本发明属于环保领域的水处理技术，特别涉及基于臭氧-超声复合技术的生态水体智慧管控系统和方法。
背景技术：
一切稳定存在的生态都是基于物质多样性以及它们之间相互影响和作用的动态平衡，生态水体自然也不例外。生态平衡的生态水体是水体内各种动、植物、微生物以其他非生命体物质以相互吃和被吃、吸收和被吸收的营养关系平衡。生态水体内的生态平衡不仅受生态水体内部多种生物和物质的影响，也受到水体之外大环境生物迁徙进入和物质进出的冲击和影响。
生态水体的管控，核心内容就是“生态平衡”的管控，即在生态水体因内部和外界原因造成生命和非生命体的容量超过了生态水体自身调控能力的时候，在生态崩溃前后通过人工管控的方式，用技术手段增减各种生物和物质的数量来促成或重建生态平衡。但是，长期以来，水处理行业在项目管理上和技术应用上一直都没有清晰区分生态水体管控以及生活和工农业污废水净化处理这两个相关但又有很大区别的概念。
生活和工农业污废水净化处理主要是为了达到国家制定的一系列水排放标准，而这些达标排放的水是不是适合在特定区域、时间和气候条件下的生态水体的水质要求并没有予以重视。造成这一现象的历史原因是中国的水污染源最引人瞩目是来自生活和工农业生产的污废水，同时由于资金投入和技术积累不足，让各级管理机构和研发部门不得不把注意力集中在这类污废水上。其次，由于两者都采用基本一致的物理、化学和生物原理来处理水中有机、无机、微生物等物质，即无外乎是氧化还原、降解分解、过滤清除、沉淀聚集和灭杀生物等技术(组合)途径，很容易造成一种把前者处理好了，生态水体也就能管控好了的认知，从观念上把水质对人体“干净无害”作为水处理的最高目标了。这个“最高目标”显然有缺陷，最接近生活的浅显实例是干净无害的家庭自来水，不能直接用来给家里的鱼缸换水。
当前主要的生态水体的处理技术手段主要包括：(1)引水置换方式：将外来的清洁水资源输入生态水体，使生态水体中各种污染物浓度降低。这种方法必须有充足的清洁水源作保证。引水置换方式的主要缺陷是受配套水资源、设施和政策的限制。(2)循环过滤方式：在需要净化的水体中，根据生态水体的大小和可能面临的污染，配套循环过滤所需的管线、电器、滤材等设施。循环过滤能消除水中的固体杂质而美化水体，但是对生态水体中危害最大的化学污染物和微生物毒害则没有消除作用。(3)投加化学药剂：是一种短平快的生态水体处理技术手段，能够针对不同的污染情况对症下药，能简单快捷地见效。投放化学药剂虽可以在一段时间内使生态水质净化美化，但久而久之，水中的有害生物会产生耐药性，化学药剂的效能会下降，间隔缩短，投放量增加。对于持续污染的生态水体，长期投放药剂必定带了新的污染问题，即对环境的二次污染而破坏生态平衡。(4)生物生态修复技术：是利用人为投放或者培育有益的生物种群，对生态水中污染物进行转化及降解，从而使水体水质得到恢复。这种技术是自然界恢复能力和自净能力的一种强化，是当前环保技术的研究开发热点。因为要使有益的生物种群能够生存并发挥净化美化水体的作用，仍离不开精心维护这些有益种群有效生存的生态水体环境，以此面对的日常管理难题与自然和人为破坏生态水体因素没有不同。此外，生物生态修复的时间长、效率低，往往需要巨大的缓冲蓄水池以满足生态修复必须的时间和空间。(5)清淤掏泥法清淤掏泥法式针对已经生态奔溃或处于奔溃边缘的生态水体进行的大动干戈“事后整治”手段，虽能短期恢复一定的水清洁要求，但是这种事后补救不能避免生态水体再次崩溃——因为再次摧毁生态平衡的内外条件一个都没减少。
众所周知，当前生态水体富养化失控的主要原因是生态水体中的氨氮和磷过高，其来源是广泛使用的磷酸氢二铵(nh4)2hpo4。磷酸氢二铵是电子、医药、消防阻燃剂等产品的重要原料，并且更加广泛地用作农业的主要化肥之一，即磷铵复合肥。同时，养殖业中还用它作为饲料添加剂。磷酸氢二铵易溶于水，能随着地表、地下水的对流、渗透而进入生态水体。磷酸氢二铵在水中生成氨(nh3·h2o)和磷酸根(包括po43-磷酸根、po32-亚磷酸根po2-次磷酸根)。消除生态水体中的磷历来是水体净化的最大难题之一。
曾有公开技术采用过氧化钙矿化磷酸根，生成不溶(难溶)于水的磷酸钙来消除水体中的磷。但是，过氧化钙cao2，是白色无气味结晶性粉末状无机物，在水体中只和无机物化合，这样需要被消除的磷酸根就不会和其他有机物去争夺化合了——有大量能吸附磷酸根的有机物就因为不但会吸收磷酸根，还吸附水体中其他多种有机物，使得消除磷酸根的作用被严重削弱而不能用于生态水体含磷量管控的实际应用。此外，磷酸氢二铵是氨氮和磷有固定比例的物质，在水溶液中分解为氨和磷酸根，如果磷酸根被矿化为磷酸钙而大幅度降低含量，同时铵(nh4oh，也就是nh3·h2o)和水中的二氧化碳又与过氧化钙中的钙离子生产难容于水的碳酸钙，释放出了oh-使水体ph值升高，导致打破了生态水体中氨氮和磷的平衡。氨氮比率大幅度提高，后果就是生态水体中的鱼虾类可能遭遇分子氨中毒死亡。(中国水产养殖网通报过数起“过氧化钙引起淡水鱼大量死亡”事件)。
由此可见，当前的生态水体处理并没有把“生态平衡”当成目标，而是局部的、短期的、针对个别水中物质的不全面净化。在有效消除氨氮、磷污染的同时还能保持生态水体内的生态平衡，是相关技术领域人员一直想要解决但始终无法找到解决方案的棘手难题。这正是本发明需要解决的技术问题。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于臭氧-超声复合技术的生态水体智慧管控系统和方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种基于臭氧-超声复合技术的生态水体智慧管控系统(waterecologyintelligentcontrolandmanagementsystem，简称weicoms)，包括用于水体净化处理的臭氧发生器和超声波设备；该系统还包括富磷消减装置，该装置设有用于装填过氧化钙固体粉末或过氧化钙溶液的容器，容器装有计量阀或计量泵，计量阀或计量泵的出口与排放管路相接；臭氧发生器、超声波设备和富磷消减装置均设置在水体附近，臭氧发生器的臭氧释放管路出口、超声波设备的换能器和富磷消减装置的排放管路出口均位于水体中；
该系统还包括间隔布置在水体中的多个水质传感器，每个水质传感器均配置了定位芯片、藻类生物监测仪、水质监测仪、nb-iot传输模块和控制器模块；定位芯片、藻类生物监测仪、水质监测仪和nb-iot传输模块分别与控制器模块相连，并由nb-iot传输模块通过nb-iot物联网络实现与智慧管控中心服务器之间的数据传输；控制器模块还通过信号线分别连接臭氧发生器的控制器、超声波设备的驱动电源，以及富磷消减装置的计量阀或计量泵，分别用于控制臭氧发生量、超声波功率和过氧化钙释放量。
本发明中，所述水质监测仪中设有用于监测水体的cod、氨氮、ph、盐度、温度、水流矢量和透光度数据的传感器。
本发明中，所述水质传感器具有杆状主体，所述水质监测仪至少有三套，间隔设置在杆状主体的上中下三段位置，用于监测水体的表层、中层和底层水质。
本发明中，所述控制器模块采用arm器件，并与用作本地存储器件的存储卡相连。
本发明中，所述富磷消减装置还接有进水管，在进水管上装有引水泵；进水管的入口位于水体中，从水体中引水来冲刷氧化钙固体粉末或过氧化钙溶液便从排放管路排至水体中(这是为了解决水中磷降低后带来的氨氮比例不正常上升问题)。
本发明中，所述智慧管控中心服务器是基于云端的大数据云计算服务器系统。
本发明进一步提供了利用前述系统的基于臭氧-超声复合技术的生态水体智慧管控方法，包括：
(1)在待治理管控的水域附近适当位置设置臭氧发生器、超声波设备和富磷消减装置，使臭氧发生器的臭氧释放管路出口、超声波设备的发射头和富磷消减装置的排放管路出口位于水体中；
(2)在待治理管控的水域中间隔布置一组或多组水质传感器，一套臭氧发生器、超声波设备和富磷消减装置与一组水质传感器相匹配，每组水质传感器中包括多个水质传感器；将杆状水质传感器底部插入水体底部的淤泥中并保持稳固，使水质传感器上的水质监测仪能够分别检测水体表层、中层和底层的水质；
(3)水质传感器利用其配置的定位芯片、藻类生物监测仪和水质监测仪，获取当前时间与定位数据、水体中的藻类分类鉴定和计数数据，以及水体中的cod、透明度、色度、含氧、硫、磷、氨氮数据；控制器模块将获得的数据存储于存储卡后，由nb-iot传输模块通过nb-iot物联网络传输至智慧管控中心服务器；
(4)智慧管控中心服务器接收各组水质传感器的数据后，根据预定规则进行数据的整理和比对后，通过nb-iot物联网络向指定的水质传感器发送操控指令；水质传感器的控制器模块根据操控指令的内容，分别向臭氧发生器、超声波设备或富磷消减装置发送控制信号，通过对臭氧发生器的控制器、超声波设备的驱动电源，以及富磷消减装置的计量阀或计量泵进行调控，实现臭氧发生量、超声波功率和过氧化钙释放量的控制；
(5)各组水质传感器实时地监测并向智慧管控中心服务器传送调控过程中水体中各项数据，由智慧管控中心服务器根据预定规则改变操控指令，通过逐步调整臭氧发生量、超声波功率和过氧化钙释放量来控制水体污染物的消减速度，缩小各项目的本地检测数据与预设指标之间的差值，最终使水体的各项数据符合预期控制目标。
本发明的步骤(4)中，所述根据预定规则进行数据的整理和比对是指，将各水质传感器中水质监测仪获得的数据和以及藻类生物监测仪获得的数据整理为指定参数规格，然后将其与各项目的预设控制指标进行比较。
发明原理描述：
1、本发明中的处理对象是生态水体，具体是指“多种动植物、微生物以及其他物质在一定自然条件下共存的水体”，可理解为水塘、湖泊、河流等水域。臭氧和超声都具有很强的氧化降解和灭杀水生生物和病原体的作用。如果把两者结合起来用于处理带有生物污染和有机化学污染的生态水体，产生的效果不是两者作用简单的叠加，而是相互具有促进放大的协同作用。因为臭氧在水中的溶解使得超声波介质的“空化效应”增强，其压缩－爆破水介质的振荡和挤压作用被放大；同时，超声波也提高了水分子的振荡活性，减小分子间的粘滞力，增强臭氧在水中溶解量和溶解速度。
使用过氧化钙的富磷消减技术依附于臭氧-超声复合技术的，这是本发明实现生态水体管控创新内容。所谓的依附是指，这三者必须紧密配合才能安全、可控地发挥除磷作用。如背景技术部分所述，富磷在被过氧化钙矿化后，进一步的分解和反应将产生难容于水的碳酸钙并释放出oh-使水体ph值升高，导致打破了生态水体中氨氮和磷的平衡。氨氮比率大幅度提高，后果就是水体虽得到净化但也不再是符合生物(特别是水体动物)生存的生态水体。通过本发明的三项技术有机结合，在使用过氧化钙消除磷酸根的同时，采用臭氧-超声产生的强氧化作用同时降解水中的氨氮使之成为氮气和水，可以完美解决上述问题。
2、本发明利用藻类的种群和数量作为生态平衡的指示是具有科研和实践依据：
藻类是是无胚而具有叶绿素的自养叶状体孢子植物，属于生态水体的初级生产者即食物链的第一环节，是有机物、无机物和生命体开始物质和生命循环的关键节点。在生态水体中，藻类遍布每一个区域，并且藻类的种类组成依赖于不同种类对环境变化的敏感性。同时，生态水体中的有机物、无机物、金属等物质在生态水体中的分布具有流通性和特异性，主要的分隔区域有陆地水岸、沉积物区、水体-沉积物界面、缝隙水体、生物区和空气-水体界面。因此，污染物的动态行为是受水体、气体、生物以及沉积物等综合条件的影响。藻类是水体食物网基础营养层，并且其分布和生态水体各种物质分布区域重合，因此藻类能够在第一时间反应出水体生态系统物质存量和变化的情况。
具体地说，就是若某一藻种对某种污染物比较敏感，当生态树体接触到该物质时，敏感的藻种首先受到影响，进而消失。另外，有些藻类对某些污染物所引起的环境变化具有一定耐受能力，其他藻类消失或大量减少后，耐受种类依然能够正常生存或受到较小影响，而成为优势种群。除此之外，较大型的藻类对水体中的重要毒物具有一定的吸收富集作用，长期监测这些水藻藻体中的成分变化有助于对水质起指示作用。因此，利用水体中藻类种群的组成，可以实现对水体污染物变化情况的监测。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明创新性地以“与臭氧-超声复合技术紧密结合的过氧化钙富磷消减装置”作为生态水管控系统的核心功能单元。在使用过氧化钙消除磷酸根的同时，利用臭氧-超声复合产生的强氧化作用同时降解水中的氨氮使之成为氮气和水，从根本上杜绝水处理过程生成对生态水系统具有负面影响的成分，保证了生态水体内的生态平衡不被破坏。
2、本发明创新地利用水体中藻类种群组成对水体污染物变化的指示作用，将安装于水体中的多个自动鉴定仪器的监测数据通过nb-iot途径传输至控制中心，并通过大数据云计算智慧化决策来控制生态水体水质控制设备运行状态，以“智慧反馈-控制在环”方式控制水体流动矢量、透光度，消除水中有害有机物、病源微生物和悬浮物，控制氨氮、硫、磷、二氧化碳水平，并吹除水中有害气体、降低有害金属物、增加含氧量等等生态要素，再以藻类的种群和数量的合理存在为智能算法终止规则，实现对水体生态多要素的实时全面有效管控。
3、本发明采用的技术线路不涉及使用可能带来二次污染或者对环境后续影响作用可疑的化学药剂。
4、操作简便、使用成本低廉且后勤工作非常简单。使用环境适应能力强，无论寒冷酷暑或者雨雪雾风天气设备都能正常运行使用。
5、占地面积小，能耗低。可使用固定工作站或者机动式、半机动工作站方式，即可以设备固定建造于生态水体附近持续工作，也可以机动运输至不同的地点，因地制宜开展生态水体管控。
6、使用范围广，功能强，即可以作为平时对生态水体的日常维护管控，也可以在意外环境灾害条件下对水体进行应急强化管控，如蓝藻水华爆发、非典、禽流感、猪流感等疾疫流行或者人为有害有机化学物不慎泄漏入水等特殊时期。
7、单位时间水处理能力可从每小时处理十几立方米到数千立方米酌情设计制造。相对于传统动辄十几、数十亿元投资的水处理技术，达到同样目的的臭氧-超声复合生态水体处理技术设备只有其微小一部分。
附图说明
图1为生态水体智慧管控技术的框架图。
具体实施方式
下面结合本发明的具体实施例子，对本发明的具体实施方式进行详细描述。
如图1所示，基于臭氧-超声复合技术的生态水体智慧管控系统包括用于水体净化处理的臭氧发生器和超声波设备，以及富磷消减装置。富磷消减装置设有用于装填过氧化钙固体粉末或过氧化钙溶液的容器，在容器底部装有计量阀或计量泵，计量阀或计量泵的出口与排放管路相接；考虑到加料效果，富磷消减装置还接有进水管，在进水管上装有引水泵；进水管的入口位于水体中，从水体中引水来冲刷氧化钙固体粉末或过氧化钙溶液便从排放管路排至水体中；循环的水流还可以在水体中形成循环对流，加强净化处理效果。臭氧发生器、超声波设备和富磷消减装置均设置在水体附近，臭氧发生器的臭氧释放管路出口、超声波设备的换能器和富磷消减装置的排放管路出口均位于水体中(图中仅示出富磷消减装置的进水管和排放管路)；本发明中，臭氧发生器、超声波设备可采用市售产品(例如青岛国林环保科技股份有限公司生产的臭氧发生器、杭州成功超声设备有限公司生产的超声波设备)。富磷消减装置可自制，也可采购市售零部件进行组装。
该系统还包括间隔布置在水体中的多个水质传感器，每个水质传感器均配置了定位芯片、藻类生物监测仪、水质监测仪、nb-iot传输模块和控制器模块；水质传感器具有杆状主体，水质监测仪至少有三套，间隔设置在杆状主体的上中下三段位置，用于监测水体的表层、中层和底层水质。定位芯片、藻类生物监测仪、水质监测仪和nb-iot传输模块分别与控制器模块相连，并由nb-iot传输模块通过nb-iot物联网络实现与智慧管控中心服务器之间的数据传输；控制器模块还通过信号线分别连接臭氧发生器的控制器、超声波设备的驱动电源，以及富磷消减装置的计量阀或计量泵，分别用于控制臭氧发生量、超声波功率和过氧化钙释放量。智慧管控中心服务器可以是基于云端的大数据云计算服务器系统(也可以是位于使用者本地的远端服务器)。
本作为应用示例，所述定位芯片可选用gps或北斗定位芯片；藻类生物监测仪可采用市售产品，如杭州万森探测科技有限公司生产的algaec多功能生物监测仪藻类计数智能鉴定仪。水质监测仪中设有用于监测水体的cod、氨氮、ph、盐度、温度、水流矢量和透光度数据的传感器，这些传感器均可采购市售产品。nb-iot传输模块具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点，非常适合监测数据的传输，可采用上海移远公司quectel的bc95；控制器模块可采用arm器件，并与用作本地存储器件的存储卡(如g字节、t字节大容量的可移除式存储设备)相连，存储卡中的数据将作为备份和追溯原始数据依据。
利用前述系统的基于臭氧-超声复合技术的生态水体智慧管控方法，包括以下步骤：
(1)在待治理管控的水域附近适当位置设置臭氧发生器、超声波设备和富磷消减装置，使臭氧发生器的臭氧释放管路出口、超声波设备的发射头和富磷消减装置的排放管路出口位于水体中；
(2)在待治理管控的水域中间隔布置一组或多组水质传感器，每一套臭氧发生器、超声波设备和富磷消减装置均与一组(或几组)水质传感器相匹配，每组水质传感器中包括多个水质传感器；将杆状水质传感器底部插入水体底部的淤泥中并保持稳固，使水质传感器上的水质监测仪能够分别检测水体表层、中层和底层的水质；
(3)水质传感器利用其配置的定位芯片、藻类生物监测仪和水质监测仪，获取当前时间与定位数据、水体中的藻类分类鉴定和计数数据，以及水体中的cod、透明度、色度、含氧、硫、磷、氨氮数据；控制器模块将获得的数据存储于存储卡后，由nb-iot传输模块通过nb-iot物联网络传输至智慧管控中心服务器；
(4)智慧管控中心服务器接收各组水质传感器的数据后，根据预定规则进行数据的整理和比对(即，将各水质传感器中水质监测仪获得的数据和以及藻类生物监测仪获得的数据整理为指定参数规格，然后将其与各项目的预设控制指标进行比较)，通过nb-iot物联网络向指定的水质传感器发送操控指令；水质传感器的控制器模块根据操控指令的内容，分别向臭氧发生器、超声波设备或富磷消减装置发送控制信号，通过对臭氧发生器的控制器、超声波设备的驱动电源，以及富磷消减装置的计量阀或计量泵进行调控，实现臭氧发生量、超声波功率和过氧化钙释放量的控制；
(5)各组水质传感器实时地监测并向智慧管控中心服务器传送调控过程中水体中各项数据，由智慧管控中心服务器根据预定规则改变操控指令，通过逐步调整臭氧发生量、超声波功率和过氧化钙释放量来控制水体污染物的消减速度，缩小各项目的本地检测数据与预设指标之间的差值，最终使水体的各项数据符合预期控制目标。
本发明中，智慧管控中心服务器可设置两套以上工业电脑互做备份，每套可有多台，用于控制/协调各方信令并做出智慧决策、永久保存并不断充实的大数据库及其备份。工业电脑作为服务器可以通过网络融入整个生态水体管控系统，成为反馈-控制的中枢，对生态水体处理设备进行远程智慧管控，报告和预警生态水体的水质情况，并和更高级别的大数据云计算智慧管控中心的计算机进行通讯，满足上级计算机调取信息、参与决策、扩充大数据库等等要求。
具体到生态水体水质处理设备的运行，就由工业电脑控制整个工作流程——引水泵由变频器带动，可调整单位时间处理的水量(由变频器通过rs485总线接入工业电脑接受指令)，过氧化钙的加药量、臭氧产量、超声设备的功率、辅助设备(如过滤装置或水体循环与鼓泡装置)的运行都由plc通过rs485总线接入工业电脑接受指令，以多档位调节输出效能，以满足生态水体多要素可控的要求。
生态水体智慧式管控系统可以大幅度减轻各级管理者从精神到体力的责任和压力，避免了环保工作中常见的“不能把工作贯彻完成到底”的窘境，避免了一般的远程监控“能收到情况报告但难以付出努力改变现状”的约束。同时，也降低了工作人员数量和开支，避免了管理机构内部责任不明确造成的行政和技术资源利用效率不高。因为生态水体整治和维护的工作责任已经由生态水体智慧式管控系统“自觉自愿”承担了，而且不把生态水体管控到一个满意的水平还永不停息。这是“过程环节正确导致最终工作成绩正确”的运行模式。由此可见，单个的生态水质智慧管控系统随着工作的发展不应单独存在，它该是更大区域生态智慧管控系统的一个组成部分——这个“更大”系统也将是“更更大”生态水体智慧管控系统的组成部分，最终实现从单点单个——小区域小群组——大群组大区域数据共享的高度专业化、集群化和社会化科学化的生态水体智慧式管控系统。