建立新型自来水厂——生物能，太阳能解决沿海“缺水”问题

雷艳军

雷艳军

摘要：对于日益发展的中国沿海地区，水资源污染，自来水质量日益下降的问题，针对其水富营养化，重金属含量高特提出此新型自来水厂的想法，首先利用生物能，紫根水葫芦消除其富营养化，重金属问题，再通过五层高效过滤，达到饮用水标准，通过分两条管道可减少资源的浪费，通过太阳能供能，本方案也提出几点可以提高效率的方法，如凸透镜聚光，向着太阳转。本方案可以减少开支，也为人们带来便宜高质量的水。

关键词：紫根水葫芦；五级高效过滤；两条管道；生物能；太阳能

一、研究背景及问题描述

水资源是人类生产和生活必不可少的自然资源，也是生物赖以生存的环境资源，随着水资源危机的加剧和水环境质量的不断恶化，水资源短缺已演变成世界备受关注的资源环境问题之一。在经济高度发展的沿海地区，河流等水资源污染也愈发严重，使其出现了缺水问题，由此可见，合理治理与再利用水资源不容小视。

水体中过量的氮、磷等营养物质主要来自未加处理或处理不完全的工业废水和生活污水、有机垃圾和家畜家禽粪便以及农施化肥，其中最大的来源是农田上施用的大量化肥。在人类活动的影响下，氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，出现水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象，该现象被称为水体富营养化。

富营养化的防治是水污染处理中最为复杂和困难的问题，这是因为：1.污染源的复杂性，导致水质富营养化的氮、磷营养物质，既有天然源，又有人为源；既有外源性，又有内源性。这就给控制污染源带来了困难；2.营养物质去除的高难度，至今还没有任何单一的生物学、化学和物理措施能够彻底去除废水的氮、磷营养物质。通常的二级生化处理方法只能去除30-50%的氮、磷。

富营养化会影响水体的水质，会造成水的透明度降低，使得阳光难以穿透水层，从而影响水中植物的光合作用，可能造成溶解氧的过饱和状态。溶解氧的过饱和以及水中溶解氧少，都对水生动物有害，造成鱼类大量死亡。同时，因为水体富营养化，水体表面生长着以蓝藻、绿藻为优势种的大量水藻，形成一层“绿色浮渣”，致使底层堆积的有机物质在厌氧条件分解产生的有害气体和一些浮游生物产生的生物毒素也会伤害鱼类。因富营养化水中含有硝酸盐和亚硝酸盐，人畜长期饮用这些物质含量超过一定标准的水，也会中毒致病。

在形成“绿色浮渣”后，水下的藻类会因得不到阳光照射而呼吸水内氧气，不能进行光合作用。水内氧气会逐渐减少，水内生物也会因氧气不足而死亡。死去的藻类和生物又会在水内进行氧化作用，这时水体也会变得很臭，水资源也会被污染得不可再用。

未来将会面临更大的水资源缺乏问题，不如现在就对其进行开发。

二、研究思路

1.利用生物能紫根水葫芦解决水体富营养化问题。2.利用五级过滤净水系统进一步净化使水达到饮用水标准。3.利用太阳能供能系统。

三、解决方案及科技原理

新型自来水厂大体结构

1.紫根水葫芦净水池

巨紫根须小叶柄水葫芦(简称“紫根水葫芦”)在净化水污染中所发挥出的重大作用。众所周知,地表水污染治理是一个长期系统的工程，也是一项艰难的工程，而蓝藻治理更是

水污染治理中的难中之难。而紫根水葫芦可以吸附蓝藻，氮磷等元素，净化水质，是湖泊、城市河道生态修复的先锋植物。

(1)对紫根水葫芦的介绍

紫根水葫芦就是由普通水葫芦经生物诱导调控形成的。紫根水葫芦能有效防止藻患，必须有强势种群，在自然条件下快速抑制蓝藻，快速去除富营养物和重金属，进行水体自净，恢复重建水体生态系统。大小只有普通水葫芦的1/4～1/7，但根系十分发达，根多且长，根毛多，根系最长可达1米以上，比普通水葫芦的根多出三四倍，根与柄叶生物量比普通水葫芦高出20余倍。

(2)紫根水葫芦种植25天后，原根微生物量增加为新根的250～1500倍。

(3)紫根水葫芦对污染物的净化以根面效应削减回归为主，生长转化为辅，同等水域打捞生物量大幅减少。

(4)氮超过100mg/L的条件下，紫根水葫芦生长未见明显受抑，Ⅱ类水中也能较正常生长。

(5)紫根水葫芦具有快速持续削减总氮、总磷、COD等能力。紫根水葫芦是他根据普通水葫芦的生长特性，利用作物基因表型诱导调控表达技术，有针对性地对普通水葫芦的特性加以诱导调控，使其具有十分发达的根系，能够吸附蓝藻并使其消亡，将水体变清。

(6)紫根水葫芦根系一年内基本不腐烂，叶片枯死根系仍可保持3～4个月以上的抑藻作用。

(7)紫根水葫芦完成治理任务后，打捞上岸，将其根部晒干，制成干根粉，再次投放水体，能快速高效吸附水体中有毒有害重金属。目前，这项研究已取得突破性进展:据测试，每公斤干根粉最多可吸附131克铅、80克镉、8.6克砷、180克锰。

2.五级高效净水系统

五级过滤净水系统，采用紫外线UV杀菌技术，可有效去除不同水源中的泥粉、铁锈等杂物及水中微小霉菌、微虫、有机毒物等,可过滤化学药液、电镀液、油类、乳液等、颜色及余氯。第一级：使用不锈钢304,ψ50,厚0.5mm，20目过滤网，将其安装于入水管前端，可有效去除水源中大的石头颗粒，树叶等稍大杂质。第二级：使用75um聚丙烯滤芯.可有效过滤水源杂质等.第三级：使用1um聚丙烯滤芯，可有效过滤水源中肉眼看不的细微杂质、细菌、病毒等。第四级：使用UV灯杀菌，可有效杀死水源中细菌、病毒、霉菌孢子及水藻，杀菌效果达99.99%以上，刹菌强度达7.17*105cfu/ml。大肠杆菌杀灭时间0.36S杀菌率

99.99%。黑曲霉杀灭时间6.67S杀菌率99.99%。蓝绿藻杀灭时间40S杀菌率99.99%。结核杆菌杀灭时间0.41S杀菌率99.99%。轮状病毒杀灭时间0.52S杀菌率99.99%。乙肝病毒杀灭时间0.73S杀菌率99.99%。绿藻杀灭时间1.22S杀菌率99.99%。第五级：使用1um活性碳滤芯，可有效吸附水中异色，异味及有机毒物，可去除水中的农药、臭味、异色。

结论：采用新的五步净化不仅能使水达到饮用水的标准，使沿海地区再也不会喝到有沉淀，味道不好的水了，在杀菌方面才用物理杀菌，能提高效率还能消除传统化学杀菌中有不利于人的副产品。

3.太阳能供能系统

(1)凸透镜提高效率降低成本

为了能更高效率地利用太阳能，想用放大镜的方法，搜集了相关资料，发现其可行性，科学家们通过大型凸透镜聚焦阳光，每平方厘米太阳能电池板可以达到230瓦功率。这个功率中有70瓦可转化为有用功率，是常规太阳能电池的5倍。但最大的问题在于电池收集阳光会导致温度过高，而温度过高可能将电池熔化。IBM的工程师利用在电脑芯片冷却技术方面的研发成果使太阳能电池的温度从1600摄氏度迅速降低到85摄氏度。工程师在太阳能电池芯片和冷却块之间放置了薄薄一层由镓和铟化合物制成的液态金属。这个名为热界面的液态金属层将电池芯片的热量转移到冷却块，以便芯片保持相对低的温度。

(2)借鉴向日葵，迎着太阳吸光芒

为了进一步提高效率，想到了向日葵，永远面向太阳，所以为其添加了中转轴，可通过系统控制，有三种方案可选择：1.可以选择人为控制方位；2.通过统计，设定好每个点的位置(会受时节，气候，天气影响)；3.利用光感器，设计一个系统对光感器传回的数据进行分析，确定最佳位置。

(3)光伏发电，其基本原理就是“光伏效应”

光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中某个电子全部吸收，电子吸收的能量足够大，能克服金属内部引力做功，离开金属表面逃逸出来，成为光电子。光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子(光波)转化为电子、光能量转化为电能量的过程;其次，是形成电压过程。有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。光伏发电的主要原理是半导体的光电效应。硅原子有4个电子，如果在纯硅中掺入有5个电子的原子如磷原子，就成为带负电的N型半导体；若在纯硅中掺入有3个电子的原子如硼原子，形成带正电的P型半导体。当P型和N型

结合在一起时，接触面就会形成电势差，成为太阳能电池。当太阳光照射到P－N结后，空穴

由N极区往P极区移动，电子由P极区向N极区移动，形成电流。多晶硅经过铸锭、破锭、切片等程序后，制作成待加工的硅片。在硅片上掺杂和扩散微量的硼、磷等，就形成P－N结。然后采用丝网印刷，将精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂一层防反射涂层，电池片就至此制成。电池片排列组合成电池组件，就组成了大的电路板。一般在组件四周包铝框，正面覆盖玻璃，反面安装电极。有了电池组件和其他辅助设备，就可以组成发电系统。为了将直流电转化交流电，需要安装电流转换器。发电后可用蓄电池存储(发电原理引用于百度百科光伏发电)

4.两条管道设计

为了减少资源的浪费，我们的方案是把水分了两个管道，经水葫芦处理的水质已达到较干净的水平，可以直接输送给用户，用于洗衣服，冲马桶等，价格也相对便宜，为用户节省一部分钱，再者，五层过滤后作为人们的饮用水。

结束语：本方案通过合理的构思，通过各方面清洁能源技术的综合运用，利用沿海地区的受污染的河水，转化为饮用水，能做到合理配置，低成本，生产出高质量的水，但在实际运用中可能还会遇到未知困难。

作者单位：陕西省西安交大阳光中学

邮政编码：710000