统和水体功能产生破坏作用，同时大量聚集的藻细胞会堵塞并腐蚀源水管道、堵塞滤池、增加反冲洗负荷、提高消毒成本，影响水厂工艺运行还会对水厂工艺产生较大影响。因此人们研究了各种方法来控制水华藻类，总体来说有两个方面：一方面是在水华暴发源头如湖泊、水库控制营养物质(氮、磷)含量，使藻类生长的条件受到抑制，从根源上降低水华带来的影响；另一方面是在水厂可采用各种除藻工艺除藻，以 使出水满足饮用水卫生标准。
现阶段除藻方法主要分为三大类：物理除藻、化学除藻、生物除藻。化学方法包括投加药剂法、粘土絮凝法、预氧化法及活性炭法等，但其对水生生态的破坏较大。虽然活性炭法的效果较好，但因成本过高不适宜大范围使用。
生物方法包括水生生物法和水生植物法两种，但均会造成其它物种入侵，最终破坏生态平衡。
物理方法主要包括以下几种：机械去除法、紫外线照射法、超声波除藻发、γ射线照射法、遮光法、过滤法等，由于机械除藻法是针对于应急除藻，无法做到预防除藻，同时耗费大量人力物理，经济效益不划算。遮光法、过滤法在自然条件下实现比较困难，紫外线照射法及γ射线照射法同样实现起来比较困难，同时辐射可能会带来污染。而超声波除藻对生态环境没有二次污染，且除藻效率比较高，经研究，用频率为200kHZ的超声波6天的抑藻率可高达68％，所以超声波除藻无疑是可用于湖库治理的最好方法。
现有的超声波除藻装置基本上是利用人工电缆为其输电，再将装置固定于湖库的某一位置进行除藻。这样的方式存在两个重要缺陷：第一是无法进行预防性除藻，只有当藻类大面积产生后才能进行。第二是无法进行大范围除藻，人工电缆的长度限制了超声波除藻仪的工作范围，只能在岸边等位置除藻，不能对湖库中心的藻类进行清理。
现有的超声波除藻装置和水体曝气净化装置基本上是利用人工电缆为其输电，再将装置固定于湖库的某一位置进行除藻和水体充氧。这样的方式存在两个重要缺陷：第一是无法进行预防性除藻，只有当藻类大面积产生后才能进行。第二是无法进行大范围除藻，人工电缆的长度限制了超声波除藻仪的工作范围，只能在岸边等位置除藻，不能对湖库中心的藻类进行清理。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种自发式超声曝气水体净化装置，增强了适用面和功能。
一种自发式超声曝气水体净化装置，包括顶端的太阳能电池板与太阳能电池板下端的穹窿式外壳，在穹窿式外壳与太阳能电池板形成的空腔内，太阳能电池板通过逆变器与蓄电池连接，蓄电池依次与超声波发生器和超声波换能器连接；
在超声波换能器下方有一层防水层，蓄电池通过导线穿过防水层依次与水泵和螺旋桨连接，水泵所在区域的穹窿式外壳上有透水栅格，在螺旋桨下方有两层金属网和夹持在两层金属网上的活性炭。
所述穹窿式外壳为防水材料制成。
所述太阳能电池板为圆形。
所述蓄电池可以为24V蓄电池。
本发明自发式超声曝气水体自净装置将太阳能发电、超声波除藻和水体曝气三大技术结合，利用太阳能电池板为超声波发生器供电，再由超声波发生器将信号传至超声波换能器，由超声波换能器产生超声波，对水中的藻类进行清理。
同时，太阳能电池板为水泵供电，水泵与超声波装置并联，在两装置之间设置有防水层。水泵所在区域为透水层。水泵周围设有透水栅格。当太阳能电池板为水泵供电时，螺旋桨转动，水和空气透过透水层进入装置内，经过金属网和活性炭组成的过滤层最后进入水体深处，增加了水体深处的含氧量。水泵和螺旋桨组成曝气装置。过滤层由金属网和金属网上的活性炭组成。在水华大量繁殖的地区，水体氧气含量较少，通过曝气装置可以增加水中深处的含氧量，增加底栖动物的捕食。同时超声波将水面藻类抑制，被破坏的藻类会往水中下沉，底栖动物通过捕食藻类，可有效抑制水华。作品设计为漏斗状，可在水面漂浮，随水流进行大面积除藻。同时为了弥补阴雨天光能的不足，装置中添加了蓄电池，在光能不足的情况下为装置供电。装置表面及侧面均装有防水装置，避免了水进入装置带来不必要的破坏。
本发明的有益效果在于以下几个方面：
1、由太阳能供电，脱离了对人工电网的依赖，节省了人力物力。
2、相比以往的装置，适用范围更大，由太阳能发电产生超声波，同时曝气为水体深处供氧。装置随水流进行大面积除藻。
3、装置可在赤潮、水华爆发前期放入水中，做到预防性除藻，避免水华等现象的大面积爆发。同时曝气装置可以增加水体的自我净化能力，增加水体的抵抗力和健康程度。
4、装置外观设计精美，在城市内部的一些人工湖泊中可以广泛使用，除藻保护水生态的同时，在水中波状涟漪增加了观赏性。
附图说明
图1：自发式超声曝气水体净化装置结构示意图。
具体实施方式
自发式超声曝气水体自净装置主要由太阳能发电、超声波除藻和水体曝气三大核心技术组成。
所需设备：太阳能电池板、控制器、蓄电池、逆变器、超声波换能器、超声波发生器、水泵、螺旋桨、金属网、活性炭。
超声波换能器选择海纳科技有限公司的HNC-8SH-3820型号换能器。
具体参数： 

根据换能器参数计算太阳能板面积：
已知太阳能电池板发电效率约为15％左右，采用单位面积最大输出功率为135W的太阳能电池板，其所需面积公式：
S=60135×15%=2.9m2]]>
本装置采用的超声波频率为200千赫兹，水中声波的吸收系数为α＝1.44*10^-12ν²m^-1，故α＝5.76*10^-2m^-1。平面波强度I随传播距离x衰减的规律是I＝I₀e^-2αx(I₀为x＝0处波的强度)。
通过查阅有关资料和研究发现当波的强度衰减到原来的25％时，即I＝0.25I₀，除藻的效果已大幅度降低。由I＝I₀e^-2αx和I＝0.25I₀得将α＝5.76*10^-2m^-1代入得x＝12m。所以本装置的有效除藻距离在10米左右。
本发明将太阳能发电技术、超声波除藻技术和水体曝气技术良好的耦合在一起。通过太阳光照射太阳能电池板为超声波发生器和换能器供电，再由超声波换能器产生超声波。太阳能电池板同时为曝气器供电，通过抽水水泵和螺旋桨的工作，向水体深处压入含氧量高的水泡。整个系统完全可以实现自动处理，无需耗费大量的人力物力就可对赤潮、水华等现象进行抑制和预防。同时装置可以增加水体的自我净化能力，使污染水体逐渐恢复自我调节功能。
本发明装置可在湖库水面自由漂浮，进行大面积除藻。相比以往的超声波除藻装置和传统的曝气装置，由于本装置是由太阳能供电，去除了对电缆供电的依赖，因而增加了装置的灵活性。装置不再局限于某一区域的水体净化，而是随着水流漂动，在整个湖区净化。此外，装置的内置定位系统也可避免装置漂浮过远而丢失。
本发明装置的另一先进性在于具有预防赤潮、水华爆发的功能。现阶段大部分除藻方法是在赤潮、水华等以爆发的基础上进行处理，没有较好的预防性。利用超声波除藻可在藻类较少或未爆发时将情况抑制，且超声波不会对其他水生动植物带来危害。
本发明装置的外观设计也是一大创新特色。装置利用水的浮力，设计为漏斗状，表面设计为半凸透镜状防水外壳，增加太阳能板对太阳光的利用率。城市内部的一些人工景观湖也会产生藻类大量繁殖等现象，将装置放置于湖中，不但可做到清除藻类，同时兼顾美观的效果。
目前除藻大多采用人工打捞的方式，而人工打捞不仅会好废大量的人力、物理、财力、还是是治标不治本的，不能从根本上解决水体富营养现象，而自发式超市曝气水体净化装置采用的超声波频率为200千赫兹，能有效杀灭藻类，除藻率高达68％，可减小水体浊度，增大水体的透明度，使光照能到达水体中下层，有利于植物进行光合作用促进水体中原有植物的生长，水体中植物的生长可以促进鱼类等动物的生长，从而会使整个生态系统逐渐恢复。并且超声波不会对水中的其他生物产生影响，即可以节省大量的人力、物理、财力，还可以极大的促进生态系统的恢复，能够从根本上解决水体富营养化现象，生态效益十分明显。制作成本