一种低频率超声波除藻装置及除藻方法与流程

1.本发明涉及水生态治理技术领域，特别是涉及一种低频率超声波除藻装置，还涉及采用所述除藻装置的除藻方法。


背景技术：

2.河流、湖泊、河口和近海的富营养化进程，导致藻类的大量繁殖和水华的形成。常见的水华优势种群包括蓝藻、绿藻、硅藻等微藻，有研究表明，全球范围内水华事件的发生频率升高，影响规模扩大，持续时间也越来越长，微藻通过异常增殖覆盖于水面，恶化水质，散发异味，降低溶氧，释放藻毒素，严重破坏了生态系统功能，对饮用水安全和人类健康构成巨大威胁。因此，控制和治理微藻水华，是江河湖库生态治理迫切需要解决的难题。
3.目前，除藻采用物理法、化学法、生物法或组合工艺法，但上述方法存在形成二次污染、工艺复杂、耗时费工和成本较高的缺点。超声波除藻技术因其经济高效、绿色环保等优点而具有广阔的市场前景，利用超声波在水中传播过程中产生的多种效应(如空化效应、机械效应及自由基氧化效应等)，对微藻细胞的伪空胞产生破坏，使其失去浮力下沉，进而抑制光合作用，最终导致藻类的凋亡。
4.然而，当下超声波除藻装置存在集成度低、超声参数不合理及使用不便等问题，并且在水中除藻作业时，需要外接岸上电源供电，一方面限制了作业区域，另一方面连续工作也带来了不必要的能耗。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对当下超声波除藻装置集成度低、超声参数不合理及使用不便的问题，提供一种低频率超声波除藻装置及除藻方法。
6.一种低频率超声波除藻装置，包括：
7.壳体，其包括浮体箱、固定安装在所述浮体箱箱底位置处的电极防护罩；
8.设置在壳体上的超声波组件，其包括固定安装在所述浮体箱内的蓄电池、 plc、超声波控制器和数据采集传输模块、固定安装在所述电极防护罩上的超声波换能器；
9.太阳能电池板，其固定安装在所述浮体箱上；以及
10.监测组件，其触发所述超声波组件对目标水体进行除藻；所述监测组件包括固定安装在所述浮体箱内的叶绿素a传感电极和蓝绿藻传感电极；
11.其中，所述数据采集传输模块用于接收监测组件的数据信息并反馈给所述 plc；所述plc用于判断当前数据信息并对所述超声波换能器发送指令。
12.上述除藻装置，智能化程度高，可对除藻过程实现精准控制，适用于微藻水华预防和治理，应用前景广阔。
13.在其中一个实施例中，所述电极防护罩的罩壁位置处贯穿开设有若干组通槽，若干组所述通槽呈环绕布置；
14.采用通槽设计使得电极防护罩呈镂空体，水体可通过以供叶绿素a传感电极和蓝
绿藻传感电极进行检测。
15.在其中一个实施例中，所述电极防护罩上开设有和所述超声波换能器相适配的安装槽。
16.在其中一个实施例中，所述太阳能电池板的数量为四组，四组所述太阳能电池板以所述浮体箱的纵轴线为中心两两对称布置，且太阳能电池板和所述浮体箱之间夹角的角度为四十五度。
17.在其中一个实施例中，所述叶绿素a传感电极和所述蓝绿藻传感电极的检测端暴露于所述电极防护罩内；所述太阳能电池板的输出端与所述蓄电池的输入端电性连接。
18.在其中一个实施例中，所述超声波控制器用于启动所述超声波换能器以发射超声波；
19.当所述数据信息低于设定阈值时，所述超声波换能器不启动，装置处于待机状态；当所述数据信息高于设定阈值时，所述超声波换能器启动，装置处于除藻作业状态。
20.在其中一个实施例中，所述除藻装置还包括固定安装在所述浮体箱上的警示灯、固定贯穿连接于所述浮体箱中心位置处的信号收发天线。
21.进一步地，所述警示灯位于所述信号收发天线的相对应一侧位置处，且信号收发天线电性连接于所述plc的输出端位置处。
22.一种除藻方法，包括如下步骤：
23.s1提供除藻装置；
24.s2将所述除藻装置放入含藻水体中，并设定工作时间；
25.s3所述除藻装置获取水体中的叶绿素a浓度和藻密度，并将所述实时数值传输到plc进行判断；
26.s4除藻装置中的超声波换能器启动发射超声波，进行除藻作业。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果是：可根据目标水域的叶绿素a浓度、藻密度等指标，智能化控制超声波换能器的启停及优化调整相关作业参数，可有效除藻控藻，此外，针对不同肇事藻种，还可人为设定超声作业参数，精准度高，解决了现有超声波除藻装置集成度低、结构复杂，能耗大、超声波作业参数组合不合理的问题。
附图说明
28.图1所示为本发明实施例1提供的一种低频率超声波除藻装置的主视图。
29.图2所示为图1的剖视图。
30.图3所示为图2中电极防护罩的结构示意图。
31.图4所示为本发明实施例2提供的一种除藻方法的流程图。
32.图5所示为本发明的除藻效果变化曲线图。
33.主要元件符号说明
34.1、浮体箱；2、电极防护罩；3、超声波换能器；4、太阳能电池板；5、警示灯；6、信号收发天线；7、蓄电池；8、plc；9、超声波控制器；10、数据采集传输模块；11、叶绿素a传感电极；12、蓝绿藻传感电极；13、安装槽。
35.以上主要元件符号说明结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
具体实施方式
36.下面结合附图对本发明进行详细的描述。
37.实施例1
38.请参阅图1-3，本实施例提供了一种低频率超声波除藻装置，其应用于水生生态系统微藻水华的治理中。除藻装置包括壳体、设置在壳体上的超声波组件、四组太阳能电池板4、固定安装在浮体箱1上的警示灯5、固定贯穿连接于浮体箱1中心位置处的信号收发天线6。
39.壳体包括浮体箱1、固定安装在浮体箱1箱底位置处的电极防护罩2。监测组件用于触发超声波组件对目标水体进行除藻，其包括固定安装在浮体箱1内的叶绿素a传感电极11(型号：杭州纳清光电科技有限公司osa-chla)和蓝绿藻传感电极12(型号：杭州纳清光电科技有限公司osa-cyano)。叶绿素a传感电极11和蓝绿藻传感电极12的检测端暴露于电极防护罩2内，本实施例，叶绿素a传感电极11和蓝绿藻传感电极12浸没在水面以下，通过叶绿素a传感电极11来实时监测目标水体的叶绿素a浓度，配合通过蓝绿藻传感电极12来实时监测目标水体的藻密度。电极防护罩2的罩壁位置处贯穿开设有若干组通槽，若干组通槽呈环绕布置，本实施例中，采用通槽设计使得电极防护罩2呈镂空体，从而使得水体可通过以供叶绿素a传感电极11和蓝绿藻传感电极12进行检测。
40.超声波组件包括固定安装在浮体箱1内的蓄电池7、plc8、超声波控制器9 (型号：杭州瑞利超声科技有限公司rlc-uc100)和数据采集传输模块10、固定安装在电极防护罩2上的两组超声波换能器3(型号：杭州瑞利超声科技有限公司rlc-uc100，水中作用距离约为150～200m)。警示灯5位于信号收发天线 6的相对应一侧位置处，且信号收发天线6电性连接于plc8的输出端位置处。本实施例中，蓄电池7、plc8、超声波控制器9可编程逻辑控制器以及数据采集传输模块10被封装固定于在浮体箱1内部的密封舱体中，达到防渗水保护的目的，保障电路部分的平稳工作，需要说明的是，本实施例采用两组蓄电池7，蓄电池7外接直流12v供电，电池容量为40ah，可满足除藻装置在阴雨天气连续工作2～3天的用电需求。电极防护罩2上开设有和超声波换能器3相适配的安装槽13，两组超声波换能器3通过对应安装槽13对称布置在电极防护罩2的相对应两侧位置处，本实施例中，基于安装槽13来提供超声波换能器3在电极防护罩2上的装配定位。
41.需要说明的是，本实施以两组超声波换能器3为例进行举例说明，在其他实施例中，可根据水域规模来增加超声波换能器3的数量以扩大超声波发射范围，此外，本实施例的除藻装置上也可加装gps模块(图未示)来对该装置的位置进行定位跟踪，为方便随时行驶至目标水域，也可在除藻装置上增加水下动力装置(图未示)，在此不做赘述。
42.超声波换能器3采用多模耦合方式拓宽工作频带，工作带宽超声波频率为 20～60khz，功率为10～25w，扫频周期8s，停8s，以此循环进行除藻作业。
43.太阳能电池板4固定安装在浮体箱1上，四组太阳能电池板4以浮体箱1 的纵轴线为中心两两对称布置，且太阳能电池板4和浮体箱1之间夹角的角度为四十五度，太阳能电池板4的输出端与蓄电池7的输入端电性连接。本实施例中，通过太阳能电池板4基于光电转换来作为供电体，使得装置于水中进行除藻作业时，不需外接岸上电源供电，扩大了作业区域，降低了能耗。
44.数据采集传输模块10用于接收监测组件的数据信息并反馈给plc8，plc8 用于判
断当前数据信息并对超声波换能器3发送指令。超声波控制器9用于启动超声波换能器3以发射超声波，本实施例中，基于超声波控制器9来启动超声波换能器3发射超声波进行除藻作业，此外，还可借助超声波控制器9来实时调节超声频率、超声功率、作业时间及作业频次等参数。当数据信息低于设定阈值时，超声波换能器3不启动，装置处于待机状态；当数据信息高于设定阈值时，超声波换能器3启动，装置处于除藻作业状态，此时，利用超声波在水中传播过程中产生的多种效应(如空化效应、机械效应及自由基氧化效应等)，对微藻细胞的伪空胞产生破坏，使其失去浮力下沉，进而抑制光合作用，最终导致藻类的凋亡以达到除藻的目的；当目标水体的叶绿素a浓度和藻密度降至阈值以下时，plc8停止发送指令，此时，超声波换能器3自动停止，以此往复，最终达到智能、高效以及低耗除藻控藻的目的。需要说明的是，本实施例的设定阈值经查表得到。
45.本实施例，通过设定特定的阈值，从而智能化的控制超声波换能器3的启停以及调整相关作业参数，配合数据采集传输模块10通过4g/5g网络将实时数据传输到智能终端(如pc、手机)，使得操作人员除实时掌握藻类监测数据外，还可远程对超声波作业参数进行设置及优化调整，最终实现低耗高效的除藻控藻。
46.综上，本实施例的除藻装置，相较于当下超声波除藻装置而言，具有如下优点：本实施例的除藻装置可根据目标水域的叶绿素a浓度、藻密度等指标，智能化控制超声波换能器3的启停及优化调整相关作业参数，可有效除藻控藻，此外，针对不同肇事藻种，还可人为设定超声作业参数，精准度高，解决了现有超声波除藻装置集成度低、结构复杂，能耗大、超声波作业参数组合不合理的问题。
47.实施例2
48.请参阅图4，本实施例提供了一种除藻方法，包括如下步骤：
49.s1提供除藻装置。
50.除藻装置为如实施例1所述的一种低频率超声波除藻装置。
51.s2将除藻装置放入含藻水体中，并设定工作时间。
52.通过除藻装置内搭载的plc8来进行工作时间的设定，为节约能耗，可将除藻装置设置为白天工作，夜间关闭，基于此，设置的工作时间为6:00～18:00。需要说明的是，在开放性水域作业时，可配合使用锚系对除藻装置加以固定，并且，可根据水域面积来联合使用多台除藻装置以覆盖更大的区域。
53.s3除藻装置获取水体中的叶绿素a浓度和藻密度，并将实时数值传输到 plc8进行判断。
54.在工作状态，除藻装置中叶绿素a传感电极11实时获取叶绿素a浓度，蓝绿藻传感电极12实时获取藻密度，通过数据采集传输模块10将实时数值传输到plc8进行判断，当实时数值高于设定阈值时，plc8发送指令，由超声波控制器9启动超声波换能器3发射不同频率超声波，进行除藻作业；当实时数值低于设定阈值时，超声波换能器3停止工作，除藻装置进入待机状态。阈值设定为叶绿素a浓度≥15μg/l或蓝绿藻密度≥1500万个/l。
55.s4除藻装置中的超声波换能器3启动发射超声波，进行除藻作业。
56.超声波换能器3采用多模耦合方式拓宽工作频带，工作带宽超声波频率为 20～60khz，功率为10～25w，扫频周期8s，停8s，以此循环进行除藻作业。
57.本实施例的除藻方法，其除藻效果评价操作如下：
58.步骤一、铜绿微囊藻的扩大培养；
59.将铜绿微囊藻种子液接种到盛满bg-11培养基的大型水箱中，bg-11培养基成分为：1.5g/l nano3、0.04g/l k2hpo4、0.075g/l mgso4.7h2o、0.036g/lcacl2.7h2o、0.02g/l na2co3、0.006g/l柠檬酸、0.006g/l柠檬酸铁铵、0.001g/ledta、1ml/l微量元素溶液a5。植物生长灯光照12h/天，培养温度为30℃，每天上午、下午分别搅拌1次，培养期间补充自来水保持体积恒定，待培养至对数生长期(藻密度达到103万个/ml)进行超声波除藻试验。
60.步骤二、除藻方法及相关参数；
61.将如实施例1的除藻装置于上述含有铜绿微囊藻的水体中，通过plc8设置工作时间为6:00～18:00。超声波换能器3启动的阈值设置为叶绿素a浓度≥15μg/l 或蓝绿藻密度≥1500万个/l。
62.步骤三、除藻效果；
63.请继续参阅图5，待处理水体的初始藻密度约为1.43
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104万个/l，叶绿素a 浓度为151.24μg/l，除藻装置按步骤二参数连续运行30天，藻密度降至4.80
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103万个/l，叶绿素a浓度降至48.75μg/l，除藻率约为66.44％，效果显著。这证明了本实施例的除藻方法，能够安全、经济、高效的去除和抑制水体中的微藻。
64.对于所涉及的各个部件的命名，以其在说明书中描述的功能作为命名的标准，而不受本发明所用到的具体的名词的限定，本领域的技术人员也可以选用其它的名词来描述本发明的各个部件名称。