移动式太阳能养殖水质调控机的设计与试验

移动式太阳能养殖水质调控机的设计与试验

0池塘底泥中富营养盐的释放和利用技术池塘繁殖是中国水产养殖的主要形式，也是供水的主要来源。据《2013中国渔业年鉴》资料,2012年全国池塘养殖面积达到256.7万hm2,养殖产量达到1866.4万t。由于多数池塘养殖采取传统生产方式,养殖过程中投入的饲料、肥料等营养物质转化为水产品的比例很小,大量的有机质沉积到池塘底部或随排放水排放到外部环境中,造成了严重的养殖水体富营养化和养殖污染等问题。调查发现,在江浙地区大宗淡水鱼池塘养殖中,投入的饲料约有10%~20%未被鱼类摄食而直接沉积到池塘底部,鱼类摄食的饲料中也仅有20%~25%的氮和25%~40%的磷用于生长,其余75%~80%的氮和60%~75%的磷则以粪便和代谢物形式排入水体中,其中约有60%~70%氮磷沉积到底泥中。在养殖状态下,沉积在池塘底部的有机物质会转化成氨氮、亚硝酸盐、甲烷、硫化氢等还原态有害物质,直接影响到养殖生物的安全。但合理的释放底泥沉积物中的富营养物质,不仅可以消除池塘底部的沉积污染,还可以平衡水体中的碳、氮、磷比例,提高养殖水体的初级生产力水平。池塘底质调控是近年来池塘生态研究的热点,许多研究发现,养殖池塘底泥中的溶解磷浓度比水体中高出10~50倍,通过搅动可以促进底泥中磷释放。释放底泥中的营养盐,可以促进水体中微生物和浮游植物生长,提高养殖水体的初级生产力水平。池塘底质调控管理技术是提升池塘养殖效果的突破口。目前,国内外对养殖池塘底层沉积物的处理方法主要有微生物改良、机械清淤、底部曝气、施用底质改良剂和化学处理等。其中,微生物改良法虽然提高了底泥中富营养物质的转化效率,但因无法控制微生物的生长条件,效果并不稳定。化学方法虽然见效快,但容易造成药品残留,无法从根本上解决问题。机械清淤适应性强,但需要有水源和较大的荒地用于排放泥浆,同时无法做到对底泥中营养物质的再利用。曝气增氧法对改善底质环境有很好的效果,但存在着使用范围小、使用成本高,曝气管易老化、易堵塞等问题。除上述方法外,在池塘养殖中使用增氧机、耕水机、涌浪机等机械设备也可以调控水质,但以上设备均为固定式使用,存在着能耗高、调控作用范围和效果有限等问题。中国有丰富的太阳能资源,充分利用太阳能不仅可以节约能源还可以减少污染。目前,太阳能在水产养殖方面的应用还很少,近年来一些科研人员将太阳能用于水产养殖监测系统,也有人研究制造了太阳能投饵机。日本研发了一种太阳能浮体式净化装(JP2007014940),取得了较好的使用效果。但总的来看,以太阳能为动力的水产养殖设备还很少,相关研究也不多。本文在前期研究基础上,研发了一种池塘移动式太阳能水质调控机(调控机),分析了其机械性能和运行效果,旨在为池塘养殖提供一种高效、节能的水质调控设备。1材料和方法1.1工艺设计理念1.1.1池塘移动太阳能水质调控机设计思路中国大宗淡水鱼类池塘养殖一般采取混养形式,不同食性鱼类在池塘中充分利用生态位,养殖生态效率很高。养殖池塘一般为长方形结构,水深1.2~2.0m,在有光照的情况下,由于藻类的光合作用,池塘上层水体中的溶氧浓度较高,而池塘底层由于有机质分解和微生物活动等耗氧作用,水体中的溶氧浓度较低。在缺氧状况下,池塘底泥中的有机物分解以厌氧还原性反应为主,产生大量的氨氮、亚硝酸盐、硫化氢等有毒有害物质,给养殖生产带来危害。为了充分利用水体光合作用,改善底部环境、减少沉积污染,调控水质,池塘移动式太阳能水质调控机的设计思路是:在阳光充足的情况下,在池塘水面定向运行,将池塘底泥絮状物提升释放到上层水体中,利用水体上层光合作用产生的溶氧、碱度等促进底泥絮状有机物分解,达到促进底泥营养盐释放、上下水层交换、增加底部溶氧和调控水质,改善底质的效果。为了满足常规池塘养殖要求,设计的池塘移动式太阳能水质调控机具有如下工艺要求(表1)。1.1.2絮状污泥吸收释放装置按照工艺要求,池塘移动式太阳能水质调控机由太阳能动力、絮状污泥吸收释放、水面移动和运行控制等装置系统和承载浮体等组成。太阳能动力装置为设备的动力源,包括太阳能光伏板、稳压器、光照度控制器等。絮状污泥吸收释放装置为可伸缩弯折的长形管道状腔体,出水口与水面平行并靠近水面,进水口向下伸向底泥表面,涡流泵安装在出水口内侧。水面移动装置由牵引绳、动力电机、连接杆等组成。牵引绳两端可分别固定在池塘两侧或对角线的塘埂上,并通过导向架与电动机的转轮绕缠,利用摩擦阻力带动调控机在牵引绳的两个定位块间往返运行。絮状污泥吸收释放装置利用涡轮旋转的水流阻力运行,通过连接杆链接到太阳能动力装置上。控制系统由光控器、遥控器、定位块等组成,可根据光照度和工作需要进行控制。浮体为承载太阳能动力装置和絮状污泥吸收释放装置等的船型浮体。浮体的浮力应大于承载设备质量的120%。1.1.3牵引轮带动池塘案在光照充足的情况下,太阳能光伏板产生电能,一部分电流通过稳压装置输送到水面移动装置的直流电动机,带动牵引带轮旋转,依靠摩擦力使缠绕在牵引绳上的牵引轮带动池塘移动式太阳能水质调控机沿牵引绳在2个定位块之间往复运动。一部分电流通过电缆输送到絮状污泥吸收释放装置的涡轮电机,涡轮旋转将腔体内的水体输送到水体上层。牵引绳固定在池塘两侧或对角线的塘埂上,絮状污泥吸收释放装置通过连接杆(长度可调)与水面行走装置相链,在涡轮输水产生的反作用力的作用下绕水面行走装置旋转。池塘移动式太阳能水质调控机在池塘中的运行轨迹呈螺旋线状,通过调节连接杆长度和牵引绳固定方式可以覆盖大部分池塘底面(图1)。1.2主要设备的设计1.2.1装置的电机及结构组成1)理论计算:根据养殖池塘结构和作业方便要求,絮状污泥吸收释放装置的伸缩范围为0.5~2.0m。按照吸水量120m3/h,扬程0.3m计算,所需电机功率Pe(W):式中:ρ为输送液体的密度,水的密度为1×103kg/m3;g为重力加速度,取值9.8m/s2;Q为总提升量,设计值为120m3/h;H为提升扬程,取值0.3m;η为总功率系数,一般取值0.6。按照计算,絮状污泥吸收释放装置所需的功率为167W。根据市售直流电机规格,选择广东东莞永力电机厂生产的型号5DM20的直流减速电机,该电机的额定电压为24V,额定电流10A,额定功率200W,转速250r/min。2)结构组成:根据养殖池塘的结构特点,絮状污泥吸收释放装置的腔体设计为可伸缩弯折的长形管道状,为了达到伸缩长度0.5~2.0m,选用不锈钢材质,三节结构,腔体安装在浮体下部,出水口与水面平行并靠近水面。涡流泵安装在出水口内侧,进水口向下伸向养殖池塘底部,靠近底泥表面(图2)。1.2.2光伏板功率pw及结构组成1)理论计算:池塘移动式太阳能水质调控机的电源来自太阳能光伏板,分别为絮状污泥吸收释放装置、水面行走装置、稳压器和控制器提供电源。中国太阳年辐射量平均为5852MJ/(m2·a),中东部地区的全年日照时数为2200~3000h,接受太阳辐射总量为5016~5852MJ/(m2·a)。经测算,5~9月份上海地区的平均日辐射时数约为4.5h,根据负载参数,太阳能光伏板的功率P(W)。式中:P负载为负载总功率,主要为絮状污泥吸收释放装置和水面移动装置电机,约为300W;t为负载工作时间,约为4.0h;h为平均日辐射时数,4.5h;η2为充电损耗,为0.7。经计算,需要太阳能光伏板提供功率为381W。2)结构组成:根据市售太阳能光伏板规格,选择2块功率220W光伏板(1.6m×0.8m)并联供电,输出电压24V,工作电流9.1A。选择使用24V/1A稳压器、光照度控制器、24V/200W直流电机。根据市售直流电机规格,选择使用ZXG50RHH减速直流电机,该电机的额定电压为24V,额定电流为9.1A。为了便于平衡,2块太阳能光伏板分别安装在2个船形注塑浮体上方的安装支架上(图3)。1.2.3水面行驶装置装置21)设计工艺:太阳光照充足时,水面行走装置的直流减速电机转动牵引带轮旋转,依靠摩擦力使太阳能水质调控机沿牵引绳运行。根据经验,调控机在水面的运行速度不宜太快或太慢,太快不利于设备稳定,太慢会影响作业效率。池塘移动式太阳能养殖水质调控机通过牵引绳固定在池塘两侧或对角线的塘埂上,牵引绳上固定有2个可调距离的定位块,当调控机到达定位块时,导向架上的活动导向杆触压微动开关,继而触发定位块控制模块控制电机反转,使水质调控机反方向运动,在到达另一端的定位块后重复前面的动作,这样即可使太阳能水质调控机沿着牵引绳往返运行。为了使设备运行稳定和充分利用阳光,设计太阳能动力装置通过稳压器控制匀速运行,絮状污泥吸收释放装置随光照变化自行调整运行速度。2)结构组成:按照工艺要求,水面行走装置设计由牵引绳、牵引轮、直流电机、导向架、控制器模块和保护罩等组成(图4)。导向架上固定套环位于浮体的顶部,套环内穿入牵引绳,牵引绳为直径2mm钢丝绳,两端分别固定在池塘两侧或对角线的坡埂上,根据作业面积确定牵引绳上2个定位块的距离。絮状污泥吸收释放装置安装在2个船型浮体下。链接杆用1mm厚20mm×40mm不锈钢方管制成,通过铰链绕太阳能动力装置旋转。1.2.4继电器k3和启/停控制回路1)设计思路:根据养殖要求,池塘移动式太阳能水质调控机应具有光控和遥控功能。在光照满足的情况下,池塘移动式太阳能水质调控机自行控制运行,无需人工控制。为了便于管理,设置无线遥控控制装置,通过光控电路和启/停控制回路实现遥控控制。2)结构组成:光控电路主要由二极管、三极管(C2655)、微继电器(J)和电阻(R)组成。微继电器的常开触点作为光控电路的输出触点,光照强度高于启动阀值时,光控电路输出触点闭合,光照强度低于停止阀值时光控电路输出触点断开。光控电路的输出触点与遥控开关S2并联后再与遥控开关S1串联,构成启/停控制回路,控制整套装置的启动/停止。遥控开关S1作为总开关,S2作为光控电路输出触点的备用开关。当总开关S1闭合且光控电路输出触点和开关S2至少有一个闭合时,启/停控制回路导通,整套装置开始运行。启/停控制回路导通后继电器K1线圈通电,其常开触点闭合,主电机回路导通,主电机启动;回转电机回路导通,回转电机启动,水面行走装置沿着牵引绳移动。当水面行走装置移动至牵引绳一端的限位点时,触动限位开关S3,其常开触点闭合,继电器K2线圈瞬间通电,其常开触点闭合,常闭触点断开,此时回转电机回路断开,主电机停止转动,电容开始充电;同时继电器K3线圈通电,其常开触点闭合,常闭触点断开。K3实现自锁,保持通电。大约1s后电容充电结束,继电器K2线圈回路断开,其常闭触点闭合。此时,由于K3保持通电,回转电机改变转动方向,水面行走装置沿着牵引绳向相反方向移动(图5)。1.3释放装置出水流速、提水量、截面流速的测量委托国家渔业机械仪器质量监督检验中心对池塘移动式太阳能水质调控机的工作光照强度、提水量、空载噪声、负载噪声、水面行走装置移动速度、絮状污泥吸收释放装置前进速度、无线遥控距离等性能参数进行测试。光照强度用TES-1339R光照仪测量。提水量采用截面法测量。空载噪声按GB/T3768-1996的规定测量。速度采用单位时间内前进距离测量。无线遥控距离使用皮尺现场测量。电流采用优利德(UNI-T)UT61A万能表测定。涡轮转速测量:由于涡轮每次旋转过程中与不锈钢腔体的筒壁发生一次碰撞发出声音,用秒表测量单位时间内碰撞产生的声音次数,即可计算得到转速。提水量计算:絮状污泥吸收释放装置的腔体为圆形结构,在其出水口的圆形切面的半径上均匀设置3个测量点,分别用YSI多普勒流速仪测定3个点处的水流速。其中,圆心处水流速为V1,半径中间处水流速为V2,靠近腔体壁处水流速为V3。以3点处的水流速度作为腔体出水截面的平均流速。水流量计算为:q=Sl×VI+Sl-2×V2+S2-3×V3,其中S代表所在腔体出水口的截面积。总悬浮物(totalsuspendedsolids,TSS)、氨氮(NH4+-N)、亚硝态氮(NO2--N)、总氮(totalnitrogen,TN)、总磷(totalphosphorus,TP)、活性磷(labilephosphorus,LP)等水质指标的测定方法参照《水和废水监测方法(第四版)》。试验数据采用Excel2010,SPSS19.0等软件进行数据统计,并进行单因素分析。1.4水样的采集和测定试验于2012年5月25日开始,在上海松江池塘生态工程研究中心基地,选择100m×50m,平均水深为1.8m的4个鳊鱼主养池塘进行试验,其中在3个试验池塘中安装太阳能水质调控机,1个池塘作为对照。底泥吸收释放量分析:以吸收释放腔体出水中总悬浮物(TSS)浓度为指标,分别测量腔体进水口距池底5、15、20和30cm出水中的总悬浮物浓度。提水量:调节输人电压进行测量计算。水质检测:从2012年6月1日开始至10月31日结束,在4个试验池塘中选择位置相同的取样点,每天取样1次,化验分析水体中的CODMn和总悬浮物(TSS)浓度。底泥检测:底泥厚度用取泥器测定,底泥中氮磷营养盐浓度,按照每20d取样1次测定。养殖产量:2013年11月15日试验结束时对试验池塘和对照池塘中全部鱼类进行捕捞和计量,并进行统计。2结果与分析2.1池塘监测技术运行轨迹确定测试发现,当光照度超过13000lx时,太阳能池塘养殖水质调控机开始启动行走,出水口有黑褐色水流出。随着光照度增强,运行速度逐渐加快,当运行速度超过0.05m/s时,连接杆出现受力过大变形现象,絮状污泥吸收释放装置出现滞拽现象。但当水面装置的运行速度低于0.01m/s时,水质调控机运行缓慢,作业效率较低。经观察测试,池塘移动式太阳能水质调控机在水面稳定运行的速度应在0.02~0.03m/s之间。为了保持运行平稳,在池塘移动式太阳能养殖水质调控机上安装了24V/1A稳压器,根据电流输出情况,计算确定回转电机的转速为5r/min,牵引轮直径为150mm。观测运行轨迹发现,池塘移动式太阳能水质调控机的水面作业范围与连接杆长度和牵引绳固定方式有关。若用长度6m的连接杆链接絮状污泥吸收释放装置,其工作宽度约为12m,工作效率达到600m2/h。经观察,连接杆的长度在4~8m较为合适,过长容易引起变形,过短作业效率太低。在不同池塘中使用时,可根据池塘面积和结构合理调节连接杆长度和固定牵引绳。池塘移动式太阳能水质调控机的运行情况如图6所示。池塘移动式太阳能水质调控机的牵引绳可安装在池塘两侧塘埂或对角线塘埂上,也可以定时调换方向。试验观测发现,通过调整牵引绳方向和安装方式,太阳能水质调控机的运行轨迹可覆盖池塘80%以上水面。池塘移动式太阳能水质调控机的机械性能测试情况见表2。2.2太阳光照度对絮状污泥吸收释放装置输出的影响试验发现,当太阳能光照度达到10000lx时,絮状污泥吸收释放装置的电机带动涡轮旋转,出水量约为90m3/h左右,但絮状污泥吸收释放装置不运行。当光照度超过13000lx时,水面移动装置开始前进,此时的电流为3.25A,对应的运行速度为0.13m/s,絮状污泥吸收释放装置的提水流量为110m3/h。随着太阳光照度增加,絮状污泥吸收释放装置的运动速度不断加快,两者基本呈正相关关系。当太阳能光照度达到最大52500lx时,输出电流达到8.5A,絮状污泥吸收释放装置的运行速度达到0.35m/s。由于太阳光照度在一定范围内与光伏组件的光电流成正比。为了充分利用水体上层的光合作用,絮状污泥吸收释放装置直接通过光伏板输出电流到涡轮电机。对池塘移动式太阳能水质调控机的空载噪声和平均负载噪声测试发现,其空载噪声为68dB,平均负载噪声为78dB。2.3电流对提水流量的影响测试结果表明,在一定范围内,输入电流与涡轮转速及提水流量均呈正相关关系,随着输入电流增加,涡轮转速与流量均随之增长,当电流低于6A时,涡轮转速与提水量呈正比例关系,随涡轮转速的增加,提水量也在迅速增加。但当电流高于6A时,提水量的增加速度开始变慢,可能是随着涡轮转速加快,腔体中紊流增加,水头损失变大,从而影响提水流量的增加速度。在输入电流3.80~7.58A的有效工作状态下,涡轮转速在90~290r/min范围内,相应的提水流量在110~208m3/h之间(图7)。养殖池塘絮状污泥的吸收释放量应与水体的光合作用量一致。絮状污泥吸收释放量过大会造成水体混浊、溶氧下降,影响到养殖生产安全,过小会影响到水质调控效果。从水质变化状况来看,吸泥腔的直径在300~400mm,提水量100~200m3/h较为合适。2.4进水口距池底距离从絮状污泥吸收释放装置出水中总悬浮物(TSS)的浓度变化看出,絮状污泥吸收释放装置进水口与池塘底部的距离与底泥吸收效果有直接关系。当进水口距池底距离5cm时,提水中的悬浮物质量浓度达到2.3×103mg/L,随着进水口距池底的距离增加,出水中的悬浮物质量浓度急剧降低(图8)。说明进水口至池底距离越近,絮状污泥的吸收效果越好。由于池塘底部高低不平,还存在碎石、树枝等杂物,絮状污泥吸收释放装置的进水口不宜过低。试验运行发现,絮状污泥吸收释放装置进水口的距底距离在10~15cm间比较合适。2.5池塘基于自动光控为了使池塘移动式太阳能水质调控机在光照条件下自动运行,并可人工控制,池塘移动式太阳能养殖水质调控机设计有自动光控和遥控功能。根据测试结果,池塘移动式太阳能水质调控机的光控启动值设定为13000lx。经试验运行,该启动值适合养殖池塘调控需要。遥控距离测试显示,池塘移动式太阳能水质调控机的遥控控制距离可达50m,鉴于一般养殖池塘距中心的宽度距离在50m之内,该遥控距离可以满足人工控制需要。2.6试验池塘水体n和no2--n的值及tp浓度水质分析结果显示,安装池塘移动式太阳能水质调控机后,试验池塘水体中的NH3+-N、NO2--N和TN浓度迅速增加,运行12h后达到最高值,45h后基本趋于稳定。在整个养殖试验期间,试验池塘水体中的NH3+-N和NO2--N分别为(0.821±0.14和(0.203±0.07)而对照池塘则分别为(2.975±1.07)和(0.158±0.06)mg/L。试验池塘TN为(4.08±1.033),对照池塘为(4.28±1.11)mg/L(图9a)。试验池塘水体中的TP浓度为(6.26±2.018)mg/L,对照池塘水体的浓度为(2.164±1.010)mg/L,平均高出65.43%(图9b)。试验池塘水体中的活性磷浓度为(0.762±0.413)mg/L,而对照池塘水体为(3.572±1.510)mg/L,平均下降410.3%。表明,使用池塘移动式太阳能水质调控机可以加快池塘水体中氮磷等营养物质的转化。2.7池塘水体污染物浓度检测结果显示,试验池塘水体中CODMn和总悬浮物浓度随池塘移动式太阳能水质调控机的运行而迅速增加,运行12h后趋于基本稳定,表明使用水质调控机运行可以迅速增加池塘水体中的污染物浓度。但从整个养殖试验期间的检测数据来看,试验池塘水体中CODMn浓度平均为(56.8±19.766)mg/L,而对照池塘平均为(50.4±12.280)mg/L,二者没有明显差异。说明使用池塘移动式太阳能水质调控机不会增加养殖池塘的污染程度。2.8池塘底泥理化指标经测试,试验开始前各试验池塘的淤泥平均深度为(35±7)cm,底泥呈黑色,有较强的臭味。试验结束后,测试发现,试验池塘的底泥厚度下降了(12±4)cm,而对照池塘淤泥的平均厚度达到(40±9)cm。干塘后,发现试验池塘的底部相对平整,底质颜色较淡,味道较轻,而对照池塘的底质颜色发黑,味道严重。说明,使用池塘移动式太阳能水质调控机可以有效降低池塘养殖底泥沉积污染,改善池塘底质环境。经检测,试验开始前各试验池塘底泥中的TN和速效磷含量分别为(0.115±0.061)和(18±3.509)mg/L。随着水质调控机运行,试验池塘底泥样中的TN及速效磷含量逐步减少,与初始检测结果相比,试验结束时池塘底泥中TN和速效磷含量分别为(0.023±0.001)和(14.567±4.310)mg/L,与初期相比分别下降了79.66%和19.07%(图9c,9d)。表明使用池塘移动式太阳能养殖水质调控机可以加速养殖池塘底泥中TN和速效磷的释放。2.9池塘监测技术对养殖水体的影响从捕捞统计结果看出,使用池塘移动式太阳能水质调控机的试验池塘中的鳊鱼和鲢鱼类产量分别为6975和383.5kg,而对照池塘分别为5281和305kg,与对照池塘相比,试验池塘中鳊鱼和鲢鱼产量分别增加了32.1%和25.7%,养殖饲料系数下降了24.24%。表明使用池塘移动式太阳能水质调控机,不仅可以提高鲢鱼等滤食性鱼类产量,还可以提高鳊鱼等吃食性鱼类产量(表3)。在设备经济性方面。经分析,1台池塘移动式太阳能养殖水质调控机在0.67hm2池塘中的上下水层交换能力相当于2台1.5kW叶轮式增氧机。按照每天运行4h,1个养殖周期运行200d计算,安装1台池塘移动式太阳能水质调控机,一个养殖周期可节约用电2400kW以上,若包括增产效果,其经济性是非常显著的。3池塘水处理设备的应用1)池塘移动式太阳能水质调控机符合中国养殖池塘特点,可在水面以0.02~0.03m/s平稳