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温室水肥气一体化灌溉装置设计与优化

温室水肥气一体化灌溉装置设计与优化

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作者：王德哲河南农业大学

学位级别：硕士

水肥气一体化灌溉是集灌溉、施肥、加气于一体的新型农业灌溉技术,能够有效提高灌溉水资源利用率、促进作物生长并提升产量和品质。针对目前水肥气一体化灌溉装置各组件之间集成度低、移动不便、自动化程度低等问题,本研究提出了一种适... 详细信息

水肥气一体化灌溉是集灌溉、施肥、加气于一体的新型农业灌溉技术,能够有效提高灌溉水资源利用率、促进作物生长并提升产量和品质。针对目前水肥气一体化灌溉装置各组件之间集成度低、移动不便、自动化程度低等问题,本研究提出了一种适用于温室的水肥气一体化灌溉装置(简称一体化灌溉装置)。在本装置设计过程中,遵循高效节水、自动化控制、智能监测和反馈、多功能性和用户友好性等指导原则,集成了微气泡发生系统、移动平板车、施肥系统、增压泵、过滤器和控制系统等关键部件,旨在设计出一种便捷、高效、自动化程度高的水肥气一体化灌溉装置。控制系统设计包含硬件设计和软件设计,本装置使用西门子S7-1200型PLC作为硬件主控单元,配合各类传感器和执行器,实现了对关键灌溉指标的实时监测与调控。通过触摸屏和通讯设备,实现了人机交互和远程数据传输功能。在软件设计方面,基于TIA平台,采用梯形图和SCL语言开发了控制程序,并采用PID算法调节灌溉压力,实现了系统的自动化控制和智能化决策。为了验证温室水肥气一体化灌溉装置的整体性能,进行了试验。试验结果表明:装置设计合理,各部件协同工作良好,达到了预期效果。在加气性能测试中,探究了气液体积比和循环电动比例调节阀开度对装置加气性能的影响,并确定了气液体积比为15%、循环比例调节阀开度为17°时,设备运行稳定,加气效果显著。此外,为进一步优化微气泡发生系统的加气性能,针对单孔节流释放器结构简单、降压释能不彻底的问题进行了优化,基于TS型释放器的工作原理,设计了三种异形溶气释放器并进行了仿真分析。仿真结果表明,多喉管型释放器在压力分布和微气泡生成方面表现出较好的性能。进一步通过仿真分析出口尺寸和孔室角度对多喉管型释放器性能的影响,确定出口尺寸为2.0mm、孔室角度为80°为最优参数组合。同时为验证仿真结果的可靠性,利用3D打印技术制作多喉管型释放器样品,进行多喉管型释放器加气性能试验,结果表明:气液体积比为21%,循环比例调节阀为20°时,水中溶解氧含量最高,含氧量为12.5mg/L,此时灌溉流量为730L/h。在实际灌溉过程中,将气液体积比设为12%,循环比例调节阀为11°,可以在获得更大灌溉流量的同时避免损失过多的氧含量。相较于单孔节流释放器,经仿真优化过的多喉管型释放器最佳溶解氧量含量提升25%,水气体积比的临界值提升6%,循环比例调节阀开度的临界值提升3°,在保证溶解氧含量较佳的前提下,灌溉流量提升了21.67%。

关键词：水肥一体化加气灌溉溶气释气法微气泡 PLC

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新型微气泡发生装置在处理污染水体中的应用研究

新型微气泡发生装置在处理污染水体中的应用研究

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作者：田东伟重庆大学

学位级别：硕士

曝气系统不仅是污废水好氧生物处理的核心单元之一,也是受污染水体进行修复的重要手段,其充氧性能直接影响到微生物处理效果和运行能耗。本研究针对水处理领域,研发了一种高效、低耗的新型微气泡发生装置,通过气泡发生试验确定了气泡悬... 详细信息

曝气系统不仅是污废水好氧生物处理的核心单元之一,也是受污染水体进行修复的重要手段,其充氧性能直接影响到微生物处理效果和运行能耗。本研究针对水处理领域,研发了一种高效、低耗的新型微气泡发生装置,通过气泡发生试验确定了气泡悬浮时间、有效气液混合比及气泡直径等参数;通过清水充氧试验确定了饱和溶解氧浓度、标准氧总转移系数、充氧能力及氧利用率等参数。并考察了新型微气泡发生装置在城市污水、景观水体及黑臭水体中的处理修复效果。在此基础上运用层次分析法对新型微气泡发生装置和普通曝气装置进行评价研究,得出适宜该装置处理的水体,进一步探讨了新型装置的经济效益价值。本研究采用溶气释气法原理,研制了一种适用于水处理的新型微气泡发生装置。该装置摒弃传统溶气释气法所需要的大型溶气释气装置,并且采用自吸式进气方式,从而降低了整个装置的体积、能耗及成本造价。此外该装置采用压力流的出水方式,不仅能增强氧分压,提高氧传质效率,而且压力流具有对水体大分子污染物质切割细化的能力,从而使得微生物、污染物及溶解氧充分混合接触,微生物活性得以进一步增强,提高了对污染物质的去除能力。新型微气泡发生装置气泡发生试验结果表明,新型装置能够产生乳白色混合液,气泡悬浮时间为1分34秒,有效气液混合比5%,气泡直径小于72μm占产泡总量的50%。清水充氧试验结果表明,新型微气泡发生装置有较好的充氧性能,明显优于对比装置。新型微气泡发生装置进气量为1.5 L/min,饱和溶解氧为10.55 mg/L,标准氧总转移系数为0.4681,充氧能力(8)为0.0515 kg/h,氧利用率ε为37.47%。新型微气泡发生装置在处理黑臭水体、景观水体及景观水体试验中表明,新型微气泡发生装置曝气效果明显优于普通曝气装置,新型装置能够快速、有效改善城污染水体溶氧环境,使DO浓度维持在一个较高的水平。(1)黑臭水体曝气对比试验结果如下,微气泡曝气组的CODcr、NH-N、TP、TN、Geosmin去除率分别80%、72%、80%、10%、60%,DO浓度从0.41 mg/L提高到10.78mg/L,NO-N浓度先升高后降低、变化较小,NO-N浓度积累到9.87 mg/L;普通曝气组的CODcr、NH-N、TP、TN、Geosmin去除率分别为70%、58%、65%、10%、48%,DO浓度从0.41 mg/L提高到7.93 mg/L,NO-N浓度基本无变化,NO-N浓度积累到10.21 mg/L。(2)景观水体曝气对比试验结果如下,微气泡曝气组的CODcr、NH-N、TN、TP去除率分别70%、43%、30%、72%;DO浓度从0.41 mg/L提高到11.97mg/L,NO-N先升高后降低、变化较小,NO-N浓度积累到0.16 mg/L,Chl-a浓度积累到0.012 mg/L;普通曝气组的CODcr、NH-N、TN、TP去除率分别为50%、22%、18%、48%,DO浓度从10.2 mg/L提高到10.78 mg/L,NO-N浓度基本无变化,NO-N浓度积累到0.12 mg/L,Chl-a浓度积累到0.011 mg/L。(3)城市污水曝气对比试验结果如下,微气泡曝气组的CODcr、NH-N、TP、TN去除率分别71%、42%、58%、8%,DO浓度从0.41 mg/L提高到9.78 mg/L,NO-N浓度基本无变化,NO-N浓度积累到6.69 mg/L;普通曝气组的CODcr、NH-N、TP、TN去除率分别为54%、28%、39%、8%,DO浓度从0.41 mg/L提高到5.72 mg/L,NO-N浓度先升高后降低、变化较小,NO-N浓度积累到3.47 mg/L。本研究通过调查相关文献,并且结合了有关数据成果,构建了一套关于曝气装置的指标评价体系,然后通过层次分析法分别获得各指标的对应权重,最后对新型微气泡发生装置和普通曝气装置进行评价研究。新型微气泡处理黑臭水体、景观水体及城市污水总权值排序分别为第一位、第三位和第四位;普通曝气装置处理黑臭水体、景观水体及城市污水总权值排序分别为第二位、第五位和第六位。普通曝气装置虽然在机器成本价格和功率消耗及工作性能表现出优势,但在运行性能和处理效果方面表现较差,能效比较低。新型装置权值排序是优于普通曝气装置的,对于污水处理领域,新型装置有较大的应用空间。

关键词：新型微气泡发生装置曝气污染水体溶气释气法层次分析法

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