CN111003112A - 浮式水体净化人工岛 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浮式水体净化人工岛,包括浮体以及分别设置在浮体上的育藻格栅、锚泊设备、驱动设备、能源供给设备、遥控接收设备、用于控制锚泊设备和驱动设备运动的信号处理设备,锚泊设备包括锚链控制电机、锚链控制电机传动装置、锚链轴、锚链和锚;驱动设备包括螺桨控制电机、螺桨控制电机传动装置和螺桨;能源供给设备包括太阳能电池板、太阳能电池板控制器和蓄电池;遥控接收设备包括遥控器和天线,与信号处理设备无线连接;蓄电池分别与锚链控制电机、螺桨控制电机和信号处理设备电连接。在近海靠岸的水体中布置人工岛,不受地形限制,可有效去除水体中的氮磷污染物;充分利用太阳能,用遥控器控制锚碇地点,投放布置及后期维护方便。
Description
技术领域
本发明涉及滨海沙滩水质修复系统,尤其涉及一种浮式水体净化人工岛。
背景技术
近年来,由于江河、湖泊、水库和池塘等很多水体受到环境污染,造成水体富营养化,破坏了水体的生态平衡。将人工浮岛置于污染水体中,通过人工培育高等藻,使其在格栅上自行繁殖,从而消耗水体中的养分,减少漂浮在水体中的藻类。
目前,越来越多的游客倾向于前往环境优美的沙滩游玩,随着人流量的激增,滨海浴场水质下滑,浴场的水质评价总体较低。目前通过关闭入海排污口,建设污水处理设施来减少陆源污染,对海洋生态环境的改善起到积极作用。但中国岸线有多个出海口,近海水体仍然富含养分,并在入夏以后,引起沙滩近岸水体的海藻增多,甚至在阳光暴晒下发出恶臭,不仅影响沙滩美观,而且给游客带来不便,而海藻没有天敌,只能靠人工捞取而且海中作业量大,给沙滩带来环境压力。
现有的人工浮岛常用于一般性河流中,很少用于海岸环境中,这主要是因为海洋水质和河流水质不同,且水动力环境也不一样,现有的河流用人工浮岛不适应于海岸环境,且置于海岸环境中会使得后期维护麻烦,难以推广应用。
发明内容
发明目的:针对以上问题,本发明提出一种浮式水体净化人工岛,可以实现对海洋水质生态环境的改善,且投放布置及后期维护方便。
技术方案:本发明所述的一种浮式水体净化人工岛,包括浮体以及分别设置在所述浮体上的育藻格栅、锚泊设备、驱动设备、能源供给设备、遥控接收设备、用于控制锚泊设备和驱动设备运动的信号处理设备,所述锚泊设备包括依次连接的锚链控制电机、锚链控制电机传动装置、锚链轴、锚链和锚;所述驱动设备包括依次连接的螺桨控制电机、螺桨控制电机传动装置和螺桨;所述能源供给设备包括依次连接的太阳能电池板、太阳能电池板控制器和蓄电池;所述遥控接收设备包括遥控器和天线,与所述信号处理设备无线连接;所述蓄电池分别与所述锚链控制电机、螺桨控制电机和信号处理设备电连接。
优选的,所述育藻格栅安装在浮体上,保持下表面接触水,下表面接触空气,所述浮体的高度能够确保所述育藻格栅在正午时受阳光照射面积能达到80%,不会遮挡大部分的光线。
优选的,所述信号处理设备通过驱动接口驱动锚链控制电机和螺桨控制电机的转动,所述螺桨控制电机和锚链控制电机在转动的同时可以自行改变自己的转速,互相独立,互不影响。
优选的,所述遥控器包括方向遥控杆、电源开关、下锚起锚开关和遥控器供电电源,方向遥控杆可以用来控制人工岛的前进、后退、左移、右移。
优选的,所述浮体的内部中空,形成密封、防水的密封舱,所述信号处理设备、锚链控制电机、螺桨控制电机、太阳能电池板控制器和蓄电池均位于所述密封舱内。
优选的,还包括设置在所述螺桨外部的韧性防摔缓冲网,用于防止水草杂物对螺桨的干扰。
优选的,所述育藻格栅呈网状结构,为玻璃钢格栅。
优选的,在所述育藻格栅上种植高等藻,所述高等藻选自钢丝藻、鹿角藻或羽毛藻中的至少一种,进一步优选钢丝藻。
优选的,所述浮体的表面有防腐蚀涂层。
优选的,所述浮体的材质为聚苯乙烯,为轻质材料,在波浪作用下依然能漂浮在水面上;所述防腐蚀涂层的材质为高密度聚乙烯,可以保护浮体不受盐水的腐蚀。
优选的,所述锚为拖拽嵌入式锚,所述锚链和拖曳嵌入式锚由耐腐蚀材料制成,所述拖曳嵌入式锚是抓入泥土中的部分,当抛锚后,拖曳嵌入式锚在锚链的牵引下沉至水底,依靠拖曳嵌入式锚前部与土壤的摩擦力来抵抗外力,能够承受较大的水平力。锚泊时,需要使锚链的下端与海底相切,所述锚链的长度大于水深,在人工岛受到波浪等扰动的时候,锚链就会被拉动。
优选的,所述浮式水体净化人工岛可以设计成平缓的曲线、椭圆形、圆形、多边形等外型,用以配合沙滩的景观环境,突显滨海的岸线特色。
在水面建设人工岛,养殖藻类植物,一方面藻类植物可以提供水中生物所需的蛋白质、粗纤维、脂肪、矿物质、维生素等龙虾需要的营养物质;另一方面藻类植物通过光合作用,能有效地吸收水中的二氧化碳、硫化氢和其他无机盐,降低水中的氨氮,起到增加溶氧、净化、改善水质的作用,使水质保持新鲜、清爽,为游客提供适宜的水质环境。
有益效果:与现有技术相比,本发明的显著优点是:
(1)在近海靠岸的水体中直接布置人工岛,人工岛不受地形限制,结构简单,建设容易,成本低,不占用额外的沿海用地,可以有效去除沿海水体中的氮磷污染物,使其污染物浓度控制在安全范围以内,与其他治理污染措施相配合,可以达到维护和恢复生态环境的目的;
(2)本发明的人工岛充分利用太阳能,并且采用遥控器控制锚碇地点,投放布置方便,当浮体遭受海浪等作用而侵蚀,只需定期将人工岛收回修补即可继续投入使用,后期维护方便;
(3)根据需要,按季度定期收割充分吸收了水体中氮磷物质的高等藻,这些藻类可以投入其他生产线运作,具有一定的经济效益。
附图说明
图1是本发明在近海岸水体中的布置示意图;
图2是本发明的整体结构示意图;
图3是本发明密封舱内的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示,将若干个浮式水体净化人工岛3布置在近海岸的水体中,左侧为沙滩1,右侧为外海2。
如图2和3所示,浮式水体净化人工岛3,包括浮体4以及分别设置在浮体4上的育藻格栅5、锚泊设备、驱动设备、能源供给设备、遥控接收设备、用于控制锚泊设备和驱动设备运动的信号处理设备6。其中,锚泊设备包括依次连接的锚链控制电机7、锚链控制电机传动装置8、锚链轴9、锚链10和锚11;驱动设备包括依次连接的螺桨控制电机12、螺桨控制电机传动装置13和螺桨14;能源供给设备包括依次连接的太阳能电池板15、太阳能电池板控制器16和蓄电池17;遥控接收设备包括遥控器和天线18,与信号处理设备6无线连接;蓄电池17分别与锚链控制电机7、螺桨控制电机12和信号处理设备6电连接,用于提供电能。浮体4的内部中空,形成密封、防水的密封舱19,信号处理设备6、锚链控制电机7、螺桨控制电机12、太阳能电池板控制器16和蓄电池17均位于密封舱19内。
在本实施例中,所用的锚11为拖拽嵌入式锚,锚链10和锚11均采用耐腐蚀材料制成,当抛锚后,锚11在锚链10的牵引下沉至水底,依靠锚11前部与土壤的摩擦力来抵抗外力,能够承受较大的水平力。锚泊时,需要使锚链10的下端与海底相切,锚链10的长度大于水深,在浮式水体净化人工岛3受到波浪等扰动的时候,锚链10就会被拉动。在概念设计和基本设计阶段,针对给定的环境荷载和平台尺度等条件进行静力分析,按照标准对平台的锚泊设计进行评价,使锚泊设计满足全部要求。
锚泊定位分析方法有确定性静力分析、确定性动力分析、概率动力分析、锚泊定位系统合理分析方法。其中确定性静力分析方法计算简便,可满足一般精度要求,故在工程设计中被广泛应用。由于沙滩浴场波浪较为平稳,只考虑一般风况,环境条件温和,系泊形式简单,水深比较浅。因此锚泊设备采用静力法进行分析,计算浮体所受的平均载荷,根据悬链线方程和/或系泊系统受力-位移曲线将载荷在系泊系统之间进行分配。参考《API RP2SK浮式结构定位系统的设计与分析规范》,《API RP 2SM系泊链为合成纤维材料时的设计、制造、安装与维修规范》,《DNV Offshore Standard E301系泊定位规范》,《ABS浮式生产与安装规范》进行锚泊设备的设计。
可通过悬链线方程确定锚链10长度、重量和抛锚距离,锚链10的设计包括:
1、计算每个抛锚点与平台之间的距离;
2、确定锚链或锚缆长度;
3、确定单位长度重量;
4、确定断裂强度;
锚11的重量根据下式计算得:
W=F/K (1)
其中,W为锚的重量,F为全部外力的合力,K为锚的抓重比,作用在平台上的外力包括风力、波浪力、海流力,K需要根据土质确定。
螺桨控制电机12设计为造成微短路电机才会动,用以防止空转,因电机功率大,空转容易伤到人和空转发热快,避免造成伤害。螺桨控制电机12和锚链控制电机7可以采用步进电机,步进电机包含电源接口、电机接口、以及控制信号接口,由蓄电池17提供电能,由信号处理设备6的信号控制运作方式。螺桨控制电机传动装置13和锚链控制电机传动装置8有直接传动和间接传动两种形式:直接传动就是用联轴器或者齿轮带动电机转动,用齿轮做连接就是通过电机的轴用齿轮啮合的方式跟外围设备的齿轮相连接;间接传动就是皮带,离合器带动电机转动,皮带连接,就在电机的轴上加皮带轮,用皮带和外围设备作连接。
太阳能电池板15的电能先经过太阳能电池板控制器16,再输入蓄电池17中储存。蓄电池17为锚泊设备、驱动设备和信号处理设备6提供电能。利用太阳能作为动力源对人工岛进行供电,节约能源。太阳能电池板15的充满时间计算方式如下:
t=VC/P (2)
其中,t为充电时间,V为蓄电池电压,C为蓄电池容量,P为太阳能板的功率。如用100W的太阳能板,配合12V 100AH蓄电池,太阳比较充足情况下,大约是12小时左右。如12V100AH的蓄电池,不考虑损耗,充电量为1200W,1kW为1度电,即1.2度左右。
遥控器包括方向遥控杆、电源开关、下锚起锚开关、遥控器供电电源。用方向遥控杆来控制前进、后退、左移、右移。可以选用2.45Ghzs手柄遥控器,遥控距离可达500m左右,单机单频多人同场互不干扰。
信号处理设备6接收天线18发生来的程序指令,在进行数据处理后,通过驱动接口向驱动设备和锚泊设备发送命令,驱动螺桨控制电机12和锚链控制电机7转动,螺桨控制电机12和锚链控制电机7在转动的同时可以自行改变自己的转速,互相独立,互不影响。
为了防止水草杂物对螺桨14的干扰,在螺桨14的外部设置韧性防摔缓冲网20。
育藻格栅5呈网状,是藻类生长的栖息地,由耐腐蚀材料制成,高等藻21在育藻格栅5上繁殖生长。育藻格栅5可选择玻璃钢格栅,玻璃钢格栅轻质高强,耐老化,使用寿命一般在40~50年以上,耐腐蚀,永不生锈,使用周期长,免于维护;玻璃钢格栅板的密度不大于2,仅为钢材的1/4,铝材的2/3,其强度为硬质聚氯乙烯的10倍,强度超过铝材和普通钢的水平,在长期波浪作用下,也能抗冲击、抗压,不变形,有适度弹性,并且美观易保养,尺寸灵活多样;纯树脂凹面格栅具有防滑性能,磨砂表面防滑性能更加,有利于藻附着;一般采用孔距38×38mm、厚度25mm的玻璃钢,一立方米的重量为1.4吨至2.1吨,玻璃钢的复合材料主要成分是树脂及玻璃纤维,配合比不同,所得玻璃钢的密度就不同。
高等藻21的种类由当地滨海沙滩附近的水质测量结果确定,为达到最优的水质净化效果,可以由一种或多种藻构成,可以选择钢丝藻、鹿角藻、羽毛藻等,优先选用钢丝藻。钢丝藻对水质的要求低,极不容易出现白化死亡,当水受光照不足,钢丝藻仅仅会放慢速度;鹿角藻也少见白化死亡,对光照和水流的要求不高,生长速度快,一个月就能抓牢格栅并蔓延,对水质的要求也不高,生长过程能迅速吸收NO3-;羽毛藻生命力强,生长迅速,类似鹿角藻在生长时能生长出假根攀附格栅,但是对光照、水流和营养盐的要求较鹿角藻稍高,有时候容易出现白化死亡,红羽毛藻生长速度比绿羽毛藻要慢,但更好养殖,很不容易出现白化。当高等藻21繁殖过旺、覆盖率超过70%时,需定期收割,不及时处理会引起水质恶化、水体发臭,引起水中生物大量死亡。为了保证藻类植物对水质高效改善,高等藻21的种植密度为30~40株/m2。
浮体4由轻质材料制作而成,在波浪作用下在能够漂浮海面上,在浮体4的表面有防腐蚀涂层22,防腐蚀涂层22材质坚固且可以保护浮体4不受盐水腐蚀。浮体4可以采用聚苯乙烯制成,防腐蚀涂层22材质采用高密度聚乙烯。聚苯乙烯的密度为18~30kg/m3,是很好的浮水材料,但聚苯乙烯在无保护面状态下使用时易燃,燃烧时会放出剧毒浓烟,而且会被水面汽油等碳氢化合物溶解腐蚀而减弱其浮力。外层的高密度聚乙烯可以保护内部的聚苯乙烯免受水面的碳氢化合物的溶解腐蚀以及着火燃烧的危害。高密度聚乙烯简称HDPE,具有抗紫外线、表面坚硬、拉力强、耐碰撞的优点,能有效防御长期的阳光暴晒、波浪冲击及盐水侵蚀;HDPE有利于生态环境保护,是100%完全回收再利用的真正绿色的环保材料。HDPE密度比重比水略轻,在设计的时候可以忽略其重量对整体承重的影响。浮体4浸没水中的体积决定了浮式水体净化人工岛3的承重。
本发明的浮式水体净化人工岛3具体工作过程是:在岸上,把浮式水体净化人工岛3装配好,并种植高等藻21。种植时,将浮式水体净化人工岛3靠泊到近岸,直接把高等藻21放在网状育藻格栅5上,用绳子或U形卡绑在育藻格栅5上,确保高等藻21与水接触,不随水流乱飘即可;然后将浮式水体净化人工岛3投放入水中,用遥控器将浮式水体净化人工岛3移动到合适的位置,将锚链10和锚11投放入水中,锚泊定位。通过人工培育高等藻,使其在格栅上其自行繁殖,从而消耗水体中的养分,减少漂浮在近岸水体中的藻类。滨海水体的自然生态环境离不开水中的绿色植物,这些植物直接影响水中生物的生长速度和丰富程度,在水面建设人工岛,养殖藻类植物,可以提供水中生物所需的蛋白质、粗纤维、脂肪、矿物质、维生素等龙虾需要的营养物质;藻类植物通过光合作用,能有效地吸收池塘中的二氧化碳、硫化氢和其他无机盐,降低水中的氨氮,起到增加溶氧、净化、改善水质的作用,使水质保持新鲜、清爽,为游客提供适宜的水质环境。
极少数量的高等藻21繁殖较快,在厚厚的藻下面,有些长期见不到阳光的藻会死亡,死去的高等藻21会危害水质,要定期收割,不可过厚,使得所有的藻都能充分获得来自上方的光照。在极少数情况下,水体中NO3-含量可能过低,会导致藻类白化,因此更要定期收割高等藻21,以免出现大量白化。通常在生长旺盛的季节,2~3周修剪一次,可以用遥控器将浮式水体净化人工岛3收回岸边收割。
另外,由于波浪的侵蚀,约半年需要检修维护一次,在过度破损的时候,通过遥控器将浮式水体净化人工岛3收回岸边进行替换。
需要说明的是,浮式水体净化人工岛3可以设计成平缓的曲线、椭圆形、圆形、多边形等外型,用以配合沙滩的景观环境,突显滨海的岸线特色,并不仅限于本实施例。
Claims (10)
1.一种浮式水体净化人工岛,包括浮体(4)以及分别设置在所述浮体(4)上的育藻格栅(5)、锚泊设备、驱动设备、能源供给设备、遥控接收设备、用于控制锚泊设备和驱动设备运动的信号处理设备(6),其特征在于,所述锚泊设备包括依次连接的锚链控制电机(7)、锚链控制电机传动装置(8)、锚链轴(9)、锚链(10)和锚(11);所述驱动设备包括依次连接的螺桨控制电机(12)、螺桨控制电机传动装置(13)和螺桨(14);所述能源供给设备包括依次连接的太阳能电池板(15)、太阳能电池板控制器(16)和蓄电池(17);所述遥控接收设备包括遥控器和天线(18),与所述信号处理设备(6)无线连接;所述蓄电池(17)分别与所述锚链控制电机(7)、螺桨控制电机(12)和信号处理设备(6)电连接。
2.根据权利要求1所述的浮式水体净化人工岛,其特征在于,所述信号处理设备(6)通过驱动接口驱动锚链控制电机(17)和螺桨控制电机(12)的转动。
3.根据权利要求1所述的浮式水体净化人工岛,其特征在于,所述遥控器包括方向遥控杆、电源开关、下锚起锚开关和遥控器供电电源。
4.根据权利要求1所述的浮式水体净化人工岛,其特征在于,所述浮体(4)的内部中空,形成密封舱(19),所述信号处理设备(6)、锚链控制电机(7)、螺桨控制电机(12)、太阳能电池板控制器(16)和蓄电池(17)位于所述密封舱(19)内。
5.根据权利要求1所述的浮式水体净化人工岛,其特征在于,还包括设置在所述螺桨(14)外部的韧性防摔缓冲网(20)。
6.根据权利要求1所述的浮式水体净化人工岛,其特征在于,所述育藻格栅(5)呈网状结构,为玻璃钢格栅。
7.根据权利要求6所述的浮式水体净化人工岛,其特征在于,在所述育藻格栅(5)上种植高等藻(21),所述高等藻(21)选自钢丝藻、鹿角藻或羽毛藻中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的浮式水体净化人工岛,其特征在于,所述浮体(4)的表面有防腐蚀涂层(22)。
9.根据权利要求8所述的浮式水体净化人工岛,其特征在于,所述浮体(4)的材质为聚苯乙烯,所述防腐蚀涂层(22)的材质为高密度聚乙烯。
10.根据权利要求1所述的浮式水体净化人工岛,其特征在于,所述锚(11)为拖拽嵌入式锚。
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