农村新型太阳能水处理简易装置试验研究

李王成，董亚萍，李 晨，王双涛

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，宁夏 银川 750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，宁夏 银川 750021）

1 引言

微咸水是矿化度为（2～5）g/L 的含盐水，盐渍化土壤其地下水、地表坑塘、洼淀积水等多数都是咸水或微咸水[1]。水是生命之源，生产之要，生态之基。大量研究和实践证明：在缺水但微咸水资源相对丰富的地域，尤其是在北方干旱地区或遇干旱年份，科学利用微咸水，对于解决淡水资源稀缺，增加农耗水源，抗旱增产有着重要作用，有益于地下水资源循环更新，淡水资源存储和生态环境建设与保护。特别强调的是，我国干旱区贫困居民长期饮用微咸水会增加患病几率，对身体非常不利。淡化处理微咸水获得新水源是缓解淡水资源紧缺的有效途径之一[2]，处理后的水可用于农林灌溉[3]，人畜饮用，水产养殖[4]，生态环境用水等，减轻淡水资源短缺的压力，降低地下水位[5]，实现微咸水利用“科学环保、高效安全”的理念。

淡化处理微咸水是可持续开发利用微咸水的必要前提。目前，国内常用的微咸水淡化处理技术有蒸馏法、电渗析法、反渗透法、冷冻法、电吸附法和纳滤法[6]。以上处理技术中大多需要能源支持，因此，利用太阳能供能受到青睐，太阳能微咸水淡化技术的主要优点是：减少或不再使用有限的不可再生能源，不会对环境造成二次污染，现有太阳能水处理装置[7-8]取得一定的成果。那么，如何使太阳能供能方式在宁夏中部干旱带村镇更经济、高效和环境友好是此项技术在宁夏得以推广的关键问题之一。结合宁夏地域特点及宁夏中部干旱带村镇的特点，利用当地丰富的日照资源，选择结构简单、性能稳定的蒸馏淡化技术，采用太阳能供能方式进行地下微咸水淡化处理，尽可能的降低制水成本，以期缓解宁夏淡水资源短缺、实现节能降耗和资源持续高效利用。

2 装置设计原理及结构设计

2.1 装置设计原理

农村新型太阳能水处理简易装置是一种利用太阳能和蒸馏法进行水盐分离的装置。

2.2 装置结构设计

2.2.1 半球系列装置结构设计

半球系列农村新型太阳能水处理简易装置包括供能装置、自动供给水辅助装置、蒸发冷凝装置和辅助冷凝收集装置四部分。此装置利用凸透镜组聚热、吸热材料（黑漆）吸热和自然光照来收集光热资源，为自制双层保温圆筒提供热能，对自制双层保温圆筒中的被处理对象进行加热升温、蒸发冷凝、水盐分离淡化处理，风扇制冷装置、震动装置帮助加速水滴凝结速率，水汽混合物通过汇流装置汇集在集水器中，获得可供灌溉水、生活清洁用水等，辅助供水装置可实现供水自动化。半球系列农村新型太阳能水处理简易装置示意图，如图1 所示。

图1 半球系列农村新型太阳能水处理简易装置示意图Fig.1 Schematic Diagram of a New Type of Solar Water Treatment Simple Device for Hemisphere Series in Rural Areas

2.2.2 斜坡系列装置结构设计

斜坡系列农村新型太阳能水处理简易装置包括供能装置、自动供给水辅助装置、蒸发冷凝装置和辅助冷凝收集装置四部分。装置组成与半球系列装置相同。斜坡系列农村新型太阳能水处理简易装置示意图，如图2 所示。

图2 斜坡系列农村新型太阳能水处理简易装置示意图Fig.2 Schematic Diagram of a New Type of Solar Water Treatment Simple Device in the Slope Series

3 试验研究概况

3.1 试验地概况

银川市海拔在（1010～1150）m 之间，年平均气温8.5℃左右，年平均日照时数（2800～3000）h，年平均降水量200mm 左右，无霜期185 天左右。

3.2 试验材料及方法

3.2.1 试验材料

水处理简易装置（半球大：Φ=250mm，H=300mm；半球小：Φ=100mm，H=150mm；斜坡小：Φ=100mm，H=150mm），对照1 桶（黑漆铁皮桶，亚克力半球盖，Φ=250mm，H=300mm），电导仪，模拟微咸水，污水等。

3.2.2 试验方法

在模拟不同浓度微咸水的条件下，加入定量微咸水（污水），进行水盐分离实验，探讨微咸水淡化处理装置对微咸水处理效果及效率。分析在不同温控条件下水滴凝结速率及效率，并测试凝结前、凝结后微咸水与凝结水的盐分浓度及八大离子含量，计算盐分处理效率。试验测定项目有溶液温度，装置附近气温，出水量，处理前后溶液电导率、总盐及八大离子含量。

3.3 试验结果与分析

3.3.1 温度变化

各个装置中溶液温度日变化，如图3 所示。从图3 中，可以看出，各个装置中溶液及装置附近气温均在24h 内呈现先逐渐增大后逐渐减小的趋势，试验开始前两个小时增长速率最大，温度最大值均分布在15：20，温度在午后增长速度加快，整个曲线基本符合二次函数。装置内溶液温度增长速度在（8：30～12：10）之间半球小＞斜坡小＞半球大＞对照1 桶，这可能由于装置体积小在相同的环境温度中，集热快，散热慢，需要加热的水体积小，故而其溶液温度较高，半球小的受热面积大于斜坡小，故半球小内溶液温度最大；在（12：10～17：30）之间对照1 桶＞半球大＞半球小＞斜坡小，对照1 桶较大，这可能因为对照1 桶未做双层处理直接受热的原因。由此可得出初步确定装置上部结构优选半球形状可能更好集能。在为期5d 的试验期间，通过持续观察，2 种装置中溶液温度随着装置附近气温的增减而升高或下降，试验期间，整体上呈现半球小内溶液温度大于斜坡小，如图4 所示。由此可见，半球状上部结构在供能聚热方面优于斜坡。2 种装置中溶液温度随着装置附近气温的增减而升高或下降，整个试验期间，半球大内溶液温度明显大于半球小，如图5 所示。由此可得，在半球系列中，随着装置尺寸的增大，装置供能集热能力增强，这是由于受热面积增大，透镜使用数量增多所致。增设对照1 桶验证半球大供能集热能力最优的结论，2 种装置中溶液温度随着装置附近气温的增减而升高或下降，试验期间，整体上呈现在增温期间对照1 桶内溶液温度略大于半球大，这是由于，对照1 桶直接受热，未做双层保温处理，故增温速度大于半球大，如图6 所示。在降温期间半球大略大于对照1 桶，这是由于半球大散热较对照1 桶慢，保温效果较好。实际上，装置手工制作不佳，使得装置效果不尽人意。综上所述，装置的供能集热能力与装置上部结构形状、受热面积、透镜使用数量、保温性能等有着密不可分的关系。综合以上因素考虑，优选半球大装置。

图3 温度日变化趋势Fig.3 Temperature Change Trend

图4 半球小与斜坡小内溶液温度变化趋势Fig.4 Trend of Temperature Change of Hemisphere Small and Slope Small Solution

图5 半球系列溶液温度变化趋势Fig.5 Hemisphere Series Solution Temperature Change Trend

图6 半球大与对照1 桶内溶液温度变化趋势Fig.6 Trend of Solution Temperature in Hemisphere and Control 1 Barrel

3.3.2 出水量变化

半球小、斜坡小日出水高峰期在15：20，出水量最大值分别为为11ml 和9ml，二者出水量总体上呈现先增大后逐渐减小的趋势，中午（12：10）以前无出水量，主要因为仅有的出水量大量附着在结水面，出水管道中，不可收集，如图7（a）、图7（b）所示。二者累积日出水总量分别为20ml 和18ml，出水速度在不同时段大小不一，总体上出水速度较小。半球大、对照1 桶日出水高峰期同样在15：20，如图7（c）、图7（d）所示。出水量最大值分别为49ml、40ml，二者出水量总体上呈现先增大后减小的趋势，出水量初始收集点10：30，初始出水量较小，一是因为此刻装置在积温阶段，二是部分水量滞留在收集过程中，无法流出。二者累积日出水总量分别为108ml、94ml，午后出水速度最快，总体上，出水速度较低。综上，现有试验装置及试验外部条件的限制下，装置日出水量半球大＞对照1 桶＞半球小＞斜坡小，装置出水速度及出水量均偏低，从出水指标上评选，半球大为最优装置。根据图8 可知，在5d 试验期间，半球大装置累积日出水总量为108ml、68ml、99ml、105ml、85ml，总体上可保持在100ml 左右，第2 天和第5 天，由于天气原因和一些人为因素导致累积日出水总量锐减。而半球小和斜坡小的累积日出水总量较小，总体上保持在20ml 左右，在出水量指标的比较中，水平相当。总之，相同条件下，结水面积越大，出水量越大，结水面积和出水量成正比，溶液温度对出水量有较大影响。

图7 出水量日变化趋势Fig.7 Daily Variation of Water Output

图8 累积日出水总量变化趋势Fig.8 Trends in Cumulative Total Sunrise Water

3.3.3 处理后溶液电导率变化

三者电导率斜坡小＞半球小＞半球大，说明半球大的淡化处理效果最优，如表1 所示。

表1 处理后电导率变化Tab.1 Conductivity Change After Treatment

3.3.4 处理水水质检测结果分析

为进一步检验本装置（半球大）淡化处理微咸水的效果，取污水水样、微咸水水样、处理后污水水样、处理后微咸水水样，送宁夏大学农学院农产品质量检测中心检测水样八大离子及总盐量。水样检测结果，如表2 所示。

表2 水样检测结果Tab.2 Water Sample Test Results

根据此检测结果可得，装置（半球大）微咸水脱盐率高达99.672%，八大离子去除效果明显。生活污水脱盐率高达98.970%，八大离子去除效果明显。总的来说，本装置可达水盐分离、淡化处理的目的，且脱盐效果明显。

3.4 结论与展望

在现有实验条件（天气条件、制作工艺等因素）下，由试验可得，本装置水盐分离效果较好，但在淡化处理效率上仍存在提升空间。这里装置仍在样机实验阶段，装置本身仍存在一些问题有待解决。以下均是本装置进一步改善的主要方向，本装置供热不足，需要提高热利用率，寻求更高效的吸热材料；装置自动化程度有待加强，实现淡化处理全程自动智能化；本装置清洗、保温等细节，淡化处理后水质还可进一步改善。

4 结语

淡化处理微咸水获得新水源是缓解淡水资源紧缺的有效途径之一，亦是可持续开发利用微咸水的必要前提。太阳能咸水淡化技术因其生态环保的特点，在未来会有巨大的研发潜力。本装置可以对微咸水和夹杂盐分的地面回收雨水进行水盐分离，可以分批处理较小水量的生活污水，在节约用水的同时减少环境污染，主要适用于农户对微咸水等进行分散式处理后应用于农村家庭菜园、小型温室灌溉和生活清洁用水。本装置处于研发阶段，自身仍需要进一步改善，未来将会形成更完善的技术产品，以本装置为基础的新一代装置已完成设计工作，并申请为国家发明专利及实用新型专利[9-10]。