雷艷軍

摘要：對于日益發(fā)展的中國沿海地區(qū)，水資源污染，自來水質(zhì)量日益下降的問題，針對其水富營養(yǎng)化、重金屬含量高，特提出建立新型自來水廠的想法。首先利用生物能、紫根水葫蘆消除其富營養(yǎng)化、重金屬問題，再通過五層高效過濾，達到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，通過分兩條管道可減少資源的浪費。通過太陽能供能，本方案也提出了幾點可以提高效率的方法，如凸透鏡聚光，向著太陽轉(zhuǎn)。本方案可以減少開支，也為人們帶來便宜高質(zhì)量的水。

關(guān)鍵詞：紫根水葫蘆；五級高效過濾；兩條管道；生物能；太陽能

中圖分類號：G632.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1992-7711（2014）09-0137

一、研究背景及問題描述

水資源是人類生產(chǎn)和生活必不可少的自然資源，也是生物賴以生存的環(huán)境資源，隨著水資源危機的加劇和水環(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)境問題之一。在經(jīng)濟高度發(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)了缺水問題，由此可見，合理治理與再利用水資源不容小視。

水體中過量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)主要來自未加處理或處理不完全的工業(yè)廢水和生活污水、有機垃圾和家畜家禽糞便以及農(nóng)施化肥，其中最大的來源是農(nóng)田上施用的大量化肥。在人類活動的影響下，氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量進入湖泊、河口、海灣等緩流水體，引起藻類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，魚類及其他生物大量死亡的現(xiàn)象，該現(xiàn)象被稱為水體富營養(yǎng)化。

富營養(yǎng)化的防治是水污染處理中最為復(fù)雜和困難的問題，這是因為：1. 污染源的復(fù)雜性，導(dǎo)致水質(zhì)富營養(yǎng)化的氮、磷營養(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了困難；2. 營養(yǎng)物質(zhì)去除的高難度，至今還沒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、磷營養(yǎng)物質(zhì)。通常的二級生化處理方法只能去除30-50%的氮、磷。

富營養(yǎng)化會影響水體的水質(zhì)，會造成水的透明度降低，使得陽光難以穿透水層，從而影響水中植物的光合作用，可能造成溶解氧的過飽和狀態(tài)。溶解氧的過飽和以及水中溶解氧少，都對水生動物有害，造成魚類大量死亡。同時，因為水體富營養(yǎng)化，水體表面生長著以藍藻、綠藻為優(yōu)勢種的大量水藻，形成一層“綠色浮渣”，致使底層堆積的有機物質(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)生的生物毒素也會傷害魚類。因富營養(yǎng)化水中含有硝酸鹽和亞硝酸鹽，人畜長期飲用這些物質(zhì)含量超過一定標(biāo)準(zhǔn)的水，也會中毒致病。

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

未來將會面臨更大的水資源缺乏問題，不如現(xiàn)在就對其進行開發(fā)。

二、研究思路

1. 利用生物能紫根水葫蘆解決水體富營養(yǎng)化問題。2. 利用五級過濾凈水系統(tǒng)進一步凈化使水達到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。3. 利用太陽能供能系統(tǒng)。

三、解決方案及科技原理

新型自來水廠大體結(jié)構(gòu)

1. 紫根水葫蘆凈水池

巨紫根須小葉柄水葫蘆（簡稱“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長期系統(tǒng)的工程，也是一項艱難的工程，而藍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，必須有強勢種群，在自然條件下快速抑制藍藻，快速去除富營養(yǎng)物和重金屬，進行水體自凈，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，根多且長，根毛多，根系最長可達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）紫根水葫蘆對污染物的凈化以根面效應(yīng)削減回歸為主，生長轉(zhuǎn)化為輔，同等水域打撈生物量大幅減少。

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

（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)普通水葫蘆的生長特性，利用作物基因表型誘導(dǎo)調(diào)控表達技術(shù)，有針對性地對普通水葫蘆的特性加以誘導(dǎo)調(diào)控，使其具有十分發(fā)達的根系，能夠吸附藍藻并使其消亡，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，這項研究已取得突破性進展：據(jù)測試，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. 五級高效凈水系統(tǒng)

五級過濾凈水系統(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、有機毒物等，可過濾化學(xué)藥液、電鍍液、油類、乳液等、顏色及余氯。第一級：使用不銹鋼304，ψ50，厚0.5mm，20目過濾網(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，樹葉等稍大雜質(zhì)。第二級：使用75um聚丙烯濾芯.可有效過濾水源雜質(zhì)等.第三級：使用1um聚丙烯濾芯，可有效過濾水源中肉眼看不的細微雜質(zhì)、細菌、病毒等。第四級：使用UV燈殺菌，可有效殺死水源中細菌、病毒、霉菌孢子及水藻，殺菌效果達99.99%以上，剎菌強度達7.17*105cfu/ml。大腸桿菌 殺滅時間 0.36S 殺菌率99.99%。黑曲霉 殺滅時間 6.67S 殺菌率99.99%。藍綠藻 殺滅時間 40S 殺菌率99.99%。結(jié)核桿菌 殺滅時間 0.41S 殺菌率99.99%。輪狀病毒 殺滅時間 0.52S 殺菌率99.99%。乙肝病毒 殺滅時間 0.73S 殺菌率99.99%。綠藻 殺滅時間 1.22S 殺菌率99.99%。第五級：使用1um活性碳濾芯，可有效吸附水中異色，異味及有機毒物，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到飲用水的標(biāo)準(zhǔn)，使沿海地區(qū)再也不會喝到有沉淀，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)家們通過大型凸透鏡聚焦陽光，每平方厘米太陽能電池板可以達到230瓦功率。這個功率中有70瓦可轉(zhuǎn)化為有用功率，是常規(guī)太陽能電池的5倍。但最大的問題在于電池收集陽光會導(dǎo)致溫度過高，而溫度過高可能將電池熔化。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，以便芯片保持相對低的溫度。

（2）借鑒向日葵，迎著太陽吸光芒

為了進一步提高效率，想到了向日葵，永遠面向太陽，所以為其添加了中轉(zhuǎn)軸，可通過系統(tǒng)控制，有三種方案可選擇：①可以選擇人為控制方位；②通過統(tǒng)計，設(shè)定好每個點的位置（會受時節(jié)，氣候，天氣影響）；③利用光感器，設(shè)計一個系統(tǒng)對光感器傳回的數(shù)據(jù)進行分析，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，它的能量可以被金屬中某個電子全部吸收，電子吸收的能量足夠大，能克服金屬內(nèi)部引力做功，離開金屬表面逃逸出來，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)化為電能量的過程；其次，是形成電壓過程。有了電壓，就像筑高了大壩，如果兩者之間連通，就會形成電流的回路。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個電子，如果在純硅中摻入有5個電子的原子如磷原子，就成為帶負電的N型半導(dǎo)體；若在純硅中摻入有3個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，接觸面就會形成電勢差，成為太陽能電池。當(dāng)太陽光照射到P-N結(jié)后，空穴由N極區(qū)往P極區(qū)移動，電子由P極區(qū)向N極區(qū)移動，形成電流。多晶硅經(jīng)過鑄錠、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)過燒結(jié)，同時制成背電極，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（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

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

結(jié)束語：本方案通過合理的構(gòu)思，通過各方面清潔能源技術(shù)的綜合運用，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，但在實際運用中可能還會遇到未知困難。

（作者單位：陜西省西安交大陽光中學(xué) 710000）