農(nóng)村新型太陽能水處理簡易裝置試驗研究

李王成，董亞萍，李 晨，王雙濤

（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏 銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川 750021）

1 引言

微咸水是礦化度為（2～5）g/L 的含鹽水，鹽漬化土壤其地下水、地表坑塘、洼淀積水等多數(shù)都是咸水或微咸水[1]。水是生命之源，生產(chǎn)之要，生態(tài)之基。大量研究和實踐證明：在缺水但微咸水資源相對豐富的地域，尤其是在北方干旱地區(qū)或遇干旱年份，科學(xué)利用微咸水，對于解決淡水資源稀缺，增加農(nóng)耗水源，抗旱增產(chǎn)有著重要作用，有益于地下水資源循環(huán)更新，淡水資源存儲和生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護。特別強調(diào)的是，我國干旱區(qū)貧困居民長期飲用微咸水會增加患病幾率，對身體非常不利。淡化處理微咸水獲得新水源是緩解淡水資源緊缺的有效途徑之一[2]，處理后的水可用于農(nóng)林灌溉[3]，人畜飲用，水產(chǎn)養(yǎng)殖[4]，生態(tài)環(huán)境用水等，減輕淡水資源短缺的壓力，降低地下水位[5]，實現(xiàn)微咸水利用“科學(xué)環(huán)保、高效安全”的理念。

淡化處理微咸水是可持續(xù)開發(fā)利用微咸水的必要前提。目前，國內(nèi)常用的微咸水淡化處理技術(shù)有蒸餾法、電滲析法、反滲透法、冷凍法、電吸附法和納濾法[6]。以上處理技術(shù)中大多需要能源支持，因此，利用太陽能供能受到青睞，太陽能微咸水淡化技術(shù)的主要優(yōu)點是：減少或不再使用有限的不可再生能源，不會對環(huán)境造成二次污染，現(xiàn)有太陽能水處理裝置[7-8]取得一定的成果。那么，如何使太陽能供能方式在寧夏中部干旱帶村鎮(zhèn)更經(jīng)濟、高效和環(huán)境友好是此項技術(shù)在寧夏得以推廣的關(guān)鍵問題之一。結(jié)合寧夏地域特點及寧夏中部干旱帶村鎮(zhèn)的特點，利用當(dāng)?shù)刎S富的日照資源，選擇結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的蒸餾淡化技術(shù)，采用太陽能供能方式進行地下微咸水淡化處理，盡可能的降低制水成本，以期緩解寧夏淡水資源短缺、實現(xiàn)節(jié)能降耗和資源持續(xù)高效利用。

2 裝置設(shè)計原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 裝置設(shè)計原理

農(nóng)村新型太陽能水處理簡易裝置是一種利用太陽能和蒸餾法進行水鹽分離的裝置。

2.2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 半球系列裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

半球系列農(nóng)村新型太陽能水處理簡易裝置包括供能裝置、自動供給水輔助裝置、蒸發(fā)冷凝裝置和輔助冷凝收集裝置四部分。此裝置利用凸透鏡組聚熱、吸熱材料（黑漆）吸熱和自然光照來收集光熱資源，為自制雙層保溫圓筒提供熱能，對自制雙層保溫圓筒中的被處理對象進行加熱升溫、蒸發(fā)冷凝、水鹽分離淡化處理，風(fēng)扇制冷裝置、震動裝置幫助加速水滴凝結(jié)速率，水汽混合物通過匯流裝置匯集在集水器中，獲得可供灌溉水、生活清潔用水等，輔助供水裝置可實現(xiàn)供水自動化。半球系列農(nóng)村新型太陽能水處理簡易裝置示意圖，如圖1 所示。

圖1 半球系列農(nóng)村新型太陽能水處理簡易裝置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of a New Type of Solar Water Treatment Simple Device for Hemisphere Series in Rural Areas

2.2.2 斜坡系列裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

斜坡系列農(nóng)村新型太陽能水處理簡易裝置包括供能裝置、自動供給水輔助裝置、蒸發(fā)冷凝裝置和輔助冷凝收集裝置四部分。裝置組成與半球系列裝置相同。斜坡系列農(nóng)村新型太陽能水處理簡易裝置示意圖，如圖2 所示。

圖2 斜坡系列農(nóng)村新型太陽能水處理簡易裝置示意圖Fig.2 Schematic Diagram of a New Type of Solar Water Treatment Simple Device in the Slope Series

3 試驗研究概況

3.1 試驗地概況

銀川市海拔在（1010～1150）m 之間，年平均氣溫8.5℃左右，年平均日照時數(shù)（2800～3000）h，年平均降水量200mm 左右，無霜期185 天左右。

3.2 試驗材料及方法

3.2.1 試驗材料

水處理簡易裝置（半球大：Φ=250mm，H=300mm；半球小：Φ=100mm，H=150mm；斜坡小：Φ=100mm，H=150mm），對照1 桶（黑漆鐵皮桶，亞克力半球蓋，Φ=250mm，H=300mm），電導(dǎo)儀，模擬微咸水，污水等。

3.2.2 試驗方法

在模擬不同濃度微咸水的條件下，加入定量微咸水（污水），進行水鹽分離實驗，探討微咸水淡化處理裝置對微咸水處理效果及效率。分析在不同溫控條件下水滴凝結(jié)速率及效率，并測試凝結(jié)前、凝結(jié)后微咸水與凝結(jié)水的鹽分濃度及八大離子含量，計算鹽分處理效率。試驗測定項目有溶液溫度，裝置附近氣溫，出水量，處理前后溶液電導(dǎo)率、總鹽及八大離子含量。

3.3 試驗結(jié)果與分析

3.3.1 溫度變化

各個裝置中溶液溫度日變化，如圖3 所示。從圖3 中，可以看出，各個裝置中溶液及裝置附近氣溫均在24h 內(nèi)呈現(xiàn)先逐漸增大后逐漸減小的趨勢，試驗開始前兩個小時增長速率最大，溫度最大值均分布在15：20，溫度在午后增長速度加快，整個曲線基本符合二次函數(shù)。裝置內(nèi)溶液溫度增長速度在（8：30～12：10）之間半球小＞斜坡小＞半球大＞對照1 桶，這可能由于裝置體積小在相同的環(huán)境溫度中，集熱快，散熱慢，需要加熱的水體積小，故而其溶液溫度較高，半球小的受熱面積大于斜坡小，故半球小內(nèi)溶液溫度最大；在（12：10～17：30）之間對照1 桶＞半球大＞半球小＞斜坡小，對照1 桶較大，這可能因為對照1 桶未做雙層處理直接受熱的原因。由此可得出初步確定裝置上部結(jié)構(gòu)優(yōu)選半球形狀可能更好集能。在為期5d 的試驗期間，通過持續(xù)觀察，2 種裝置中溶液溫度隨著裝置附近氣溫的增減而升高或下降，試驗期間，整體上呈現(xiàn)半球小內(nèi)溶液溫度大于斜坡小，如圖4 所示。由此可見，半球狀上部結(jié)構(gòu)在供能聚熱方面優(yōu)于斜坡。2 種裝置中溶液溫度隨著裝置附近氣溫的增減而升高或下降，整個試驗期間，半球大內(nèi)溶液溫度明顯大于半球小，如圖5 所示。由此可得，在半球系列中，隨著裝置尺寸的增大，裝置供能集熱能力增強，這是由于受熱面積增大，透鏡使用數(shù)量增多所致。增設(shè)對照1 桶驗證半球大供能集熱能力最優(yōu)的結(jié)論，2 種裝置中溶液溫度隨著裝置附近氣溫的增減而升高或下降，試驗期間，整體上呈現(xiàn)在增溫期間對照1 桶內(nèi)溶液溫度略大于半球大，這是由于，對照1 桶直接受熱，未做雙層保溫處理，故增溫速度大于半球大，如圖6 所示。在降溫期間半球大略大于對照1 桶，這是由于半球大散熱較對照1 桶慢，保溫效果較好。實際上，裝置手工制作不佳，使得裝置效果不盡人意。綜上所述，裝置的供能集熱能力與裝置上部結(jié)構(gòu)形狀、受熱面積、透鏡使用數(shù)量、保溫性能等有著密不可分的關(guān)系。綜合以上因素考慮，優(yōu)選半球大裝置。

圖3 溫度日變化趨勢Fig.3 Temperature Change Trend

圖4 半球小與斜坡小內(nèi)溶液溫度變化趨勢Fig.4 Trend of Temperature Change of Hemisphere Small and Slope Small Solution

圖5 半球系列溶液溫度變化趨勢Fig.5 Hemisphere Series Solution Temperature Change Trend

圖6 半球大與對照1 桶內(nèi)溶液溫度變化趨勢Fig.6 Trend of Solution Temperature in Hemisphere and Control 1 Barrel

3.3.2 出水量變化

半球小、斜坡小日出水高峰期在15：20，出水量最大值分別為為11ml 和9ml，二者出水量總體上呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢，中午（12：10）以前無出水量，主要因為僅有的出水量大量附著在結(jié)水面，出水管道中，不可收集，如圖7（a）、圖7（b）所示。二者累積日出水總量分別為20ml 和18ml，出水速度在不同時段大小不一，總體上出水速度較小。半球大、對照1 桶日出水高峰期同樣在15：20，如圖7（c）、圖7（d）所示。出水量最大值分別為49ml、40ml，二者出水量總體上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，出水量初始收集點10：30，初始出水量較小，一是因為此刻裝置在積溫階段，二是部分水量滯留在收集過程中，無法流出。二者累積日出水總量分別為108ml、94ml，午后出水速度最快，總體上，出水速度較低。綜上，現(xiàn)有試驗裝置及試驗外部條件的限制下，裝置日出水量半球大＞對照1 桶＞半球小＞斜坡小，裝置出水速度及出水量均偏低，從出水指標(biāo)上評選，半球大為最優(yōu)裝置。根據(jù)圖8 可知，在5d 試驗期間，半球大裝置累積日出水總量為108ml、68ml、99ml、105ml、85ml，總體上可保持在100ml 左右，第2 天和第5 天，由于天氣原因和一些人為因素導(dǎo)致累積日出水總量銳減。而半球小和斜坡小的累積日出水總量較小，總體上保持在20ml 左右，在出水量指標(biāo)的比較中，水平相當(dāng)。總之，相同條件下，結(jié)水面積越大，出水量越大，結(jié)水面積和出水量成正比，溶液溫度對出水量有較大影響。

圖7 出水量日變化趨勢Fig.7 Daily Variation of Water Output

圖8 累積日出水總量變化趨勢Fig.8 Trends in Cumulative Total Sunrise Water

3.3.3 處理后溶液電導(dǎo)率變化

三者電導(dǎo)率斜坡小＞半球小＞半球大，說明半球大的淡化處理效果最優(yōu)，如表1 所示。

表1 處理后電導(dǎo)率變化Tab.1 Conductivity Change After Treatment

3.3.4 處理水水質(zhì)檢測結(jié)果分析

為進一步檢驗本裝置（半球大）淡化處理微咸水的效果，取污水水樣、微咸水水樣、處理后污水水樣、處理后微咸水水樣，送寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心檢測水樣八大離子及總鹽量。水樣檢測結(jié)果，如表2 所示。

表2 水樣檢測結(jié)果Tab.2 Water Sample Test Results

根據(jù)此檢測結(jié)果可得，裝置（半球大）微咸水脫鹽率高達99.672%，八大離子去除效果明顯。生活污水脫鹽率高達98.970%，八大離子去除效果明顯。總的來說，本裝置可達水鹽分離、淡化處理的目的，且脫鹽效果明顯。

3.4 結(jié)論與展望

在現(xiàn)有實驗條件（天氣條件、制作工藝等因素）下，由試驗可得，本裝置水鹽分離效果較好，但在淡化處理效率上仍存在提升空間。這里裝置仍在樣機實驗階段，裝置本身仍存在一些問題有待解決。以下均是本裝置進一步改善的主要方向，本裝置供熱不足，需要提高熱利用率，尋求更高效的吸熱材料；裝置自動化程度有待加強，實現(xiàn)淡化處理全程自動智能化；本裝置清洗、保溫等細(xì)節(jié)，淡化處理后水質(zhì)還可進一步改善。

4 結(jié)語

淡化處理微咸水獲得新水源是緩解淡水資源緊缺的有效途徑之一，亦是可持續(xù)開發(fā)利用微咸水的必要前提。太陽能咸水淡化技術(shù)因其生態(tài)環(huán)保的特點，在未來會有巨大的研發(fā)潛力。本裝置可以對微咸水和夾雜鹽分的地面回收雨水進行水鹽分離，可以分批處理較小水量的生活污水，在節(jié)約用水的同時減少環(huán)境污染，主要適用于農(nóng)戶對微咸水等進行分散式處理后應(yīng)用于農(nóng)村家庭菜園、小型溫室灌溉和生活清潔用水。本裝置處于研發(fā)階段，自身仍需要進一步改善，未來將會形成更完善的技術(shù)產(chǎn)品，以本裝置為基礎(chǔ)的新一代裝置已完成設(shè)計工作，并申請為國家發(fā)明專利及實用新型專利[9-10]。