CN101367578A - 集成式电催化高级氧化蓝藻处理平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种对自然或人工水域(如江、河、湖泊、近海、公园观赏水体)的水环境洁净修复技术，集成式电催化高级氧化蓝藻处理平台主要包括进水区、反应区、水通道、驾驶舱、中央控制室、电源室，水体在通过反应区时，水体在电催化氧化材料作用下被激发出强氧化剂，强氧化剂杀死藻类并抑制其再生，达到杀灭降解藻类净化水体的效果。电催化氧化材料所激发的强氧化剂对水体污染物中的化学物质(如有机物、氨氮等)也有较好的降解去除效果。采用该技术能够对江、河、湖泊的蓝藻进行抑制和杀灭，达到控制蓝藻爆发的目的。该技术为全球范围内的蓝藻控制与处理提供了具有创新性的高效、清洁、无污染的解决方案。

Description

集成式电催化高级氧化蓝藻处理平台

技术领域

本发明涉及一种对水华或赤潮水体进行治理的水体净化技术，特别是一种集成式电催化高级氧化蓝藻处理工作平台，采用该平台能够对自然或人工水域(如江、河、湖泊、近海、公园观赏水体)的蓝藻进行杀灭和去除，并具有一定的去除氨氮的作用，达到控制蓝藻爆发与水生态环境修复之目的。

背景技术

随着全球经济的快速发展和人口的急剧膨胀，环境问题尤其是水环境问题日益引起世界各国人民的普遍关注。我国正处于工业化快速发展的进程中，近些年的环境污染问题非常严重，水环境在一天天恶化。目前我国的水环境中，主要污染物已经远远超过环境容量，形势严峻。全国745个地表水国控断面中，多数达不到III类标准，流经城市的河段90％以上受到严重污染。全国城镇集中式饮用水源地有不同程度的超标，近三亿农村人口在饮用不合格的水。大多数湖泊出现富营养化，蓝藻泛滥，湖水出现绿粥状污染物，气味难闻，被当地群众称作“生态癌”。全国性蓝藻泛滥在由南向北迅速蔓延，已波及到京津地区。近岸海域赤潮频发，面积在增加，给近海渔业造成巨大灾难。淡水在变绿，海水在变红，我国的江河湖海已向人类发出了危险信号。

蓝藻亦称蓝绿藻或蓝细菌(blue-green algae)，是一种原始而古老的原核微生物。蓝藻过去被划为藻类，但近代研究表明，它们的细胞核结构中无核膜、核仁，属原核生物，加之不进行有丝分裂，细胞壁也与细菌相似，由肽聚糖组成，革兰氏染色阴性，故现在将它们归属于原核微生物中。蓝细菌为单细胞生物，个体比细菌大，一般直径或宽度为3—15μm。但是，蓝细菌很少以单一个体生活，通常是在分裂后仍聚集在一起，形成丝状或单细胞的群体，当许多个体聚集在一起，可形成很大的群体，肉眼可见。蓝藻在富营养化的水体中，常于夏季大量繁殖，腐败死亡后在水面形成一层蓝绿色而有腥臭味的浮沫，在淡水中称为水华，在海水中称作赤潮。蓝藻爆发最直接的生态后果是引起水质恶化，严重时耗尽水中氧气而造成鱼类的死亡，生物多样性破坏甚至丧失，湖泊景观价值和服务功能降低，并且对饮用水安全构成严重的威胁。更为严重的是，有些种类的蓝藻(如微囊藻)还会产生毒素(简称MC)，大约50％的水华中含有大量MC。MC的存在会使该水域的水体具有毒性，除了直接对鱼类、人畜产生毒害之外，也是肝癌的重要诱因。有研究表明，藻毒素除被人体直接吸收外，还有可能通过食物链被人体吸收，威胁人类的健康。2007年，无锡太湖大面积蓝藻暴发，造成无锡水源地水质恶化，自来水水质超标，给无锡群众生活造成很大影响。近年来蓝藻现象愈演愈烈，南京玄武湖、云南滇池、安徽巢湖均发生过此类蓝藻污染水环境事件，成为目前国内外共同面临的急需解决的水域灾害难题之一。

蓝藻的污染治理是世界性难题。现有的蓝藻治理的技术手段包括：化学药剂法，滤网捞集法，超声技术，高压灭藻，生物治理和生态治理等。加入化学药剂，主要是硫酸铜，对局域水体效果很好，但难以维持较长时间，在夏季1-2周后，一般又需加药。对于治理大面积、富营养化水体存在运行成本高的问题，而且杀生药剂对水体存在二次污染。滤网捞集以及过滤这类机械方法清除蓝藻，对于大面积水体的治理更是不过杯水车薪，难见成效。超声技术对于小体积的、并能够循环流动的水体进行蓝藻治理，可操作性比较大，但是对于大面积水体的蓝藻治理，存在能耗高、运行成本高等不利因素，不具备可操作性。高压灭藻对于大面积水体的蓝藻治理，同样存在能耗高、运行成本高等不利因素，不具备可操作性。生物法对藻类的治理尚处于探索阶段，国际上尚无对大规模富营养化水体采用生物防治蓝藻的成功先例，而且由于蓝藻所包含的蓝细菌种属较多，难以用一种或有限的几种微生物、噬菌体对蓝藻实现总体抑制。生态治理工程是一项综合性的长期的水环境保护工程，在外源污染得到有效控制的情况下，恢复水生高等植物以提高水体的自净能力，是湖泊富营养化治理和生态恢复的关键。但这种方法见效时间较长，难以在短期内实现富营养化水体的蓝藻控制。而富营养化水体的蓝藻爆发，会将水面覆盖，阻碍水体复氧，同时大量蓝细菌因死亡而腐败，消耗水体的溶解氧而使水体发臭，导致鱼类死亡和其他水生动物死亡，形成恶性循环。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷和不足，提供一种集成式电催化氧化工作平台对蓝藻进行高级氧化处理，对江、河、湖泊、近海的富营养化水体进行全面、彻底的净化，为全球范围内的蓝藻控制提供了高效、节能、无二次污染、无有害副产物的创新解决方案，该平台操作简便、使用寿命长、具有远程机动作业能力，可适于广水域的蓝藻治理。本发明的技术方案如下：

依据电化学原理与催化原理，结合纳米功能材料的最新研究进展，通过利用材料的表面改性与修饰手段制备出一种高比表面积的纳米催化功能材料，进而组装成电催化氧化反应系统，以电催化氧化反应系统为主要核心，配以动力与电力系统、电源室、中央控制室、反应区闸门及导流系统、进水流态调节系统、污水处理系统、尾气处理系统、调节水泵站与管道系统、远程进水系统和工作平台框架等而组装成集成式电催化高级氧化蓝藻处理工作平台。工作平台运行时，电催化氧化反应系统的催化材料在电场作用下激发水体中的物质产生高浓度的羟基自由基(·OH)、氧自由基(·O)、超氧离子(O₂ ^-)和次氯酸(HClO)、过氧化氢(H₂O₂)等强氧化性物质，强氧化性物质与水体中的蓝藻细胞进行剧烈反应，使其死亡、降解，并抑制其再生长。采用该工作平台能够对江、河、湖泊的蓝藻，近海的赤潮进行有效的治理和抑制，同时强氧化性物质可以通过反应去除水体中的氨氮、总氮、异味和色度，对环境生态修复起到综合的治理修复作用。

集成式电催化高级氧化蓝藻处理工作平台，包括承载系统的工作平台框架，框架上部设置驾驶舱、中央控制室、电源室、放置发电机组及动力机组的机舱、水质分析实验室、会议室、厨房和厕所；而在框架的下部则是调节平衡区及蓝藻处理区。

工作平台框架被倒“Y”型水流通道分成三个区。在三个区分别设置浮筒，起承载框架上部功能区及调节平衡的作用。

蓝藻处理区主要结构为倒“Y”型前后开口的半密闭水流通道，从前至后依次为：控制蓝藻水流量阀门，流态调节系统，多级电催化高级氧化反应区，以及其后的高浓度氧化物质保留区。通道在多级电催化高级氧化反应区后由单通道转为双通道，通道的断面面积总和和前方的单通道断面面积等同。水由位于平台前端的进水区进入水流通道；流经控制蓝藻水流量的阀门时，可以通过调节阀门按设定的进水量将水体引至流态调节装置；水体被流态调节装置均匀混合后进入多级电催化高级氧化反应区；在反应区产生的强氧化性物质的作用下，水体中藻类细胞的细胞壁破碎，细胞壁内的物质被氧化分解成二氧化碳和水，同时水体中的色度、异味在强氧化剂的氧化下得到消除；在保留区内，反应区产生的存活时间长的高浓度氧化性物质可以继续对水体中残留的藻类进行氧化杀灭作用，进一步提高处理的效果。在杀灭蓝藻的同时，水体中的氨态氮也在强氧化剂的作用下转化为氮气和水。

蓝藻处理区还有附属的设计，例如强氧化反应区可以设置在内置的带升降功能的模块上，在作业时固定的水流通道内；通道的前端和末端设置了在线探测仪来测定水体中的溶解氧、余氯、pH以及藻细胞浓度，探测仪由屏蔽线连接到中央控制室的显示器上，由所传送的信号来控制反应区输出电流的强度；在两侧水通道末端分别设置了水力导流浆，保证水流的通畅和控制通道内水流速度。

本发明的技术效果如下：

本创新发明通过一种电催化高级氧化蓝藻处理技术，针对流动的、区域面积大的富营养化水体进行有效的强氧化反应和高级生物氧化以杀灭和去除水体中的藻类、病毒、病菌、总氮和有机物质。

由于本创新发明的集成式电催化高级氧化蓝藻处理工作平台采用了洁净的物理、电化学结合处理手段，对水体中的鱼类动物及水生植物没有危害，对水体中的藻类平均去除率达到95％，对总氮和总磷具有一定的去除率，而且具有灵活的远程工作能力。

本创新发明的集成式电催化高级氧化蓝藻处理工作平台可广泛用于湖泊、河流、水库的蓝藻和富营养化处理，是未来富营养化控制技术发展的必然趋势。

附图说明

附图1为集成式电催化高级氧化蓝藻处理工作平台立面图；

附图2为集成式电催化高级氧化蓝藻处理工作平台一层府视剖视图；

附图3为集成式电催化高级氧化蓝藻处理工作平台二层俯视剖视图；

附图4为集成式电催化高级氧化蓝藻处理工作平台侧面剖视图；

附图5为集成式电催化高级氧化蓝藻处理工作平台远程进水系统示意图；

附图6为集成式电催化高级氧化蓝藻处理工作平台进水口立面放大示意图。

附图标记列示如下：1-进水区，2-反应区，3-水通道，4-出水闸门，5-导流桨，6-远程进水系统，7-驾驶舱，8-中央控制室，9-电源室，10-专用电源柜，11-轴流风机，12-实验室或会议室，13-机舱，14-后压舱仓，15-前压舱仓，16-污水处理间，17-尾气处理间，18-实验台，19-卫生间，20-厨房，21-楼梯，22-船发动机，23-齿轮箱，24-主发电机，25-副发电机，26-配电柜，27-油箱，28-尾舵，29-螺旋桨，30-管道安装区，31-远程进水口，32-远程进水管道，33-自吸水泵，34-进水深度调节板，35-流态调节装置，36-进水布水板，37-电催化氧化氧化反材料，箭头表示水流通过水流通道的方向。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

一种集成式电催化高级氧化蓝藻处理工作平台，主要包括，进水区1、反应区2、水通道3、出水闸门4、导流桨5、远程进水系统6、驾驶舱7、中央控制室8、电源室9、专用电源柜10、轴流风机11、实验室或会议室12、机舱13、后压舱仓14、前压舱仓15、污水处理间16、尾气处理间17、实验台18、卫生间19、厨房20、楼梯21、船发动机22、齿轮箱23、主发电机24、副发电机25、配电柜26、油箱27、尾舵28、螺旋桨29、管道安装区30、远程进水口31、远程进水管道32、自吸水泵33、进水深度调节板34、流态调节装置35、进水布水板36、电催化氧化材料37。

集成式电催化高级氧化蓝藻处理工作平台可以在船发动机22、齿轮箱23、尾舵28、螺旋桨29、驾驶舱7的控制下进行移动工作，一般情况下，水体由进水区1进入集成式电催化高级氧化蓝藻处理工作平台，进水深度调节板34控制进水的深度，进水经过流态调节装置35混匀并破碎结块的蓝藻，混匀的含有蓝藻的水经过进水布水板36均匀从布水板下端进入反应区2，主发电机24为专用电源柜10提供电能，专用电源柜10为反应区2中的电催化氧化材料37提供直流稳压电，含有蓝藻的水进入平台在多级电催化氧化材料37产生强氧化剂的作用下，蓝藻被杀灭并降解，经过处理后的水在经过水通道3的过程中可以延长氧化物质与蓝藻的接触时间，增强处理效果，导流桨5可以调节水流速度并可保证水通道内水流的通畅；进行系统维护时可以将进水深度调节板34和出水闸门4关闭，排空水通道内的水，重新调节压水仓后压舱仓14、前压舱仓15，保证集成式电催化高级氧化蓝藻处理工作平台的平衡，工作人员可以在反应区2和水通道3内进行作业；远程进水系统6可以将集成式电催化高级氧化蓝藻处理工作平台无法到达的浅水区蓝藻打入进水区1，然后进行处理。轴流风机11主要作用是为电源室9散热；中央控制室8可以监视和体控制电源的工作状态；实验室或会议室12是进行简单水质检测和举行工作会议以及吃饭的地方；卫生间19、厨房20是工作人员的生活基本设施，为了减少污染排放，污水处理间16将处理卫生间19、厨房20产生的污水，尾气处理间17处理船发动机22、主发电机24和副发电机25产生的尾气；管道安装区30铺设集成式电催化高级氧化蓝藻处理工作平台的管线和部分电线线路；油箱27为船发动机22、主发电机24和副发电机25提供燃料；机舱13的作用主要放置配电柜26、油箱27、齿轮箱23、船发动机22、主发电机24和副发电机25。

下面结合实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1

在无锡犊山水利枢纽附近湖面，集成式电催化高级氧化蓝藻处理工作平台行进速度0.1m/s，专用电源每台显示电流45A-50A，专用电源电压20V-22V，集成式电催化高级氧化蓝藻处理工作平台前端进水叶绿素a为303mg/m³，藻细胞密度为2.17×10⁹个/升，藻毒素MC-LR浓度为9.6μg/L，经集成式电催化高级氧化蓝藻处理工作平台处理后叶绿素a为22mg/m³，藻细胞密度为1.53×10⁷个/升，藻毒素MC-LR浓度为0.7μg/L。去除率分别为叶绿素a为92.7％，藻细胞密度为99.3％，藻毒素MC-LR浓度为92.7％。

实施例2

在无锡三仙岛附近湖面，集成式电催化高级氧化蓝藻处理工作平台行进速度0.5m/s，专用电源每台显示电流45A-50A，专用电源电压20V-22V，集成式电催化高级氧化蓝藻处理工作平台前端进水叶绿素a为35.0mg/m³，藻细胞密度为2.5×10⁸个/升，藻毒素MC-LR浓度为6.6μg/L，经集成式电催化高级氧化蓝藻处理工作平台处理后叶绿素a为0.04mg/m³，藻细胞密度为8.6×10⁶个/升，藻毒素MC-LR浓度为0.1μg/L。去除率分别为叶绿素a为88.6％，藻细胞密度为96.6％，藻毒素MC-LR浓度为98.5％。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本创新发明，但不以任何方式限制本创新发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本创新发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本创新发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本创新发明专利的保护范围当中。

Claims (8)

1.集成式电催化高级氧化蓝藻处理平台，包括进水区、反应区、水通道、出水闸门、导流桨、远程进水系统、驾驶舱、中心控制室、电源室、专用电源柜、轴流风机、机舱、后压舱仓、前压舱仓、污水处理间、尾气处理间、实验室、会议室、卫生间、厨房、楼梯、船发动机、齿轮箱、主发电机、副发电机、配电柜、油箱、尾舵、螺旋桨、管道安装区、远程进水口、远程进水管道、自吸水泵、进水深度调节板、流态调节装置、进水闸口布水板、电催化氧化材料。其特征在于：集成式电催化高级氧化蓝藻处理平台可以在船发动机、齿轮箱、尾舵、螺旋桨、驾驶舱的控制下进行移动工作，一般情况下，水体由进水区进入集成式电催化高级氧化蓝藻处理平台，进水深度调节板控制进水的深度，进水经过流态调节装置混匀并破碎结块的蓝藻，混匀的含有蓝藻的水经过进水闸口布水板均匀从布水板下端进入反应区；主发电机给专用电源柜提供电能，专用电源柜给反应区中的电催化氧化材料提供直流稳压电；含有蓝藻的水进入平台在三级电催化氧化材料产生强氧化剂的作用下，蓝藻被杀灭并降解，经过处理后的水在经过水通道的过程中可以延长氧化物质与蓝藻的接触时间，增强处理效果；导流桨可以调节水流速度并可保证水通道内水流的通畅；进行系统维护时可以将进水深度调节板和出水闸门关闭，排空水通道内的水，重新调节压水仓后压舱仓、前压舱仓，保证集成式电催化高级氧化蓝藻处理平台的平衡，工作人员可以在反应区和水通道内进行作业；远程进水系统可以将集成式电催化高级氧化蓝藻处理平台无法到达的浅水区蓝藻打入进水区，然后进行处理；轴流风机主要作用是为电源室散热；中心控制室可以监视和体控制电源的工作状态；实验室或会议室是进行现场水质检测和举行工作会议的地方；卫生间、厨房是工作人员的生活基本设施，为了减少污染排放，污水处理间将处理卫生间、厨房产生的污水，尾气处理间处理船发动机、主发电机和副发电机产生的尾气；管道安装区铺设集成式电催化高级氧化蓝藻处理平台的管线和部分电线线路；油箱给船发动机、主发电机和副发电机提供燃料；机舱的作用主要放置配电柜、油箱、齿轮箱、船发动机、主发电机和副发电机。

2.根据权利要求1所述的集成式电催化高级氧化蓝藻处理平台，其特征在于：集成式电催化高级氧化蓝藻处理平台主体为普通钢板焊接而成，分为机舱、后压舱仓和前压舱仓，并形成水通道、进水区和反应区，机舱作为燃油的储藏室和动力机械室，后压舱仓和前压舱仓主要为调节整个工作平台的水平性与吃水深度，进水区和反应区提供电催化氧化材料的安装与工作区域。

3.根据权利要求1所述的集成式电催化高级氧化蓝藻处理平台，其特征在于：所述的远程进水系统由远程进水口、远程进水管道、自吸水泵组成，远程进水管道为钢丝软管或其他弹性比较好的软管，远程进水口吃水深度小于集成式电催化高级氧化蓝藻处理平台的吃水深度，其可以进行载人或遥控和动力装置，可以在工作人员操作下在集成式电催化高级氧化蓝藻处理平台无法到达一些水面活动，能够达到远程作业的目的。

4.根据权利要求1所述的集成式电催化高级氧化蓝藻处理平台，其特征在于：所述水通道包括导流桨、进水深度调节板、流态调节装置、进水闸口布水板。水通道可以是集成式电催化高级氧化蓝藻处理平台两侧分布，也可以是中间分布，主要作用是让水有秩序通过工作平台，并能够和平台外面两侧和下面的水进行隔离。导流桨可以由电动机或柴油机或汽油机提供动力，其可以调节水通道内水流的速度。流态调节装置可以是任意一种机械搅拌装置或超声装置，其形式可以是单个也可以是多个，主要作用是将进水混合均匀，将蓝藻分散均匀。进水深度调节板可以进行上下运动或绕下轴进行在一定范围内转动，到达调节进水深度的作用。进水闸口布水板下端进行均匀开口，可以是三角切口，也可以是圆孔或其他能均匀分布的孔，主要作用是让经过流态调节装置混匀的进水从下端进入反应区。

5.根据权利要求2所述的集成式电催化高级氧化蓝藻处理平台，其特征在于：所述的电催化氧化材料为金属表面经过纳米尺度材料改性与表面修饰的具有活性反应层的材料，其分为阳极材料和阴极材料，所述的金属可以是钛、钛合金、铜合金、不锈钢、铝合金或是其他金属合金中的一种。所述的表面活性层可以是贵金属铑、钌、铂、金、铱或其氧化物，或是稀土材料。

6.根据权利要求1所述的集成式电催化高级氧化蓝藻处理平台，其特征在于：所述的专用电源柜上安装专用直流电源，电压输出调节范围0V-50V，电流输出调节范围0A-200A。每个专用电源柜由设计好的单元组成，直流电源设置成模块式，根据反应区电催化氧化材料的数量和所需要的功率增加或减少。

7.根据权利要求5所述的集成式电催化高级氧化蓝藻处理平台，其特征在于：所述的电催化氧化材料，其分为阳极材料和阴极材料，安装时阳极材料和阴极材料间距为0-10cm。

8.根据权利要求1所述的集成式电催化高级氧化蓝藻处理平台，其特征在于：所述的反应区和进水深度调节板、流态调节装置、进水闸口布水板的固定底面可以是一体，在此基础上可以安装底面升降装置，使反应区具有升降调节功能。反应区的进水端可以设置栏护网或格栅机，保护反应区内的电催化氧化材料。

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