CN105016474B - 一种用于城市水体中持久性污染物净化的电化学生物浮岛 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于城市水体中持久性污染物净化的电催化生物浮岛，是一种可原位净化水体污染的修复设备。该设备由浮板、阳极板、阴极板、螺旋桨、太阳能电池板、植物浮岛、固根底座等构成。整个系统以锚定的方式固定于湖泊或河道中心，由浮板提供浮力，承载固根底座以种植植物浮岛；由太阳能电池板提供电能，驱动螺旋桨引起水流扰动；并在阳极和阴极上施加恒定的电流实现持久性污染物的电吸附和电催化净化。该设备具有净化效率高、自持能力强、结构简单、便于维护的优点。

Description

一种用于城市水体中持久性污染物净化的电化学生物浮岛

技术领域

本发明属于水处理领域，特别涉及一种用于城市水体中持久性污染物净化的电化学生物浮岛。

背景技术

水是人类赖以生存不可或缺的自然资源，但随着人类社会的不断进步、工农业的飞速发展及人口的持续增长，水环境中的有机污染问题日趋严重，水中的持久性有机污染物种类多、数量大，严重危及人体健康，污染问题相当突出。

城市水环境中的污染物主要来自有机物。全国环境状况公报表明，地表水流经城市的河段有机污染较重。城市居民日常生活排放的污水和很多工业废水都含有大量的溶解状有机物质，有的工业废水还含有有毒有害的人工合成的有机物，如合成农药和染料等。长江三角洲地区，大多数城市河流都存在严重的有机污染。上海黄浦江有机物种类至少在500～700种之间，GC/MS定性检出的218种有机物中，属美国EPA的优先污染物达39种。据对全国35个江段合成有机物调查，水体中痕量有机物种类繁多，″三致″物超标倍数高。在7个流域14个典型江段中共检出197种有机化合物，其中致癌化合物25种，属于美国EPA的优先污染物共有53种。因此，对城市水体中的污染物的控制和修复至关重要。

现有城市水体治理技术包括有化学投药、引水换水、底泥疏泼、曝气充氧、人工湿地和生物浮岛等方法。化学投药方法通过添加CuSO₄(硫酸铜)和FeCl₃(氯化铁)等化学药剂或者活性炭、硅藻士等吸附剂，改变水中的氧化还原电位、pH值(酸碱皮)，吸附沉淀水中的悬浮物质和有机质。由于需要投加大量的化学药剂，且化学药剂成本较高，并易引起二次污染；

物理修复措施主要有底泥疏泼、引水换水等工程方法，但是物理修复过程中营养物质的绝对量并没有减少，不能从根本上解决问题，并且成本高昂；主要的生物处理技术包括人工湿地、生物浮岛等，此类方法具有原位修复特点，兼具景观美化作用，但是降解反应速率慢，水体处理周期较长。

在这些方法中，曝气充氧法在富营养化水污染处理中被广泛应用。曝气充氧法主要是通过向水中补充氧气，保证水生生物生命活动及微生物氧化分解有机物的氧气供应，同时搅拌水体达到水体循环的目的。曝气的方式主要有自然跌水曝气和机械曝气，前者充氧效率低，后者能耗高口但曝气的方法只能延缓水休富营养化的发生，不能从根本上解决水体富营养化。传统方法水处理成本普遍较高，能源利用率低，加之水体富营养化成因多样，单一的处理方式并不能满足现有的治理需求。同时，城市水体美学要求高、流动性差，不能直接应用城市污水治理技术。这就迫切需要一种节能高效的水体修复方法，在低成本投资下实现的高处理效果。目前市场上尚无节能、安全、高效的水体修复设备。

发明内容

本发明是鉴于现有技术中存在的上述问题而做出的，本发明的目的在于提供一种净化效率高、自持能力强、结构简单、便于维护的高效水体修复设备。

为了实现上述目的，本发明第一技术方案，一种用于城市水体中持久性污染物净化的电化学生物浮岛，其特征在于其包括浮板、阳极板、阴极板、螺旋桨、太阳能电池板、植物浮岛、固根底座构成，整个系统以锚定的方式固定于湖泊或河道中心，由浮板提供浮力，承载固根底座以种植植物浮岛；由太阳能电池板提供电能，驱动螺旋桨引起水流扰动，强化传质效率，并在阳极和阴极上施加恒定的电流实现持久性污染物的电吸附和电催化净化。

本发明的第二技术方案在第一技术方案的基础上，进一步地，根据权利要求1所述的一种用于城市水体中持久性污染物净化的电化学生物浮岛，其特征在于所述浮板为聚氨酯泡沫塑料材质。

本发明的第三技术方案，在第一技术方案的基础上，进一步地，根据权利要求1所述的一种用于城市水体中持久性污染物净化的电化学生物浮岛，其特征在于所述阳极和阴极为覆盖纳米纤维膜材料的氧化铅丝网阳极和钛丝网阴极。

本发明的第四技术方案，在第一技术方案的基础上，进一步地，根据权利要求1所述的一种用于城市水体中持久性污染物净化的电化学生物浮岛，其特征在于所述阳极(1)和阴极(2)可分别实现电催化和电吸附的效果，并能实现污染物的预富集和高效净化。

本发明所述的用于城市水体中持久性污染物净化的电化学生物浮岛，具有如下有益的技术效果：

1)原位修复，仅需将整个系统牵引至湖泊或河道中央，抛锚固定即可；

2)处理效果好，由于采用高效的电吸附与电催化处理方法，与传统的生物浮岛相比，具有对持久性污染物的特殊的高效净化能力；

3)运行费用低，由于采用太阳能供电，不需要外界提供电力供给，日常运行费用减少80％以上；

4)自持能力强，该系统安置于水温为0～45℃，水流速度小于1m/s的城市湖泊或河道内，持续运行周期超过100天；

5)维护简便，无需日常值班操作，维修率低；

6)从美学角度上看，还具有美化城市环境、丰富感官信息，强化水体环境效果等优点。

附图说明

为更清楚地说明本发明的具体实施方式，下面对具体实施方式部分的描述中使用到的附图作简单说明。

图1为城市水体中持久性污染物净化的电化学生物浮岛的结构见图，附图标记说明如下：

1-浮板、2-阳极板、3-阴极板、4-螺旋桨、5-太阳能电池板、6-植物浮岛、7-固根底座

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，结合附图对本发明的具体的实施方式进行详细描述。

实施例1

如图1所示，一种用于城市水体中持久性污染物净化的电化学生物浮岛，其特征在于其包括浮板(1)、阳极板(2)、阴极板(3)、螺旋桨(4)、太阳能电池板(5)、植物浮岛(6)、固根底座(7)构成，整个系统以锚定的方式固定于湖泊或河道中心，由浮板(1)提供浮力，承载固根底座(7)以种植植物浮岛(6)；由太阳能电池板(5)提供电能，驱动螺旋桨(4)引起水流扰动，强化传质效率，并在阳极(2)和阴极(3)上施加恒定的电流实现持久性污染物的电吸附和电催化净化。

所述浮板(1)为聚氨酯泡沫塑料材质，所述阳极(1)和阴极(2)为覆盖纳米纤维膜材料的氧化铅丝网阳极和钛丝网阴极。所述阳极(1)和阴极(2)可分别实现电催化和电吸附的效果，并能实现污染物的预富集和高效净化。

实施例2

实施例1中所述的覆盖纳米纤维膜材料的氧化铅丝网阳极和钛丝网阴极的制备方法如下，

首先将分子量为10万的聚乙烯醇颗粒和嵌段共聚物P123颗粒以质量比为20∶1溶于超纯水中，形成质量浓度为200g/L的浑浊乳液，作为纺丝溶液；将市售的氧化铅丝网阳极和钛丝网阴极置于自制的高压静电纺丝装置中，并用铜导线与阴极导通，将纺丝溶液置于高压静电纺丝装置中，并与阳极导通，施加控制电压为0.7～2.5万伏，调节丝网电极与喷射头的距离为10～15cm，以获得稳定连续的喷射流为准，该喷射流沉积于丝网电极表面，即可形成纳米纤维膜，待4～5小时后，纤维膜厚度达到0.5～1毫米，停止纺丝。所得覆盖纳米纤维膜材料的氧化铅丝网阳极和钛丝网阴极储存备用。

以上所述的具体实施方式仅用于具体说明本发明的精神，本发明的保护范围并不局限于此，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术内容，通过变更、置换或变型的方式轻易做出其它的实施方式，这些其它的实施方式都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于城市水体中持久性污染物净化的电化学生物浮岛系统，其特征在于，主要包括：浮板(1)、阳极板(2)、阴极板(3)、螺旋桨(4)、太阳能电池板(5)、植物浮岛(6)和固根底座(7)，所述浮板(1)上部中间通过支架连接太阳能电池板；所述浮板(1)上部周边承载固根底座(7)以种植植物浮岛(6)；所述浮板(1)下部中间连接螺旋桨(4)；所述浮板(1)下部周边设置阳极板(2)和阴极板(3)组成的电化学板组；所述阳极板(2)和阴极板(3)为覆盖纳米纤维膜材料的氧化铅丝网阳极和钛丝网阴极；采用高压静电纺丝方法制备，具体为：

1)将分子量为10万的聚乙烯醇颗粒和嵌段共聚物P123颗粒以质量比为20:1溶于超纯水中，形成质量浓度为200g/L的浑浊乳液作为纺丝溶液；

2)将市售的氧化铅丝网阳极和钛丝网阴极置于自制的高压静电纺丝装置中，并用铜导线与阴极导通，将纺丝溶液置于高压静电纺丝装置中，并与阳极导通，施加控制电压为0.7～2.5万伏，调节丝网电极与喷射头的距离为10～15cm，以获得稳定连续的喷射流为准，该喷射流沉积于丝网电极表面，即可形成纳米纤维膜，待4～5小时后，纤维膜厚度达到0.5～1毫米，停止纺丝；

整个系统以锚定的方式固定于湖泊或河道中心，由浮板(1)提供浮力；由太阳能电池板(5)提供电能，驱动螺旋桨(4)引起水流扰动，强化传质效率，并在阳极(2)和阴极(3)上施加恒定的电流实现持久性污染物的电吸附和电催化净化。

2.根据权利要求1所述的一种用于城市水体中持久性污染物净化的电化学生物浮岛系统，其特征在于所述浮板(1)为聚氨酯泡沫塑料材质。