雷艷軍

摘要：對(duì)于日益發(fā)展的中國(guó)沿海地區(qū)，水資源污染，自來(lái)水質(zhì)量日益下降的問(wèn)題，針對(duì)其水富營(yíng)養(yǎng)化、重金屬含量高，特提出建立新型自來(lái)水廠的想法。首先利用生物能、紫根水葫蘆消除其富營(yíng)養(yǎng)化、重金屬問(wèn)題，再通過(guò)五層高效過(guò)濾，達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)分兩條管道可減少資源的浪費(fèi)。通過(guò)太陽(yáng)能供能，本方案也提出了幾點(diǎn)可以提高效率的方法，如凸透鏡聚光，向著太陽(yáng)轉(zhuǎn)。本方案可以減少開(kāi)支，也為人們帶來(lái)便宜高質(zhì)量的水。

關(guān)鍵詞：紫根水葫蘆；五級(jí)高效過(guò)濾；兩條管道；生物能；太陽(yáng)能

中圖分類(lèi)號(hào)：G632.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1992-7711（2014）09-0137

一、研究背景及問(wèn)題描述

水資源是人類(lèi)生產(chǎn)和生活必不可少的自然資源，也是生物賴(lài)以生存的環(huán)境資源，隨著水資源危機(jī)的加劇和水環(huán)境質(zhì)量的不斷惡化，水資源短缺已演變成世界備受關(guān)注的資源環(huán)境問(wèn)題之一。在經(jīng)濟(jì)高度發(fā)展的沿海地區(qū)，河流等水資源污染也愈發(fā)嚴(yán)重，使其出現(xiàn)了缺水問(wèn)題，由此可見(jiàn)，合理治理與再利用水資源不容小視。

水體中過(guò)量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要來(lái)自未加處理或處理不完全的工業(yè)廢水和生活污水、有機(jī)垃圾和家畜家禽糞便以及農(nóng)施化肥，其中最大的來(lái)源是農(nóng)田上施用的大量化肥。在人類(lèi)活動(dòng)的影響下，氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入湖泊、河口、海灣等緩流水體，引起藻類(lèi)及其他浮游生物迅速繁殖，出現(xiàn)水體溶解氧量下降，水質(zhì)惡化，魚(yú)類(lèi)及其他生物大量死亡的現(xiàn)象，該現(xiàn)象被稱(chēng)為水體富營(yíng)養(yǎng)化。

富營(yíng)養(yǎng)化的防治是水污染處理中最為復(fù)雜和困難的問(wèn)題，這是因?yàn)椋?. 污染源的復(fù)雜性，導(dǎo)致水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化的氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，既有天然源，又有人為源；既有外源性，又有內(nèi)源性。這就給控制污染源帶來(lái)了困難；2. 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除的高難度，至今還沒(méi)有任何單一的生物學(xué)、化學(xué)和物理措施能夠徹底去除廢水的氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。通常的二級(jí)生化處理方法只能去除30-50%的氮、磷。

富營(yíng)養(yǎng)化會(huì)影響水體的水質(zhì)，會(huì)造成水的透明度降低，使得陽(yáng)光難以穿透水層，從而影響水中植物的光合作用，可能造成溶解氧的過(guò)飽和狀態(tài)。溶解氧的過(guò)飽和以及水中溶解氧少，都對(duì)水生動(dòng)物有害，造成魚(yú)類(lèi)大量死亡。同時(shí)，因?yàn)樗w富營(yíng)養(yǎng)化，水體表面生長(zhǎng)著以藍(lán)藻、綠藻為優(yōu)勢(shì)種的大量水藻，形成一層“綠色浮渣”，致使底層堆積的有機(jī)物質(zhì)在厭氧條件分解產(chǎn)生的有害氣體和一些浮游生物產(chǎn)生的生物毒素也會(huì)傷害魚(yú)類(lèi)。因富營(yíng)養(yǎng)化水中含有硝酸鹽和亞硝酸鹽，人畜長(zhǎng)期飲用這些物質(zhì)含量超過(guò)一定標(biāo)準(zhǔn)的水，也會(huì)中毒致病。

在形成“綠色浮渣”后，水下的藻類(lèi)會(huì)因得不到陽(yáng)光照射而呼吸水內(nèi)氧氣，不能進(jìn)行光合作用。水內(nèi)氧氣會(huì)逐漸減少，水內(nèi)生物也會(huì)因氧氣不足而死亡。死去的藻類(lèi)和生物又會(huì)在水內(nèi)進(jìn)行氧化作用，這時(shí)水體也會(huì)變得很臭，水資源也會(huì)被污染得不可再用。

未來(lái)將會(huì)面臨更大的水資源缺乏問(wèn)題，不如現(xiàn)在就對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

二、研究思路

1. 利用生物能紫根水葫蘆解決水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題。2. 利用五級(jí)過(guò)濾凈水系統(tǒng)進(jìn)一步凈化使水達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。3. 利用太陽(yáng)能供能系統(tǒng)。

三、解決方案及科技原理

新型自來(lái)水廠大體結(jié)構(gòu)

1. 紫根水葫蘆凈水池

巨紫根須小葉柄水葫蘆（簡(jiǎn)稱(chēng)“紫根水葫蘆”）在凈化水污染中所發(fā)揮出的重大作用。眾所周知，地表水污染治理是一個(gè)長(zhǎng)期系統(tǒng)的工程，也是一項(xiàng)艱難的工程，而藍(lán)藻治理更是水污染治理中的難中之難。而紫根水葫蘆可以吸附藍(lán)藻，氮磷等元素，凈化水質(zhì)，是湖泊、城市河道生態(tài)修復(fù)的先鋒植物。

（1）對(duì)紫根水葫蘆的介紹

紫根水葫蘆就是由普通水葫蘆經(jīng)生物誘導(dǎo)調(diào)控形成的。紫根水葫蘆能有效防止藻患，必須有強(qiáng)勢(shì)種群，在自然條件下快速抑制藍(lán)藻，快速去除富營(yíng)養(yǎng)物和重金屬，進(jìn)行水體自凈，恢復(fù)重建水體生態(tài)系統(tǒng)。大小只有普通水葫蘆的1/4～1/7，但根系十分發(fā)達(dá)，根多且長(zhǎng)，根毛多，根系最長(zhǎng)可達(dá)1米以上，比普通水葫蘆的根多出三四倍，根與柄葉生物量比普通水葫蘆高出20余倍。

（2）紫根水葫蘆種植25天后，原根微生物量增加為新根的250～1500倍。

（3）紫根水葫蘆對(duì)污染物的凈化以根面效應(yīng)削減回歸為主，生長(zhǎng)轉(zhuǎn)化為輔，同等水域打撈生物量大幅減少。

（4）氮超過(guò)100mg/L的條件下，紫根水葫蘆生長(zhǎng)未見(jiàn)明顯受抑，Ⅱ類(lèi)水中也能較正常生長(zhǎng)。

（5）紫根水葫蘆具有快速持續(xù)削減總氮、總磷、COD等能力。紫根水葫蘆是他根據(jù)普通水葫蘆的生長(zhǎng)特性，利用作物基因表型誘導(dǎo)調(diào)控表達(dá)技術(shù)，有針對(duì)性地對(duì)普通水葫蘆的特性加以誘導(dǎo)調(diào)控，使其具有十分發(fā)達(dá)的根系，能夠吸附藍(lán)藻并使其消亡，將水體變清。

（6）紫根水葫蘆根系一年內(nèi)基本不腐爛，葉片枯死根系仍可保持3～4個(gè)月以上的抑藻作用。

（7）紫根水葫蘆完成治理任務(wù)后，打撈上岸，將其根部曬干，制成干根粉，再次投放水體，能快速高效吸附水體中有毒有害重金屬。目前，這項(xiàng)研究已取得突破性進(jìn)展：據(jù)測(cè)試，每公斤干根粉最多可吸附131克鉛、80克鎘、8.6克砷、180克錳。

2. 五級(jí)高效凈水系統(tǒng)

五級(jí)過(guò)濾凈水系統(tǒng)，采用紫外線UV殺菌技術(shù)，可有效去除不同水源中的泥粉、鐵銹等雜物及水中微小霉菌、微蟲(chóng)、有機(jī)毒物等，可過(guò)濾化學(xué)藥液、電鍍液、油類(lèi)、乳液等、顏色及余氯。第一級(jí)：使用不銹鋼304，ψ50，厚0.5mm，20目過(guò)濾網(wǎng)，將其安裝于入水管前端，可有效去除水源中大的石頭顆粒，樹(shù)葉等稍大雜質(zhì)。第二級(jí)：使用75um聚丙烯濾芯.可有效過(guò)濾水源雜質(zhì)等.第三級(jí)：使用1um聚丙烯濾芯，可有效過(guò)濾水源中肉眼看不的細(xì)微雜質(zhì)、細(xì)菌、病毒等。第四級(jí)：使用UV燈殺菌，可有效殺死水源中細(xì)菌、病毒、霉菌孢子及水藻，殺菌效果達(dá)99.99%以上，剎菌強(qiáng)度達(dá)7.17*105cfu/ml。大腸桿菌 殺滅時(shí)間 0.36S 殺菌率99.99%。黑曲霉 殺滅時(shí)間 6.67S 殺菌率99.99%。藍(lán)綠藻 殺滅時(shí)間 40S 殺菌率99.99%。結(jié)核桿菌 殺滅時(shí)間 0.41S 殺菌率99.99%。輪狀病毒 殺滅時(shí)間 0.52S 殺菌率99.99%。乙肝病毒 殺滅時(shí)間 0.73S 殺菌率99.99%。綠藻 殺滅時(shí)間 1.22S 殺菌率99.99%。第五級(jí)：使用1um活性碳濾芯，可有效吸附水中異色，異味及有機(jī)毒物，可去除水中的農(nóng)藥、臭味、異色。

結(jié)論：采用新的五步凈化不僅能使水達(dá)到飲用水的標(biāo)準(zhǔn)，使沿海地區(qū)再也不會(huì)喝到有沉淀，味道不好的水了，在殺菌方面才用物理殺菌，能提高效率還能消除傳統(tǒng)化學(xué)殺菌中有不利于人的副產(chǎn)品。

3. 太陽(yáng)能供能系統(tǒng)

（1）凸透鏡提高效率降低成本

為了能更高效率地利用太陽(yáng)能，想用放大鏡的方法，搜集了相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)其可行性，科學(xué)家們通過(guò)大型凸透鏡聚焦陽(yáng)光，每平方厘米太陽(yáng)能電池板可以達(dá)到230瓦功率。這個(gè)功率中有70瓦可轉(zhuǎn)化為有用功率，是常規(guī)太陽(yáng)能電池的5倍。但最大的問(wèn)題在于電池收集陽(yáng)光會(huì)導(dǎo)致溫度過(guò)高，而溫度過(guò)高可能將電池熔化。IBM的工程師利用在電腦芯片冷卻技術(shù)方面的研發(fā)成果使太陽(yáng)能電池的溫度從1600攝氏度迅速降低到85攝氏度。工程師在太陽(yáng)能電池芯片和冷卻塊之間放置了薄薄一層由鎵和銦化合物制成的液態(tài)金屬。這個(gè)名為熱界面的液態(tài)金屬層將電池芯片的熱量轉(zhuǎn)移到冷卻塊，以便芯片保持相對(duì)低的溫度。

（2）借鑒向日葵，迎著太陽(yáng)吸光芒

為了進(jìn)一步提高效率，想到了向日葵，永遠(yuǎn)面向太陽(yáng)，所以為其添加了中轉(zhuǎn)軸，可通過(guò)系統(tǒng)控制，有三種方案可選擇：①可以選擇人為控制方位；②通過(guò)統(tǒng)計(jì)，設(shè)定好每個(gè)點(diǎn)的位置（會(huì)受時(shí)節(jié)，氣候，天氣影響）；③利用光感器，設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)對(duì)光感器傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定最佳位置。

（3）光伏發(fā)電，其基本原理就是“光伏效應(yīng)”

光子照射到金屬上時(shí)，它的能量可以被金屬中某個(gè)電子全部吸收，電子吸收的能量足夠大，能克服金屬內(nèi)部引力做功，離開(kāi)金屬表面逃逸出來(lái)，成為光電子。光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。它首先是由光子（光波）轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)化為電能量的過(guò)程；其次，是形成電壓過(guò)程。有了電壓，就像筑高了大壩，如果兩者之間連通，就會(huì)形成電流的回路。光伏發(fā)電的主要原理是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。硅原子有4個(gè)電子，如果在純硅中摻入有5個(gè)電子的原子如磷原子，就成為帶負(fù)電的N型半導(dǎo)體；若在純硅中摻入有3個(gè)電子的原子如硼原子，形成帶正電的P型半導(dǎo)體。當(dāng)P型和N型結(jié)合在一起時(shí)，接觸面就會(huì)形成電勢(shì)差，成為太陽(yáng)能電池。當(dāng)太陽(yáng)光照射到P-N結(jié)后，空穴由N極區(qū)往P極區(qū)移動(dòng)，電子由P極區(qū)向N極區(qū)移動(dòng)，形成電流。多晶硅經(jīng)過(guò)鑄錠、破錠、切片等程序后，制作成待加工的硅片。在硅片上摻雜和擴(kuò)散微量的硼、磷等，就形成P-N結(jié)。然后采用絲網(wǎng)印刷，將精配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經(jīng)過(guò)燒結(jié)，同時(shí)制成背電極，并在有柵線的面涂一層防反射涂層，電池片就至此制成。電池片排列組合成電池組件，就組成了大的電路板。一般在組件四周包鋁框，正面覆蓋玻璃，反面安裝電極。有了電池組件和其他輔助設(shè)備，就可以組成發(fā)電系統(tǒng)。為了將直流電轉(zhuǎn)化交流電，需要安裝電流轉(zhuǎn)換器。發(fā)電后可用蓄電池存儲(chǔ)（發(fā)電原理引用于百度百科光伏發(fā)電）

4. 兩條管道設(shè)計(jì)

為了減少資源的浪費(fèi)，我們的方案是把水分了兩個(gè)管道，經(jīng)水葫蘆處理的水質(zhì)已達(dá)到較干凈的水平，可以直接輸送給用戶，用于洗衣服，沖馬桶等，價(jià)格也相對(duì)便宜，為用戶節(jié)省一部分錢(qián)，再者，五層過(guò)濾后作為人們的飲用水。

結(jié)束語(yǔ)：本方案通過(guò)合理的構(gòu)思，通過(guò)各方面清潔能源技術(shù)的綜合運(yùn)用，利用沿海地區(qū)的受污染的河水，轉(zhuǎn)化為飲用水，能做到合理配置，低成本，生產(chǎn)出高質(zhì)量的水，但在實(shí)際運(yùn)用中可能還會(huì)遇到未知困難。

（作者單位：陜西省西安交大陽(yáng)光中學(xué) 710000）