净化水体（精选9篇）
净化水体 篇1
沟域经济是京郊山区区域经济发展的新模式,其核心是要发展与山区资源相关的生态产业[1,2,3]。北京市京郊山区渔业资源十分丰富,有大、中、小型水库83座,20多万亩[4,5,6],山区渔业现已成为 北京市渔 业经济发 展的增长 点之一[7,8]。在怀柔区等冷水资源丰富的郊区,冷水鱼养殖成为渔业产业的一大特色[9,10],然而,随着产业的发展壮大,粗放式的养殖模式带来大量养殖废水、粪便及残饵的排放,使得沟域水体环境恶化。
有研究表明,利用微生物絮凝剂在完成养殖废水净化的同时,还可以将养殖过程中产生的残饵和粪便转化为絮体饵料,在絮凝体形成中对氨氮等物质有明显的去除效果[11,12]; 而且可以将养殖用水换水率从24% 降低到10%[13,14]。利用固定化微生物制剂除去网箱养殖废水中的氨氮具有良好效果,并且还有增加水中溶氧和保持p H稳定的作用[15]; 通过构建养殖—湿地生态系统,实现废水净化、达标排放[16]。本研究针对怀柔渤海镇沟域养殖中存在的氮磷流失率大、水环境遭受破坏严重等问题,探索并建立了一套养殖水体生态调控技术模式,将先进的生物技术与水处理技术相结合,以解决沟域水体不合理养殖的问题。
1材料与方法
1.1试验材料与工艺
整个处理系统由养殖用水净化系统和养殖废水净化系统组成( 图1) 。养殖用水净化系统包括生物絮凝沉淀池和纳米功能陶粒 + 生物菌种处理池,养殖废水净化系统包括表面流人工湿地和复合生态多功能净化塘。
1.1.1养殖用水净化系统
( 1) 生物絮凝沉淀池。微生物絮凝剂是由微生物产生的具有絮凝活性的代谢产物,能使反应体系中的胶体和悬浮颗粒物相互聚集,形成絮体沉淀并从体系中分离出来,是微生物在生长过程中产生的聚合物。本工程采用的微生物絮凝剂是利用红平球菌研制出来的,其产生的具有絮凝活性的次生代谢基团,可使水中不易降解的悬浮颗粒物、胶体颗粒物等发生桥连作用。絮凝剂投药点设在最前端的入水口,利用较高的流速使絮凝剂分散,以降低净化工程能耗; 根据模拟现场沉降水池的试验,水流速在1. 5 m/s左右。水流经6 m段流动即可使絮凝剂得到充分分散,考虑到处理效果与运行成本,确定最佳添加比例为0. 5% 。
( 2) 纳米功能陶粒 + 生物菌种处理池。纳米功能陶粒直径5 ~ 6 mm,由多种无机矿物、电能材料、吸附性材料等组成,孔隙率40% 以上。根据现场情况,在进水端分段采用5个不锈钢网箱,将纳米功能陶粒置于其中以保证处理效果。为避免不锈钢网被水中大絮状物堵塞,特在进水端加一套可方便清洗的过滤棉。
本工程选用现场河道活性污泥,从中提取出基本菌种,经培育和驯化,使其成为高效、高浓度的菌液( 浓度为4 × 109个/m L) 。
1.1.2养殖废水净化系统
( 1) 表面流人工湿地。该系统充分利用养殖场现有环境条件,在现有的排水沟区域构建表面流人工湿地污水处理系统。植物选取原则: 净化能力强、良好抗逆性、易管理和综合利用价值高, 兼具良好处理效果和美观特点。选择植物为水葱、菖蒲、香蒲和千屈菜。
( 2) 复合生态多功能净化塘。该净化塘利用养殖场目前设在尾端的沉淀池,正常水位约为1. 3 m,进水为上游的养殖废水、生活污水以及前端沉淀池的出水,还有部分餐饮垃圾和废水倒入。 通过设置太阳能曝气机、碳素纤维生态草和生态浮床,初步构成人工生态系统; 通过生态系统的物质转移、转化和能量的逐级传递、转化,降解和转化进入塘中污水的有机污染物。
1.2检测项目及仪器
p H( PHS-25型p H测试仪,上海雷磁公司) ; 浊度、溶氧及余氯等( 多用途北大快速化学分析盒,北京大学分析测试中心) ; COD、TN及TP等( DR890型便携式水质分光光度检测仪,美国哈希公司) 。
2净化效果与讨论
2.1养殖用水系统净化效果
根据国家地表水环境质量标准( GB3838— 2002) ,养殖用水需要达到地表 Ⅲ 类水标准[17]。 由图2可知,经养殖用水净化系统处理后,出水中的化学耗氧量( COD) 在2011年6月份和7月份超过了标准; 总氮( TN) 浓度仅在2012年6、8、9月达到了标准; 总磷( TP) 则基本稳定达到标准。
对养殖用水的净化效果( 表1) 表明,絮凝沉淀处理后,水的浑浊度均降了80% ,COD下降了10% ,TN和TP下降约5% 。经载微生物功能陶粒净化处理,水中的TN、TP及COD都有明显减少,去除率分别达到45% 、35% 、35% 左右。絮凝沉淀处理对浊度的降低有很好的效果,而COD、 TN及TP的去除主要是通过载微生物功能陶粒。
2.2养殖废水系统净化效果
经过多级冷水鱼养殖和一级甲鱼养殖后,水质逐渐变差,池水浑浊,并伴有明显的臭味。在完成养殖废水净化系统的水生植物移植几周后,净化效果明显( 表2) ,不仅水生植物生长茂盛,枝叶郁郁葱葱,开花的植物花朵艳丽,使环境得到了美化,而且池水明显变清澈,可以清楚地看到池中游动的鱼; 池水不再有臭味。相关水质指标除TN以外均达到地表Ⅴ类水标准,浊度和色度分别由原来的80NTU和90分别降为10 NTU和25以下,COD、TN、TP的去除率分别达到62.5%、44.32%、 56. 25% 。
注: 表中的 DO 以 O2计,下表同。
2.3讨论
由养殖用水和养殖废水的净化效果可知,本示范工程实现了对养殖用水和养殖废水的净化, 尤其是对有机物、浊度、总磷等,这与陈智[18]的研究结果比较一致; 但TN去除效果不理想,成为水质达标的限值因素。研究表明,河流脱氮方式有反硝化作用、厌氧氨氧化作用和甲烷厌氧氧化作用[19,20],其中反硝化作用是河流氮去除的重要途径[21]。因此,本示范工程TN浓度不达标可能是由于有机物浓度低和DO浓度较高,限制了反硝化作用。
关于硝态氮、有机物、厌氧三者对反硝化的影响,通常情况下,当河流有机污染物增加,微生物也会大量增加,降解有机物,同时消耗水中的氧, 正是因为微生物的作用,所以反硝化过程在夏季高于冬季。夏、秋季DO浓度低,反硝化速率较高,冬季水中DO浓度高,反硝化作 用几乎消 失[22]。这与图2中TN浓度仅在2012年6、8、9月达到了地表Ⅲ类水标准的结果一致。
因此,在示范工程后续的运行过程中,为了实现系统脱氮效果的强化,可以通过以下两种途径实现: 一是强化反硝化反应,通过适当增加有机物浓度促进反硝化反应的进行; 二是引入其他脱氮途径如同步硝化反硝化反应,分离自养氨氧化细菌和好氧反硝化细菌,并对其分别进行挂膜或吸附培养,然后将固定好的氨氧化细菌和反硝化细菌放在同一个反应器中,控制好环境因子,使其同时能够发挥作用,实现同步硝化反硝化[23]。
3结论
养殖用水通过生物絮凝沉淀池和纳米功能陶粒 + 生物菌种处理池处理后,除TN外可以稳定达到地表Ⅲ类水标准; 养殖废水通过表面流人工湿地和复合生态多功能净化塘处理后,除TN外可以稳定达到地表Ⅴ类水标准; 通过种植植物,水体周边生态环境得到了较好的恢复。针对TN浓度不达标的问题,可以通过适当增加有机物浓度和引入在DO浓度较高的环境中实现脱氮的微生物等途径来解决。□
摘要：针对北京怀柔渤海镇沟域水产养殖中饵料利用率低、氮磷流失严重造成的水体中氮磷含量高、流域水环境恶化等问题,研究并建立一套集“源头净化—过程消减—尾水深度处理”的养殖水体综合养护示范工程。该工程通过生物絮凝沉淀池+纳米功能陶粒生物菌种处理池以及表面流人工湿地+复合生态多功能净化塘,分别对养殖用水和养殖废水进行处理。结果显示,养殖用水除总氮(TN)以外均稳定达到地表Ⅲ类水标准;养殖废水则除TN外可稳定达到地表Ⅴ类水标准;通过种植植物等使水体周边生态环境得到了较好的恢复。处理后TN不达标可能是由于有机物浓度低和DO浓度较高等限制了反硝化作用。
关键词：沟域水体,养殖废水,养殖用水,絮凝沉淀,功能陶粒,人工湿地,净化塘,反硝化
净化水体 篇2
关键词：景观水体；生态净化；去氮除磷 文章编号：1671-2641（2015）05-0003-49
中图分类号：TU986 收稿日期：2015-08-05
城市景观水体可以美化城市环境，具有承载水体循环、改善区域小气候、有效调节城市生态环境和解决城市热岛效应的作用，实用生态价值较高，是现代城市建设的重要内容。
目前，《民用建筑节水设计标准》中明文规定景观用水水源不得采用市政自来水及地下井水。然而，过去许多的公共绿地、公园等场地所设置的景观用水水源大多数来自市政自来水，由于没有考虑其运行成本，加上没有配备相应的水处理循环及净化系统，许多城市景观水体藻类大量繁殖、水体变黑发臭，富营养化日趋严重，景观功能尽失，严重影响周围自然环境和居民生活环境。
如何有效利用城市水资源，更好地发挥城市园林的景观效益和生态效益，实现城市的可持续发展，已经引起社会的高度关注。
本文通过海珠区儿童公园景观水体生态净化系统工程的建设，介绍人工节水型生态净化系统设计的一些理念和基本设计程序，并通过该工程实例研究生态净化系统的一些净化能力特性。
1景观水体现状及存在问题分析
海珠区儿童公园一期工程人工湖水处理项目涉及的治理水域面积约780m2，平均水深大于0.6m。景区水体岸线示意图见图1。
为更充分地利用好周边地理环境，设计出一个节水生态水体净化处理方案，重点调查了水体富营养化的主要成因。
1.1水源条件的影响
该景观水的水源主要为自然集雨水或附近的河涌水。虽然近年来政府加大了整治河涌的力度，但由于河涌受污染的时间长且污染物成份复杂，大多河涌水质指标还达不到景观水质的要求。另外，广州地处珠江流域下游，上游大量富营养物质积聚在此，造成河道水源中所含的氮（N）、磷（P）、碳（C）和钾（K）等元素较高。
1.2面污染源的影响
景观水体地势较低，雨水的冲刷和浇灌水的渗透，将周边植被中的N、P、K等营养物质、农药以及树叶、枯草等汇集到景区水体中，使水质进一步恶化。
1.3社区周边环境活动的影响
相对于周边整体开放的大环境（大量污水及中水汇入），景观水体环境容量显得较为弱小，水体自净能力差。水中自然生物群落极少，生物多样性差，不能建立完整的生产者、消费者、分解者三者健全的生态链系统以消除周边环境活动持续带来的污染源。
1.4景观湖面及岸线特点
景区水域面狭长、水体流动性较差，出现死角的区域较多，各种污染物较易沉积在该处，成为湖中的一个内部污染源。
1.5蓝绿藻入侵
水体富营养化时，蓝绿藻繁殖速度极快，并消耗掉水体中大量的溶解氧，影响各种水生动植物的正常生长，严重时会造成水生动物缺氧死亡。
2景观水体生态净化系统设计
2.1水质生态净化系统方案优化
为更好地了解景观水体中污染物迁移转化规律，利用水动力学一水质模型定性、定量预测分析水体的水动力学特征、全年水质变化趋势，并以此为依据展开水质维护及水生生态系统构建工程设计，水动力学一水质耦合分析流程见图2。
根据水动力学一水质模型模拟的水体流态情况、水质时间及空间分布情况和变化趋势，儿童公园景观湖水维护及水生生态系统构建工程，采用了“水下地形改造（清淤）+护坡堤岸改造+生态建设”的优化方案。
2.2项目生态修复技术路线
图3是儿童公园景观湖水水质生态工程技术路线。
表1是湖泊生态净化系统构建方案具体措施及规模。
2.3入湖污染源整改措施
为有效控制湖区面污染、构建水边生物多样性的环境，在湖岸缓冲带构建透水路面、浅草沟、雨水花园等，减少入湖的面源污染及外界因素对湖区的影响，恢复湖岸水生生态系统。
2.4生态净化系统中物种的选取
水生植物的筛选原则为：对N、P及有机物去除率高、适于污染水体环境生长且种源来源方便。不同植物种类，对营养成分的吸收能力和水体净化效果存在差异，且随生长期而变化，因此要对水质进行充分分析，在不同水域合理选择及搭配，充分发挥水生植物之间的协同性，达到生态净化的目的。本项目环湖净化带植物群落配置见表2。
水生动物配置应充分考虑其活动的空间结构和采食对象，从而科学合理地设计其放养模式（重点考察种类、数量、雌雄比、个体大小、食性、生活习性、放养季节等），提高其生物净化效果。项目中动物种类主要选择鲢鱼、鲤鱼、鳜鱼、罗非鱼、虾、螺蛳及贝类等来延长食物链，完善生态系统，实现水体中营养向可食性动物蛋白转化。
3景观水体生态净化技术对污染物的去除效果
为便于分析评价该方法对污染物去除的效果，分别在湖区4个不同部位取样化验，对总氮、总磷、氨氮及CODcr等指标进行了考察。
3.1对COD的去除效果
系统对COD指标的去除情况如图4所示。由此可知，景观水体经水生动植物生态系统净化后，CODcr由原水的101mg/L降至8.92mg/L，去除率为91.2%，表现出较好的去除效果。
3.2对氮磷的去除效果分析
对氮磷的去除效果如图5所示。从图中可知，系统对TN、TP及NHd-N均有明显的去除效果，TN由原水的5.69mg/L降至0.276mg/L，去除率为95.1%；TP由原水的0.322mg/L降至0.038mg/L，去除率为88.2%；NH4-N由原水的2.28mg/L降至0.071mg/L，去除率为96.9%。
4结果讨论
景观水体生态净化系统对富营养化的水中各类污染物均有较好的去除效果，CODcr去除率达到91.12%；TN、TP及NH4-N去除率分别达到95.1%、88.2%和96.9%。
由微生物治理、水生植物净化和生态系统重建等水质改善与水体修复技术构建起来的景观水体生态自净系统，是一种符合节能低碳的社会建设理念、能有效改善区域水环境质量和城市面貌的水质净化技术。
景观水体生态净化系统对于污染负荷有一定的适用范围，超过其承受能力时不仅会降低水处理效果，还会造成基质的堵塞。在实际应用中，有必要对污染负荷较高的污水进行预处理以减轻生态系统的处理负荷，延长系统使用寿命。
此外，温度的降低也会影响生态净化系统的水质净化效率，因此该系统在冬季的处理能力有所降低。
净化水体 篇3
浙江兰溪市自2011年4月份启动水生高等植物净化池塘水质工程以来, 经过2个多月的水生高等植物种植和参照对比, 目前进行种植的池塘水质明显好于非种植池塘, 水生高等植物净化池塘水体效果显著。在养殖池塘内种植菖蒲、香蒲、美人蕉等高等水生植, 就是利用水生植物能够大量吸收营养物质、降解氨氮、转化有毒有害物质为无毒无害物质的性质, 在养殖水体内营造一个人工湿地系统, 起到净化水质的功用。在养殖池塘内种植水生植物, 不仅可以改善水质、增加水体溶氧量, 而且有些植物艳丽多姿、枝叶清秀、花姿优雅, 还可以起到美化养殖环境的作用, 同时为稳步推进生态健康养殖起到示范作用。
净化水体 篇4
关键词：孔石莼;珊瑚;水质;净化
Key words：Ulva lactuca; coral; water quality; purification
孔石莼( Ulva lactuca L.)属于绿藻门，丝藻目，孔石莼科，孔石莼属，亦称海白菜、海青菜、海莴苣、绿菜、青苔菜、纶布，属常见海藻。片状，近似卵形的叶片体由两层细胞构成，高10～40 cm，鲜绿色，基部以固着器固着于岩石上，生活于海岸潮间带，生长在海湾内中、低潮带的岩石上。与红藻Gelidium amansii、褐藻Sargassum enerve和繁枝蜈蚣藻Grateloupia ramosissima等多种大型海藻相比，孔石莼对N、P有着较高的吸收率，而且生长速度也高于其它几种藻类[8-9]。对于不同形式的N和P元素来说，孔石莼的吸收速率不同，何洁等[10]研究表明，孔石莼对氨氮和磷酸盐的去除率要高于对硝酸态氮的去除率。
本研究在不换水的情况下采用孔石莼处理珊瑚养殖水体水质，并定期监测水体质量，测定NO3--N、NO2--N、NH4+- N和PO43--P等水质指标的变化，以期为生态无公害养殖提供参考。
1 材料和方法
1.1 试验装置
珊瑚养殖池内养殖用水体积为6.4 t，养殖珊瑚种类及投喂情况如下：
养殖对象：海鸡冠Dendronephthya sp(12个)、九尾狐Sphaerella krempfi(19个)。
投喂情况：早晨喂珊瑚粮 236 mL、轮虫液500 mL;下午通过打汁机将20 g太平洋磷虾、沙丁鱼10 g、裂壶藻添加剂7 g、雪虾6 g混合，去掉滤渣，将食物汁喂养珊瑚。
试验为期60 d，试验期间采用孔石莼水处理系统对水质进行处理。养殖缸内的海水在水泵的作用下流经蛋白分离器，再进入沙滤罐进行第2次水处理之后，重新流回珊瑚养殖池。而孔石莼水处理系统单独与珊瑚养殖池进行连接，确保养殖水体完全进入孔石莼水处理系统。养殖过程中，水体温度为(22.7±0.7) ℃;pH值为8.00±0.05;溶氧为7.80±0.04。 每隔15 d，用水抄将孔石莼从养殖缸内捞出放到篮子里控水5 min，尽量除去其中的海水，放到电子称上秤出孔石莼的湿质量。称量结束后将孔石莼重新放到养殖缸内，然后称量篮子得到孔石莼的净质量，并记录。
2 结果与分析
2.2 孔石莼过滤系统对珊瑚养殖水体NO3--N的影响
如图3所示，在孔石莼的作用下，珊瑚养殖池水体NO3--N的含量基本维持在10.34～15.45 mg?L-1这个水平范围内，基本趋于稳定，且整体上还有略微下降趋势。
2.3 孔石莼过滤系统对珊瑚养殖水体NH4+-N的.影响
2.4 孔石莼过滤系统对珊瑚养殖水体PO43--P的影响
如图5所示，珊瑚养殖池水体PO43--P的含量基本维持在0.31～0.40 mg?L-1这个水平范围内，基本趋于稳定，说明孔石莼净化系统能够有效吸收养殖过程中产生的PO43--P。
2.5 孔石莼的增长量
不换水培养过程中，孔石莼质量的变化见表1，孔石莼由最初的3.5 kg逐渐增长至试验结束时的4.01 kg，这在一定程度上说明，孔石莼吸收水体中的N和P等营养物质，既进行了水质净化，也实现了自身生长。
3 讨 论
3.1 养殖水体的N素污染
水产养殖动物是排氨生物，氮是其排出废物中的主要组成成分。进入人工养殖水体的N素部分被养殖动物吸收同化转化为营养成分，部分通过反硝化作用或NH3 的挥发进入大气， 其余大部分则以有机和无机氮形式溶解于水中。氨氮超标影响养殖动物的生存和生长，轻者导致养殖动物生长缓慢，食量减弱，引发各种疾病，食用品质差;重者将引起养殖动物中毒死亡。研究发现，瓣鳃纲贝类排放到水体中的氮占总投入氮的75%，鱼、虾类排放到水体中的氮分别为投入氮的70%～75%和77%～94%[11]。养殖废水中如此高的含氮量，为大型海藻对养殖废水的生物修复作用提供了依据和前提。由此可见，养殖种类、饵料的性质等因素都会对以残饵、粪便的形式被释放到水环境中的氮素的数量和种类产生影响。本试验通过孔石莼水处理系统使养殖水体中的氮含量处在一个稳定的范围内，随着试验的进行并略微下降。
3.2 大型海藻对无机营养盐的吸收利用
大型海藻由于其自身的生理特点，包含着无机氮、氨基酸氮、非蛋白可溶性有机氮和蛋白质氮等营养物质库。营养物质库的存在保证了大型海藻在营养盐剧烈变动的水体环境中可以正常的生长。如上所述，大型藻类对不同营养元素有着不同的吸收速率，在具有同样浓度的N盐和P盐水体中，大型藻类首先吸收N元素;对于NO3--N和NH4+- N来说，大型藻类首先偏向于对NH4+- N的吸收。NH4+- N往往是养殖水体中无机氮代谢后的主要存在形式，对养殖对象有着一定的损害作用，大型藻类对NH4+- N吸收偏好恰好可以作为清洁水质的一个手段。本研究结果也表明，在不换水情况下，孔石莼的培育可以使珊瑚养殖水体中的NH4+- N含量保持在最初的水平。另外，大型海藻易于收获，减轻水体污染的同时，又能实现养殖污染物的资源化利用。
3.3 大型藻类对养殖水体的生态调控
大型藻类可以通过光合作用吸收养殖水体中因饵料输入、养殖动物代谢造成的营养负荷，产生氧气，提高水体pH值。孔石莼与其他水生生物一样，虽然可以利用大量的营养元素，但在夜间也会消耗一定的氧气，如果控制不好孔石莼的密度容易导致耗氧增加，与养殖对象之间形成竞争。本研究中，6.4 t水体利用10.5 kg的孔石莼进行水质净化，石莼能够有效净化珊瑚养殖用水水质，使其不换水情况下各水化指标维持在稳定范围内，说明孔石莼的生物量和珊瑚的养殖密度搭配较为适宜，有效地建立了孔石莼和珊瑚之间营养盐的流动平衡，为孔石莼与养殖对象的搭配密度提供一定的参考。此外，在考虑搭配密度的同时还应考虑养殖对象和投喂量的不同，不能盲目增大孔石莼的量。孔石莼在营养盐充足的情况下，生长速度很快，如果盲目地增加孔石莼的量，部分孔石莼在水体中腐烂降解会消耗大量溶解氧，释放有害的降解物质，再次成为污染物质，导致养殖环境的进一步恶化，不利于养殖对象的生长。鉴于此，为了深入了解孔石莼与养殖对象之间互惠互利的形式，达到最佳的利用状态，需要进一步开展孔石莼和养殖对象不同条件下的生理学特性及代谢规律的研究，探索最佳的生态养殖模式。
参考文献
[5] Neori A， Cohen I， Gordin H. Ulva lactucabiofilters for marine fishpond effluents：II. Growth rate， yield and C：N ratio[J]. Bot Mar， 1991， 34： 483-489.
净化水体 篇5
1. 水质分析
为了较好的完成天津生态城城水体水系联通及循环利用净化的研究, 我们首先需要对天津生态城的水质进行了解。在天津生态城中, 静湖、蓟运河故道以及外延海水是城中的主要水体组成部分, 其中的内陆淡水在没有实现相互通联的情况下随着水体中氮、磷等物质的积累水质呈现不断下降之势, 而这一现象还会造成水中藻类的快速繁衍, 更进一步加快淡水的水质恶化程度;而对于外延海水来说, 生态城区域外延海水盐度较高, 比重较大, 而因为水体温度较稳定, 其具备着无机物含量高、组分复杂的特点[1]。
2. 设计理念
在本文进行的天津生态城水体水系联通及循环利用净化研究中, 笔者以位于中新生态城起步区中央的营城污水库 (静湖) 及蓟运河故道为核心, 以人工强化水系为生态走廊, 以水系两侧湿地为缓冲带, 以城市绿网为生态屏障的城市水环境生态格局。同时, 由此外延辐射, 并由此构建城市水系, 形成顺畅的水系循环, 以构建各河道水系“人水和谐”的水生态景观为本设计的核心理念。在这一设计理念中, 蓟运河故道以及静湖地处生态城中心服务区相当于整个天津生态城的心脏, 而蓟运河故道一南一北建立两条水体循环线路则相当于地域之肺, 这些设计对于整个天津生态城水生系统来说, 能够较好的保证多种物种的和谐共生与可持续发展, 这对于天津生态城建设中所遵循的“人与自然和谐共存”的理念较为契合[2]。
3. 整体水系规划与构建
在本文进行的天津生态城城水体水系联通及循环利用净化的研究中, 笔者将整体水系的规划与构建分成了三部分, 这样就能够保证天津生态城逐步实现自身的水体水系联通及循环利用净化。
3.1 近期水体规划
在近期水体规划中, 这一规划的主要目标为实现静湖与蓟运河故道已治理段内水体通过人工提升推流的方式形成循环, 改善静湖及蓟运河故道盲肠段水体流动情况, 提高河湖整体流速, 降低河湖低流速区域比例。只要能够实现这一目标, 静湖与蓟运河故道的水体清洁度问题就能够得到较好的解决, 而上文中我们在提到的水体富营养化、水质恶化等问题都能够得到较好的治理[3]。
为了实现这一近期水体规划目标, 笔者根据规划区域现有的情况以及水域的具体现状, 利用净水厂东侧管路、现有市政雨水管网以及超越管线, 采用接驳方式设计四种枯水期静湖-故道水动通路方案, 而针对这四种方案笔者根据方案本身工程造价、工程量、工程难点等要点进行了几种方案的类比, 最终选择了利用取水泵提升静湖水至已敷设管路, 通过接驳点连接新建管线, 并在各个接驳点安装阀门控制系统, 控制水体流量及方向, 水体最终进入蓟运河故道盲肠端的设计方案, 这一设计方案工程量为1551m, 具备3个接驳点, 预算造价为397.82万元, 并需要新建一条约650米长的新管线, 而之所以选择这一方案笔者看中了这一方案较为优秀的可持续性。介于篇幅原因, 其他方案与方案对比的过程不予以详述[4]。
3.2 中期水体规划
在中期水体规划中, 这一规划需要对蓟运河故道及静湖内水体进行人工提升, 形成水系整体循环, 同时近期已进行的水循环措施继续开启, 期补水点由原来1处增加至4处, 这样就能够解决自然蒸发造成水系水量的损失, 而近期泵站和远期泵站提升的推流, 能够较好的辅助中期水系循环的实现。值得注意的是, 为了贯彻天津生态城资源节约与环境友好的理念, 笔者在静湖与故道的2个连接处加设了截水坝, 这样就能够降低静湖水质可能受到的污染;而当整个天津生态城水质较为优良时, 笔者也设计了暂停近期远期2个泵站运行的制度, 这样就能够在节约运行费用的同时保证良好的水质, 实现节能与环保的两不误[5]。
3.3 远期水体规划
在天津生态城城水体水系联通及循环利用净化研究的远期水体规划中, 这一规划主要为了将整个天津生态城中7个以水为主的旅游景观进行串联, 实现中央绿轴、甘露溪公园、静湖湿地公园、慧风溪生态廊道、贝壳堤湿地公、永定州文化主题公园以及生态公园的以水为主、依水而建、靠水串联, 这样就能够实现对整个天津生态城旅游产业景观的整合, 打造一条以水为纽带的旅游线路, 而为了实现这一远期水体规划, 笔者设计了以方特欢乐世界为起点、结合污水厂工业游线路的旅游线路设计, 这一路线设计中游船从静湖码头出发, 沿着蓟运河故道驶向惠风溪生态廊道, 然后依次途径贝壳堤湿地公园以及航母主题主题公园, 半环绕北海湖, 经过航母主题公园之后驶向终点—鲤鱼门美食街[6]。
为了能够保证这一远期水体规划的实现, 笔者还对水上交通进行了整体规划, 这一规划呈现方格网+环放式路网布局结合了内陆道路交通, 这就使得游客能够自由选择方式进行出行与游玩, 而这一设计在天津生态城实现水路循环后, 就能够正是形成“两栖交通网”, 更好的为游客提供服务。
4. 分步实施计划
为了能够实现天津生态城城水体水系联通及循环利用净化, 笔者设计了五步骤的分步实施计划, 这五步骤计划分别为构建初步水系生态结构;实施近期水体规划方案;在静湖中增设推流、曝气装置以及人工浮岛、人工鱼礁-生物栅等人工设施;实施中期水体规划方案;完善生态系统结构。
4.1 构建初步水系生态结构
在构建初步水系生态结构环节中, 这一环节需要在河道水体投放适当比例的鱼苗 (鲫鱼、鲤鱼、草鱼等) , 这样就能够通过动物调控的方式保证水体质量, 使水体中断裂的生物链得以恢复, 这样就能够实现水体初步的生态平衡。完成鱼苗投放后, 还需要利用水生植物进行人工浮岛的建设, 这样就能够在保证水体自净能力的同时营造良好的景观效果。
4.2 实施近期水体规划方案
实施上文中提到的近期水体规划方案, 实现静湖与蓟运河故道已治理段内水体通过人工提升推流的方式形成循环, 改善静湖及蓟运河故道盲肠段水体流动情况, 提高河湖整体流速, 降低河湖低流速区域比例, 最终保证水体进入蓟运河故道盲肠端。
4.3 在静湖中增设推流、曝气装置以及人工浮岛、人工鱼礁-生物栅等人工设施
在静湖中增设推流、曝气装置以及人工浮岛、人工鱼礁-生物栅等人工设施, 以确保近期循环方案实施后的效果, 使生态系统初步构建, 这样就能够最大限度的进行生态修复。
4.4 实施中期水体规划方案
实施上文中提到的中期水体规划方案, 实现节能与环保的两不误。
4.5 完善生态系统结构
完成上述工序后, 我们还需要在水体中投放微生物菌剂, 并加强完善推流装置以及曝气装置系统布设, 这样才能够保证天津生态城水体更进一步贴近自然水道, 实现自身完善的生态系统构建, 最终真正实现天津生态城水体水系联通及循环利用净化。
结论:作为我国较为典型的生态城区之一, 天津生态城寄托着中国与新加坡两国民众对于优美环境城区的渴望, 而在本文进行天津生态城水体水系联通及循环利用净化研究中, 这一研究直接关系着整个天津生态城能否达到预期的建设目标, 为了能够进一步加强我国应用全球气候变暖、环境保护、资源节约的决心, 我们就必须保证天津生态城水体水系联通及循环利用净化的顺利实现, 这正是本文研究的目的所在。
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净化水体 篇6
对黑臭水体的治理, 截污控源是基础, 拦截掉内源、外源污染后, 河涌的生态才能慢慢恢复。 但生态的自然修复是个漫长的过程, 如果能强化这个过程具有重要的意义。 水生植物处理技术就是通过人工手段, 强化生态的自然修复, 其良好的处理效果、低廉的投资及运行成本、简单易行的操作方式, 受到广泛关注。
1水生植物技术处理黑臭水体的机理
大量实践证明, 水生植物通过吸附、吸收、过滤、富集浓缩、 降解转化等作用, 能够大量地去除水中有机物, 其机理如下:
(1) 直接吸收。 有些水生植物能直接吸收污水中的污染物, 作为生产所需的营养, 促进生长, 具体吸收程度与污染物的理化特征有关, 也和植物种类、水体性质有关。 对于一些并非植物生产所需的污染物, 如重金属离子, 植物能通过螯合作用、区室化等作用来吸收、富集。
(2) 物理作用。 植物净化作用还包括过滤、吸附、生物凝聚等作用。 植物发达的根系能对部分污染物, 特别是悬浮污染物, 进行吸附、过滤。
(3) 微生物作用。 污水中可降解有机物能通过微生物的降解转化而去除。 植物发达的根系上通常为微生物提供了栖息的场所, 并且植物在生长过程中, 衰老的根毛、表皮细胞以及根际分泌物为微生物提供了养料, 促进了微生物的代谢。 这种植物和微生物形成的共生系统, 有利于对污染物的降解。 如有些根系上附着着菌根菌, 它与植物形成共生系统, 能代谢部分自养菌无法代谢的有机物。
(4) 抑藻作用。 一方面, 部分植物能分泌抑藻物质, 直接克制藻类的生长;另一方面, 水生植物的生产能营造出比较稳定的水体环境, 能在水体中生长出一些大型浮游生物, 可扑食藻类;最后, 水生植物与藻类在水中对光能、营养形成竞争关系, 而由于前者个体大、生长周期长、对营养吸收能力强, 从而抑制了藻类的生长。
(5) 酶催化。 植物分泌的生化酶在对有机污染物的降解、 转化中发挥了巨大的作用, 植物死亡后, 酶释放到水体中, 可以继续发挥降解作用。
2挺水植物处理黑臭水体的特性参数研究
挺水植物 (emerge d plant) :即根、根茎生长在水的底泥之中, 茎、叶挺出水面的植物。 常分布于0~1.5m的浅水处, 其中有的种类生长于潮湿的岸边。 这类植物在空气中的部分, 具有陆生植物的特征;生长在水中的部分 (根或地下茎) , 具有水生植物的特征, 常见有:美人蕉、芦、蒲草、荸荠、莲、水芹、茭白荀、荷花、香蒲。
本次以美人蕉为例, 通过实验室小试研究不同栽植密度下, 植物根系组织中溶解氧 (RO) 、叶绿素 (CHL) 含量的变化以及对污水中COD的去除率。
试验装置采用2个1000mm×1000mm水箱, 分别种植10株 (水箱1) 、20株 (水箱2) 美人蕉, 在一天7:00~17:00每隔1~2h采水样一次, 分别监测RO、CHL和COD, 连续监测一周。 (溶解氧RO测定采用哈希公司便携式溶解氧测定仪;叶绿素CHL测定采用锐品公司SPAD-502plus便携式叶绿素测定仪; COD检测采用重铬酸钾氧化法) 。 试验结果如图1~3。
通过对以上数据进行分析, 得出如下结论:
(1) 图1表明: 植物的光合作用是水中氧气的重要来源, 植物栽植密度较大的水槽中溶解氧RO含量较高, 而且在一天中, 中午光照时间较强时, 光合作用最强, 溶解氧RO含量最高。
(2) 图2表明:随着植物栽植密度的增加, 叶绿素CHL的含量增加, 这主要是由于植物对污水中污染物进行了吸收, 结果栽植密度较大的水槽中, 污水的浓度降低较大, 植物受环境的逆影响较小, 生长旺盛, 产生叶绿素较多。
(3) 图3表明: 植物通过光合作用产生氧气, 氧化有机物以及根系吸收等作用, 对污水中的污染物有一定的降解功能, 而且随着植物栽植密度的增加, 单株植物受到污水的逆影响较小, 生长更加旺盛, 对污水的处理效率增加, 但也不是栽植密度越高越好, 栽植越密, 对污水中的养分形成竞争关系, 根系间也会产生影响, 处理效果反而提高不大。 具体的栽植密度应根据具体的污水水质以及栽植植物特性, 通过试验分析确定。
3工程实例
根据小试研究成果, 在某河涌中, 通过截污、清淤、人工曝气、 种植挺水植物等措施净化河涌水质, 前后经过一年的时间, 取得了良好的效果, 河涌由黑臭水体处理达到了《地表水环境质量标准》 (GB3838-2002) Ⅳ类水的标准。
(1) 处理前。 河涌水质恶化严重, 黑臭明显。 主要污染物指标如表1、图4。
(2) 处理过程。 首先对排入河涌的污染源进行控源截污, 保证没有大量污水排入, 然后对底泥进行消毒杀菌, 种植挺水植物美人蕉等, 期间对河水进行曝气, 植物生长2个月后, 水质得到了初步改善。
(3) 最终处理效果。 植物生长3个月, 整个过程经过一年后, 河涌水质得到了极大改善, 主要指标达到《地表水环境质量标准》 (GB3838-2002) Ⅳ类水的标准, 最终水质指标如表2、 图6。
4小结
通过对挺水植物处理黑臭河水的小试和生产性试验研究表明, 在截污控源的基础上, 通过参数的适当控制, 强化植物的净化功能, 能解决河涌黑臭的问题, 而且除必要的维护工作外, 在稳定运行阶段, 不需要人工曝气, 就能保持河涌水质。
参考文献
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净化水体 篇7
1 材料与方法
1.1 实验材料
沙塘鳢取自江苏省淡水水产研究所。微生态制剂由南京市水产科学研究所提供，有效成分主要为光合细菌和芽孢杆菌等有益活菌制剂。
实验在7个规格为2.3 m×2.3 m×0.5 m的水泥池中进行，存水容积1.4 m3，水源为曝气12 d自来水。
1.2 实验方法
实验分对照组和实验组。实验组微生态制剂使用量为300、600和900 mg/m3。每组随机投放规格基本一致的沙塘鳢20尾。饲料以鳗鱼料为主，混合面粉，比例为2∶1，每天投喂1次，每次投喂10.0g。实验期间投饵量不变，不换水，每隔3 d泼洒1次，投放时间为12:00。
1.3 水质分析
实验时间60 d，每隔6 d采集水样1次，测定氨氮(NH3-N)，亚硝态氮(NO2-N);每7 d采集水样1次，测定总氮(TN)，总磷(TP)，化学耗氧量(COD)。TN,TP,COD采用国标法测量，NH3-N、NO2-N采用南京特安科技公司MR-220型智能分析仪来测量。
2 结果
2.1 微生态制剂对养殖水体总氮，总磷和COD的影响
由图1可知，实验前20 d，受天气降水等因素影响，各实验池中养殖水体总氮保持稳定，实验组与对照组之间无明显差异。实验中后期，与对照组相比，各实验组水体中总氮均不同程度降低，表明微生态制剂对水体的总氮有去除效果各实验组之间相互比较，随着微生态制剂生物量的增大，对水体总氮的去除率越高。
由图2可知，各实验池中总磷值变化趋势与总氮相一致，其中微生态制剂使用量为900 mg/m3时，对总磷的去除效果最好。但各实验池中总磷值均较低，这表明，在水中总磷值较低的情况下，光合细菌芽孢杆菌对总磷仍有去除效果。
由图3可知，微生态制剂对水体中的COD去除效果最差，实验组与对照组无显著差异。
2.2 微生态制剂对养殖水体氨氮、亚硝态氮的影响
实验前20 d，受天气降水等因素影响，各实验池中养殖水体氨氮持续下降，实验组与对照组之间无明显差异。实验中后期，与对照组相比，各实验组水体中总氮氨氮均不同程度降低，表明微生态制剂对水体的氨氮有很好的去除效果。各实验组之间相互比较，随着微生态制剂生物量的增大，对水体氨氮的降解率越高。并且使用量为900 mg/m3时，水体中的氨氮值与对照相比差异显著且稳定(图4)。
由图5可知，水中亚硝态氮变化趋势与氨氮相一致，但亚硝态氮均较低，相互之间无明显差异。
2.3 微生态制剂对沙塘鳢增重率、成活率的影响
由表1可知，与对照组相比，实验组增重率，成活率显著提高，实验组3组增重率，成活率最高。这表明微生态制剂能显著提高沙塘鳢的增重率和成活率。
3 讨论
在当前高密度水产养殖的水体中含有大量的鱼类粪便和残饵，以及鱼药残留物，使微生物大量繁殖，消耗水中大量氧气，很容易在水体底部形成无氧环境，致使硫酸盐还原菌大量繁殖，产生有毒害作用的硫化氢，酸性物质等。而光和细菌正好适合在这种环境中生长，它能够有效地将氨态氮，硫化氢等有害物质吸收组成菌体本身，从而提高水体中溶氧含量，调节pH值，抑制其他病原菌的生长，并降低水中的氨氮、亚硝酸态氨，硝酸态氮含量，有益于藻类、微型生物数量的增加，使水体净化，从而达到生物净化水质的目的。实验结果表明，微生态制剂能够降低水中氨氮、亚硝态氮。
光合细菌细胞营养丰富，可作为一些浮游生物的饵料，而这些浮游生物又是沙塘鳢的适口饵料，从而提高了沙塘鳢的增重率。研究表明，微生态制剂能够显著提高沙塘鳢的增重率。
鉴于本实验结果，投放微生态制剂的最适量为900 mg/m3。光合细菌，芽孢杆菌的生物量大小对降解水中营养盐的机理有待进一步研究。
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净化水体 篇8
1 水生植物的概况
水生植物 (Aquatic Plants) 一般是指能够长期在水中或水分饱和土壤中正常生长的植物, 如水稻、红树林、莼菜、睡莲、布袋莲、水蕴草及满江红等。以在水中分布状况划分, 可再细分为沉水植物、浮水植物、出水植物3类。如荷、莲、石花葵及水草等[3]。广义的水生植物包括所有沼生、沉水或漂浮的植物。依据植物旺盛生长所需要的水的深度, 水生植物可以进一步细分为深水植物、浮水植物、水缘植物、沼生植物和喜湿植物。
水生植物是出色的游泳运动员或潜水者。它们常年生活在水中, 形成了一套适应水生环境的本领。它们的叶子柔软而透明, 有的形成为丝状 (如金鱼藻) 。丝状叶可以大大增加与水的接触面积, 使叶子能最大限度地得到水里很少能得到的光照和吸收水里溶解得很少的二氧化碳, 保证光合作用的进行[4]。水生植物另一个突出特点是具有很发达的通气组织, 莲藕是最典型的例子, 它的叶柄和藕中有很多孔眼, 这就是通气道。孔眼与孔眼相连, 彼此贯穿形成为一个输送气体的通道网。这样, 即使长在不含氧气或氧气缺乏的污泥中, 仍可以生存下来。通气组织还可以增加浮力, 维持身体平衡, 这对水生植物也非常有利[5]。水是生命的摇篮。在水生环境中还有种类众多的藻类及各种水草, 它们是牲畜的饲料、鱼类的食料或鱼类繁殖的场所。开发水生植物资源必须坚持科学, 不能盲目发展, 尤其是对外来水生植物的引进上, 必须注重生态平衡, 这样才能真正对国民经济起好的效果和作用。
2 水生植物的净化作用
水生植物的净化有自身的净化系统, 水生植物净化系统是将污染湖水或河水引入现存的湿地塘或以创建的湿地塘中, 通过水生植物对污染物的拦截作用、水生植物根系形成的微生物膜对有机质的降解作用和植物本身对营养盐的吸收作用而去除污染物, 挺水植物具良好的遮光作用, 可有效抑制藻类的增殖, 净化后的水重新排回湖泊或河流[6]。
水生植物净化作用主要是净化塘, 净化塘是某一种水生植物在其中占有绝对的优势来组成的一种特殊的水生生态系统, 在这个系统中水生植物群体通过沉降、阻滤、吸附等作用来进行污水进化。这些水生生物通过自身的根系、茎进行吸收, 把污染成分变成营养物质, 或者分解转化有害物质, 在那些污染严重的水体中种植大量的具有较强净化能力耐污染的水生植物, 使这些水生植物通过自身的生命活动除去水中的污染物质, 恢复水体原有的养分。这些水生植物通过自身的光合作用还可以释放出氧气, 增加水体中的溶解氧的含量, 达到改善水体水质、降低或者消除污染的目的。这些水生植物可以选择浮萍、水葱、凤眼莲等。
3 水体景观生态设计中水生植物的应用
水生植物在水体景观生态设计系统中具有重要的意义, 它的存在不仅可以美化环境, 具有欣赏价值, 还可以改善水质、净化水体、改善生态环境, 促进水体景观的可持续发展。
水体景观应该具有一个完整的生态系统, 在进行设计、建造时要从全局出发, 全面、综合的进行设计建造, 设计出具有自身特色的水体景观。在进行水体植物的规划、选择时应该考虑到自身的地域环境、气候条件来进行水生植物的选择, 并且要依据和谐统一、均衡发展的原则进行布局, 在生态环境承载力的约束下形成一个稳定的生态结构, 不断地利用水生植物的净化作用来发挥水体景观的生态作用。
4 水生植物应用时的注意事项
水生植物对于水体景观的影响重大, 要想充分的发挥利用这些水生植物的净化作用, 在进行景观设计时需要考虑以下几点。
4.1 注意水生植物的季节性变化
自然界的生物都有自己的生命周期, 都会随着季节而发生一定的改变, 水生植物也不例外。在进行水体生态景观的规划时, 一定要根据这些水生植物的季节性进行选择, 错开水体植物的生长周期来搭配, 这样可以保持水体景观的多样化, 充分实现水体植物的美学效果和水体净化功能。
4.2 注重水体植物的养护管理
在水体景观生态设计时要充分的考虑水生植物的选择和利用, 这些水生植物不仅可以增加景观的欣赏性, 还可以充分的净化水源, 防止水资源的恶化。但是, 在这些景观规划时还要考虑到水生植物自身的养护和管理, 不能只用不养, 这会导致生态系统的失衡。因此, 一定要注意水生植物的管理工作, 避免出现二次污染的情况, 保持生态系统的平衡。
水生植物是水体景观设计中不可或缺的一部分, 它不仅可以丰富水体景观内容, 还可以净化水质, 保护生态系统。因此, 在进行水体景观的规划设计时, 要合理的利用这些水生植物, 并且注意水生植物的养护管理, 只有这样才能维持生态系统的平衡, 实现可持续发展。
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净化水体 篇9
随着工业化进程的加速, 我国的水体污染也日益严重。大面积的河流、湖泊的水质变坏、蓝藻爆发的直接原因是污染造成水体中溶解氧减少、富营养化。而低成本提高天然水体自净化能力十分重要。太阳能水体净化装置通过太阳能产生电力连续驱动螺旋桨, 将深处的水提升到表面, 实现水体的增氧, 促进水环境自然净化, 适合于封闭水域, 电力零消耗, 二氧化碳零排放, 符合国家的“节能减排”宗旨[1]。太阳能电池板作为系统唯一能源, 它的造价较高, 占整个光伏电源系统造价的比重很大且转化效率低, 而为了降低整个系统造价并提高对太阳能的利用率, 对太阳能电池板的最大功率点跟踪 (Maximum Power Point Tracking) 是有效途径之一。光伏发电发展到现在, 实现MPPT的方法众多。由于微处理器的速度有限, 目前算法占据CPU时间和控制精度仍是MPPT系统研究和改进的目标, 而干扰观测法 (Perturbation and Observation—P&O) 是目前实现MPPT最常用的方法之一[2,3], 其优点在于控制方法简单, 容易实现动态跟踪, 且对传感器的精度要求相对不高。采用Boost和Cuk斩波电路虽然在驱动设计上比较简单, 但是Boost电路只能用于升压, 而Cuk电路的输出电压和输入电压极性相反。
2太阳电池输出特性及跟踪原理
太阳电池属于半导体光电器件, 光直接辐射到太阳电池而产生电, 太阳电池的特性可用等效电路来描述[4], 如图1所示。
图1所对应的太阳电池输出电气特性方程为:
式中:A — 任意曲线拟合常数;Rs — 电池的串联电阻;Rsh — 并联电阻;I — 电池的输出电流;Iph — 光生电流;Io — 二极管饱和电流;e — 电子电荷;V — 电池的端电压;K — 玻耳兹曼常数;T — 绝对温度。
当太阳电池接上负载R时, 所得的负载伏安特性曲线如图2所示。
然而在不同的环境中, 太阳电池的输出特性曲线是不同的, 相应的最大功率点也不同。当日照强度增强时, 太阳电池的输出功率随之增大;当温度升高时, 太阳电池的输出功率随之减小。相应的特性曲线如图3、图4所示。
从图3和图4可以看出, 太阳电池是一种非线性直流电源, 最大功率点随着日照强度和温度的变化而变化, 每条曲线都存在一个最大功率点, 这个功率点对应唯一的电池输出电压。因此, 可通过调节太阳电池的输出电压使之趋近最大功率点就可以实现最大功率点的追踪。
3系统主电路结构
DC/DC变换器是通过控制电压的方法将不控的直流输入变为可控的直流输出的一种变化电路, 被广泛应用于开关电源、逆变系统和用直流电动机驱动的设备中[5]。用DC/DC变换器可以实现最大功率点的跟踪。
光伏电源系统由于受日照强度及环境温度变化的影响, 其电压 (电流) 变化很大, 为了在负载电阻变化较大时系统有较大的灵活性和较高的转换效率, 本系统的DC/DC斩波电路选用Sepic电路。英文全称为Single Ended Primary Inductance Converter, 即单端初级电感转换器。图5为Sepic电路的拓扑结构, 与Cuk电路拓扑相仿, 只是将Cuk电路拓扑中后部的电感和二极管换了位置。一级电路实现了两级调压。它具有Cuk电路的所有特性, 其输入电源电流和输出负载电流都是连续的, 且脉动很小, 有利于对输入、输出进行滤波。它与Cuk电路的唯一区别是, 它的输出电压极性与输入电压极性相同。其电路拓扑结构如图5所示。
(1) Sepic电路原理:①当V处于通态时, E-L1-V 回路和C1-V-L2回路同时导电, L1和L2储能。②当V处于断态时, E-L1-C1-VD-负载回路及L2-VD-负载回路同时导电, 此阶段E和L1既向负载供电, 同时也向C1充电, C1储存的能量在V 处于通态时向L2转移。其输入输出关系如下:
其中U为输出电压, E为输入电压, α为开关管导通的占空比, toff为每个控制周期内开关的持续关断时间, ton为开关管导通时间, T为控制周期, α=ton/ T。
控制系统根据检测到的光伏阵列输出的电压和电流, 判断目前功率输出状况, 改变开关管驱动信号的占空比, 调节输出电压幅值, 从而改变输出功率, 实现最大功率点跟踪。
4最大功率点跟踪算法
扰动观测法是目前实现MPPT最常用的方法之一[6,7], 通过成比例的增加或者减少DC/DC变换器的输入电压, 使之靠近最大功率点。在日照强度随时间变化不快时, 是非常有效的, 虽然这种方法不能迅速跟踪最大功率点, 但是如果增加采样时间, 可以减少系统损失, 且使用该方法, 只需要测量电压和电流两个量。减少了硬件的成本和软件的设计量。
其基本思想就是先让光伏电池按照某一电压值输出, 测得它的输出功率, 然后再在这个电压的基础上给一个电压扰动, 再测量输出功率, 比较测得的两个功率值, 如果功率值增加了, 则继续给相同方向的扰动, 如果功率值减少了, 则给反方向的扰动。对电压的扰动, 可以通过改变DC/DC变换器的PWM调制信号来实现。算法流程图如图6所示。
5控制系统
实现最大功率点跟踪控制, 需要测量太阳电池的输出电流和电压, 再通过A/D转换将数字信号输入到单片机经过系统设定的程序运算分析后输出PWM信号控制DC/DC变换器的功率开关管导通和关断。本文设计的系统中, 对太阳能电池的输出电压的测量, 采用电阻分压。对太阳能电池输出电流的测量, 采用CSM005PT5霍尔电流传感器。在选用霍尔电流传感器时, 本系统选用的传感器是5V单电源供电, 而有些传感器是采用±15V双电源供电, 这无疑会增加了额外的供电系统, 随之提高了成本。
由于AVR单片机的内部参考电压是2.56V, 超过了霍尔传感器的输出电压, 因此采用外部A/D转换芯片。MAX1270是8通道、多量程双极性输入、串行输出、逐次逼近型12位A/D转换器, 其内部参考电压为4.096V。
由于本文主要对是太阳能水体净化装置的最大功率点跟踪器进行研究, 是整个装置的一个部分, 为了避免在后期开发中, 遇到芯片资源稀少的窘境, 而需要更换新的单片机芯片。因此单片机选用AVR系列单片机ATMGEA128[8], 该单片机有8位和16位高速PWM输出口、众多的I/O口以及128K字节的系统内可编程Flash。
6实验
太阳能电池采用广州富杰电子科技有限公司的10W光伏组件。该组件开路电压为21V, 短路电流为0.65A, 在光伏组件温度为25℃和日照强度为1KW/m2的标准情况下, 其最大功率点电压为17.5V, 最大功率点电流为0.57A, 此时组件输出功率近似为10W。
负载采用一个额定电压12V, 额定功率为1W的直流电机。单片机间隔一秒对太阳能电池的输出电流和电压进行采样。设定干扰的步长为1, 即每次干扰时改变占空比的值增减1。在调试时候, 单片机通过串口向电脑传送电流、电压、功率值和占空比等信息。实验数据通过Excel整理绘出曲线。
图7、图8和图9分别是在某一光照强度下的功率——时间曲线图、电压——时间曲线图和电流——时间曲线图。
由图7和图8可以看出, 输出功率大致在4.25W附近波动, 输出电压大致在18.5V附近波动。这是由于干扰观测法算法的定期电压扰动产生的结果, 使太阳能的输出电压大致维持在此时的最大功率点电压18.5V。从而使太阳能输出功率最大。
在此做一个说明, 根据太阳能电池的特性, 如图3与图4所示, 太阳能电池的输出功率由光照强度和温度决定, 不同的条件下有其相应的特性曲线, 并不是维持在恒定的输出上。因此所得的实验数据只能说明是在测试时刻环境的光照强度和光伏组件温度下得出的, 此时太阳能电池板输出的特性曲线中的最大功率点的电压为18.5V, 最大输出功率为4.25W。
由实验曲线看出, 采用干扰观测法算法来进行最大功率点跟踪时, 太阳能电池的输出电压一直沿着某一动态基准 (该基准随着环境光照强度和光伏组件温度改变而变化) 上下扰动, 而输出电流和输出功率也随之变化。
7结束语
以上介绍了采用Sepic拓扑的DC/DC变换器结合干扰观测算法来实现最大功率点跟踪的原理。由实验看出, 能很好的完成最大功率点的跟踪。该装置具有算法简单, 易于单片机硬件实现的优点, 在成本和控制效果上能得到较好的平衡。
摘要：简要介绍了采用太阳能作为能源的水体净化装置和光伏电源系统的特性及最大功率点跟踪的基本原理。提出了一种采用干扰观测法配合Sepic拓扑的斩波电路实现太阳能电池最大功率点跟踪控制方法, 即将太阳能电池和Sepic斩波电路作为一个整体, 直接根据检测到的电池功率变化来控制Sepic电路的占空比来跟踪最大功率点, 这些改进使得系统简化。
关键词：太阳能水体净化装置,Sepic斩波电路,最大功率点跟踪
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