移动式太阳能增氧机的水层交换性能研究

移动式太阳能增氧机的水层交换性能研究

0池塘水处理系统及池塘生物固结技术研究溶解氧是池塘繁殖中一个极为重要的环境因素。溶解氧的调节和管理也是水产养殖管理的重要方面。低溶解氧不仅直接影响鱼类的呼吸和生存,而且使水体产生大量氨氮、亚硝酸盐、甲烷、硫化氢等还原态有害物质,恶化水质环境。当前国内外常用的池塘增氧机械有叶轮式增氧机、水车式增氧机、微孔增氧机和涌浪机等,均是电源动力的。叶轮式增氧机和水车式增氧机作用范围有限,对水体搅动相对较小,但应激增氧能力强;微孔增氧机和涌浪机对水体扰动较大,持续增氧,但不利于应激增氧。养殖池塘水深一般在1.5~2.0m之间,由于水体中存在大量悬浮物和浮游生物,光线无法到达底层,致使水体存在溶氧跃层,上下溶氧极度不均衡。通常在晴天中午,要运行增氧机以增加池塘底部溶氧水平,降低“氧债”,防止或减少鱼类在次日凌晨浮头。但由于普通增氧机是定点式的,作用范围有限,加之池塘表层因光合作用处于溶氧过饱和状态,本身并不需要增氧,所以大多增氧机实际处于空转状态,真正起作用的是增氧机扰动水体而产生的搅水作用。这种方法实际效率较低,并没有充分发挥池塘的生态效应,同时消耗大量的电能。中国大部分地区太阳能资源非常丰富,对太阳能资源的利用,可以充分发挥池塘自身的生态效应,更加符合“节能、环保、高效”的生产理念。本课题组前期研制了移动式池塘底质改良机。该机可在水面移动作业,以太阳能为动力源,能将养殖池塘底层的絮状污泥提升水体表层,并利用光合作用产生的富氧水体促进有机物的分解和氧化,从而加速物质循环,达到改善水质的目的。该机为水产养殖机械的研发提供了一种全新的思路。其他一些研究者也研制了水体太阳能供电增氧系统、太阳能投饵机光伏供电系统。在国外,一些研究人员也研制了太阳能增氧系统和池塘水体加温装置。但总的来看,以太阳能为动力的水产养殖设备还很有限,相关研究也不多。本课题组在涌浪机的基础之上,借鉴底质改良机的设计思路,研制了一种移动式太阳能增氧机,由光伏供电系统和水面行走装置搭载涌浪机而成。该机具备水面行走性能和涌浪机的增氧、水层交换性能,较传统增氧机作用面积更广、扰动更大,不额外消耗电能。本研究的目的是通过机械增氧效率检测、提水性能检测和池塘增氧能力检测3个试验评价移动式太阳能增氧机的作用效果,以期为其进一步推广应用提供数据支撑。1材料和方法1.1太阳能光伏系统工程的运转移动式太阳能增氧机由太阳能动力装置、增氧装置和行走装置3部分组成(图1)。太阳能动力装置装有2块12V太阳能板(长1.6m×宽0.8m)、支架和浮船等,为增氧装置和行走装置提供电源。增氧装置即为一个装配直流电机(0.5kW)的两叶涌浪机(Φ1.2m),通过连杆(5.0m)与太阳能板支架相连。行走装置位于太阳能动力装置之上,包括牵引装置、钢丝绳和限位卡扣等。设备的运转原理是:当光照大于一定强度(17000lx)时,太阳能光伏供电系统启动,将光能转化为电能,为牵引装置和增氧装置的2个直流电机提供电源(24V)。牵引装置可带动整个设备(包括行走装置和太阳能动力装置部分)在钢丝绳上2个限位卡口之间来回移动。与此同时,增氧装置的涌浪机在直流电机的带动下旋转,叶片与水相互作用产生波浪向四周扩散,水对叶片的反推力致使涌浪机不断前移,在连杆的牵引下绕设备主体部分(行走装置和太阳能动力装置)做圆周运动。所以,整个设备的运行状态是,主体部分沿钢丝绳在2个限位卡口之间来回移动,增氧装置围绕设备主体做圆周运动,形成螺旋式运动轨迹(图2)。设备可通过遥控器手动控制启动与停止,也可设置成根据光照强度自行控制的模式。行走装置移动速度为0.025m/s,涌浪机圆周运动线速度为0.2m/s。1.2试验计划和方法水质、溶氧和干物质根据中国现行的行业标准《增氧机增氧能力试验方法》检测增氧机增氧效率,试验在国家渔业机械仪器质量监督检验中心松江试验基地(上海)进行,由国家渔业机械仪器质量监督检验中心出具检测报告。为保证试验过程的稳定性和标准化,采用24V蓄电池代替太阳能供电机组,此方法测得的增氧效率为太阳能增氧机最大机械增氧效率。按照标准的要求,选用直径为8m的水池作为试验池,试验用水为自来水,水深1.09m。以YSI-58溶氧测定仪(美国维赛)测定水体溶氧。溶氧探头的布置按标准要求布放(3个点)。试验时,将涌浪机与太阳能机组相连的导杆取下,仅将涌浪机部分固定于水池中央,其余部分置于池外,以蓄电池供电,然后以100g/m3的比例投放亚硫酸钠将池水溶氧消耗至接近0,开启增氧设备,当水体中溶解氧上升至饱和溶解氧质量浓度的10%时开始记录,每30s一次,直至75%左右时结束。试验重复进行2次。按标准规定计算增氧能力和动力效率。测定和测量流速涌浪机旋转时,叶片对水的推力使水以波浪的形式向四周扩散,扩散出去的水由底层补充,于是涌浪机便有了将水体从底层提升至表层的性能,以每小时被提升的水体体积来衡量。对移动增氧机提水性能的评估在国家渔业机械仪器质量监督检验中心松江试验基地(上海)进行,由国家渔业机械仪器质量监督检验中心出具检测报告。采用截面测速法进行检测:涌浪机运行时,在其下方选取一个截面,测定截面水体垂直向上的流速从而计算得流量。但是,下方水体向上流速会随与中心点的距离变化而不同,流量自然也不一,因此,可将横截面分割成若干个圆环,每个圆环的流量之和即为涌浪机提水的总流量。如图3a所示,圆表示涌浪机正下方水体的横截面,圆心位置正对涌浪机中心。从圆心向外,每0.1m将截面分割成若干个圆环,测定每个圆环的流速,此流速与圆环面积的乘积即为该圆环内水的流量,各个圆环的流量总和即为涌浪机提水的总流量。试验采用24V蓄电池代替太阳能机组,此方法计算得提水能力为太阳能增氧机最大提水能力。选用直径为8m的水池作为试验池,水深1.2m。用多普勒流速测定仪(US69M/SONTEKFlowTracker,美国)测定流速。试验前,先将一个直径2.0m,高0.5m,下带0.35m长脚架的圆柱形导流筒放入水池中央,以方便FlowTracker探头的固定和位移,再将移动式增氧机的涌浪机部分置于导流筒的正上方,固定(图3b),其余部分置于池外。导流筒上沿距涌浪机0.35m。运行增氧机3min,待水流稳定后,由中心向外逐个快速测定水体垂直向上的流速,每隔0.1m记录一次。考虑到水体运动状态的复杂性,流速记录至小于0.05m/s时终止。试验重复进行2次。记录涌浪机工作时的工作电压和电流。涌浪机提水动力效率为每小时提水量与有功功率的商。增氧机运行状态试验于2013年9月在中国水产科学研究院池塘生态工程研究中心(上海泖港)进行。选取长70m×宽25m×水深1.6m池塘为试验塘,试验塘底泥厚10cm,颜色棕黄。如图4所示,于池塘中央横向拉一条钢丝绳,分别在A点和B点固定限位卡扣。移动增氧机主体部分则可以在AB之间往返移动,涌浪机的运行状态则是以AB为中轴的螺旋式位移,在池塘水面形成一条工作带,覆盖35%池塘面积。选择无风、晴朗的天气进行试验,测定增氧机运行后池塘溶氧的24h变化情况。试验前,分别在池塘对角线上选取3点作为溶氧检测点。其中,1个点位于增氧机工作带之内,2个位于工作带之外。分别在3点相邻位置插入一根Φ0.6m透明亚克力管,作为对照。采用YSI-58溶氧测定仪(美国维赛)分别测定3个溶氧检测点和亚克力管内0.2、0.5、1.0和1.5m水深溶氧,每2h记录一次。为贴近生产实际,将增氧机设置为自动启动模式,即光照强度大于17000lx时,增氧机自动运转,光照强度小于17000lx时,增氧机自动停止。池塘平均溶氧为3点溶氧的算术平均值。按照如下公式计算溶氧均匀度(M0):式中:M0为溶解氧均匀度,%;S0为溶解氧标准差;n为测量点数量;xi为各测量点溶解氧质量浓度,mg/L;为n个测量点溶解氧质量浓度的平均值,mg/L。1.3数据的统计与分析数据以平均值±标准差(mean±SD)的方式表示。应用SPSS17.0对数据进行统计分析,并用Excel2010作图。2结果与分析2.1增氧机运行时间对水池溶氧的影响试验时气温18.4℃,气压102.2KPa,水温12.7℃,增氧机工作电压24V,工作电流20A,实际功率0.48kW。图5为池水溶氧随增氧机运行时间的变化情况。试验前,池水平均溶氧0.84mg/L,增氧机运行36min后,池水溶氧提高至7.88mg/L。根据标准规定,计算得增氧机增氧能力1.24kg/h,动力效率2.59kg/(kW·h)。2.2涌浪机工作工况由涌浪机中心对应水体开始,每隔0.1m测定水体向上流速,至流速小于0.05m/s为结束。试验测得有效流速8个(图6)。由于涌浪机为中空、边缘带2个叶片的圆环,流速由中心向外呈先增大后减小趋势,0.5m处最大。涌浪机(半径为0.6m)的影响半径为0.7m。实测涌浪机工作电压24V,工作电流20A,实际功率0.48kW。根据所测数据,计算得涌浪机提水能力1254.4m3/h,提水动力效率2613.3。2.3池塘中的增氧效果分析2.3.1池塘水层溶氧特征试验于2013年9月12日07:00—13日05:00进行,天气晴朗,风力1~2级,最大光照度为57200lx,太阳能增氧机运行时间为07:00—16:00,共9h。图7显示了试验水体与对照水体0.5和1.5m处溶氧的24h变化规律。从图中可知,太阳能增氧机对池塘上(0.5m)、下(1.5m)水层均有影响,但对下层水体影响更为明显。试验期间,对照组下层水体溶氧波动不明显,为2.4~3.8mg/L,白天(09:00—19:00)维持在3.1~3.8mg/L,而试验组白天溶氧则维持在5.0~7.8mg/L的较高水平,与对照相比最高提升110.8%。至01:00,溶氧仍能保持在3.3mg/L。2.3.2显著提高池塘氧债均匀度溶氧均匀度可以作为判定增氧机上下水层交换能力的重要指标,根据式(1)、式(2)计算而得。晴天白天池塘溶氧均匀度的提升有利于改善底质环境,降低氧债并促进有毒有害物质分解转化,促进底质中营养盐的再释放。图8表明太阳能增氧机能够大幅度提高池塘溶氧均匀度。晴天白天(09:00—19:00),试验组溶氧均匀度维持在72%以上,最高达84%,与对照组相比提升9%~31%。夜间,试验组与对照组溶氧均匀度均较高,分别为70%~89%和66%~90%。3讨论3.1机械增氧机种类当前中国大多机械增氧都为扩散式增氧,以刘易斯(LEWIS)和怀特曼(WHITMAN)的双膜理论为基础。移动式太阳能增氧机的增氧装置是一个两叶涌浪机,涌浪机旋转使上层水向四周扩散,形成波浪,下层水体补缺形成水体上下循环。一方面,波浪增大了水面与空气的接触面积并造成扰动,加快了液面更新,并加速氧气从空气中向水体转移;另一方面,水体上下循环使富氧水体和缺氧水体对流,促进溶氧平衡。常用的机械增氧方式有叶轮式、水车式和螺旋桨式等。根据国家渔业机械仪器质量监督检验中心数据,平均每千瓦功率的叶轮式增氧机增氧能力为1.53kg/h,水车式增氧机为1.47kg/h,螺旋桨式增氧机为0.42kg/h,即增氧动力效率分别为1.53、1.47和0.42kg/(kW·h)。本研究中,以24V电池为电源,0.5kW涌浪机(实际为0.48kW)的增氧能力为1.24kg/h,与叶轮式和水车式增氧能力相近,但动力效率(2.59kg/(kW·h))比叶轮式增氧机和水车式增氧机高出近一倍。应该注意的是,叶轮式和水车式增氧机是局部增氧,能快速在增氧机周围形成高溶氧区,鱼群可以迅速在此区域集中,避免过度缺氧造成的浮头甚至死亡,因此应急增氧能力强;而太阳能增氧机只针对性的在晴好天气白天使用,本身不存在应急增氧的情况。其机械增氧能力只是作为池塘生态(藻类)增氧的一种补充,在提升底层水体的同时,辅以机械增氧,更有利于维持底层溶氧高水平。3.2增氧机辅助养殖池塘中的溶氧来源于2个方面:一是空气中溶入的氧,占池塘溶氧的5%~40%,在静止状态下这种方式溶入氧的速度是非常缓慢的,而且仅限于表层;二是水体中水生植物光合作用产生的氧,占溶氧的60%~95%,这也是池塘溶氧来源的主要方面。如果天气晴朗、平静无风,水体表层因接受到充足的阳光,溶氧可以高达饱和度200%以上,而底层水体光照受限,溶氧较低,上下极度不均衡。因此,池塘养殖中,通常在晴天中午要打开增氧机,利用增氧机的搅水性能,将表层富氧水体输送到底层,以改善底部溶氧环境,降低氧债。这种方法存在的问题是:1)普通的增氧机是定点式的,作用范围有限;2)增氧机消耗电能。若能以太阳能为动力来源,在全池范围内形成机械干预,促进上下对流,并辅以机械增氧,则更能充分发挥池塘生态增氧能力,更符合“节能、环保、高效、低碳”的生产理念。试验表明,移动式太阳能增氧机最大提水能力1254.4m3/h,在对照组底层白天(09:00—19:00)溶氧为3.1~3.8mg/L的情况下,最多提高110.8%,使池塘上下溶氧均匀度达到72%~84%,极大改善了底层溶氧环境。3.3扰动的影响和作用移动式太阳能增氧机通过提水和产生波浪,除了有效改善底层溶氧环境以外,还对水体造成扰动。研究表明,与光照、温度、溶氧、营养盐一样,扰动也是影响水体环境和藻类生长的重要因素。虽然扰动对水体造成何种影响依然存在一定争议,但普遍认为,扰动有助于改善水体环境并优化藻群结构。其一,水体扰动使底层沉积物再悬浮,增加了水和沉