CN105417890A - 基于超级电容的人工湿地重金属去离子净化系统 - Google Patents

基于超级电容的人工湿地重金属去离子净化系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于超级电容的人工湿地重金属去离子净化系统。其技术方案是：所述人工湿地重金属去离子净化系统由水平潜流人工湿地(2)通过水管和超级电容系统连接而成。水平潜流人工湿地(2)由自然复氧通道区(4)、湿地处理区(14)和人工增氧区(15)组成，下层(17)填充砾石，上层(5)填充砂土。水平潜流人工湿地(2)的湿地出水口(13)与第二三向阀(12)的进水口相通，磁激发器(7)的进水口和出水口与对应的第二三向阀(12)的出水口和超级电容器(8)的电容器入水口(22)相通，超级电容器(8)的电容器出水口(26)分别与第一三向阀(10)和自控系统(11)的进水口相通。本发明净化效果好、耗能小、处理周期短、维护费用低、可恢复景观生态功能、无二次污染和可持续性利用。

Description

基于超级电容的人工湿地重金属去离子净化系统
技术领域
本发明属于重金属污水处理技术领域。具体涉及一种基于超级电容的人工湿地重金属去离子净化系统。
背景技术
人工湿地是一种通过人工设计、改造而成的半生态型污水处理系统，主要由土壤基质、水生植物和微生物三部分组成，通过自然生态系统中的物理、化学和生物三者协同作用以达到对污水的净化。人工湿地主要利用湿地植被、土壤以及相关微生物滞后等自然过程，来协助处理废水，是一种有效的生态修复技术。具体形式包括有表面流人工湿地、水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地以及复合垂直流人工湿地。
超级电容器是近年来发展起来的一种具有高比能量和高比功率的新型储能装置，与传统电容器相比在瞬间大电流充放电、工作温度范围宽和无污染等方面优势明显，因此，被广泛应用于航空航天、新能源汽车和生物传感技术等众多领域。
目前，传统的重金属处理技术主要有化学法、物理化学方法和生物修复法，化学法包括化学沉淀法、铁氧体沉淀法、氧化还原法、气浮法和电解法等；物理化学方法包括离子交换法、吸附法、膜分离法等。
上述重金属处理技术主要存在以下缺点：
(1)处理水量小，反应速度慢；
(2)耗能大，成本高；
(3)适用范围小，处理周期长；
(4)易造成二次污染。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种出水水质好、耗能小、处理周期短、维护费用低、可恢复景观生态功能、无二次污染和可持续性利用的基于超级电容的人工湿地重金属去离子净化系统。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该装置由水平潜流人工湿地(2)通过水管与超级电容系统连接而成。
水平潜流人工湿地(2)由上层(5)和下层(17)构成；上层(5)填充砂土，下层(17)填充砾石，上层(5)和下层(17)的高度比为(1~3)∶1；水平潜流人工湿地(2)的高度为0.7~0.9m。
水平潜流人工湿地(2)由自然复氧通道区(4)、湿地处理区(14)和人工增氧区(15)组成。自然复氧通道区(4)的长度与水平潜流人工湿地(2)的长度相等，自然复氧通道区(4)的宽度为500~1000mm，自然复氧通道区(4)的数量为2~5个，自然复氧通道区(4)的中心线间距离为5~10m。自然复氧通道区(4)的底层向下为人工增氧区(15)，人工增氧区(15)的宽度和长度与自然复氧通道区(4)的宽度和长度相等；水平潜流人工湿地(2)的其余部分为湿地处理区(14)。
在每个人工增氧区(15)的下部水平地设有2~4个曝气管(16)，曝气管(16)间的中心距为100~250mm，曝气管(16)的直径为10~30mm，曝气管(16)的长度与水平潜流人工湿地(2)的长度相等，曝气管(16)的进气口与鼓风机(18)的出口相通；在水平潜流人工湿地(2)的一侧设有湿地进水口(1)，另一侧设有湿地出水口(13)，湿地进水口(1)距水平潜流人工湿地(2)底层的高度为100~200mm，湿地出水口(13)距水平潜流人工湿地(2)底层的高度为300~400mm。
所述超级电容系统包括水泵(6)、磁激发器(7)、超级电容器(8)，重金属离子检测仪(9)、第一三向阀(10)、自控系统(11)、第二三向阀(12)。
水平潜流人工湿地(2)的湿地出水口(13)通过水管与第二三向阀(12)的进水口相通，第二三向阀(12)的出水口通过水管与水泵(6)的进水口相通，水泵(6)的出水口通过水管与磁激发器(7)的入水口相通，磁激发器(7)的出水口通过水管与超级电容器(8)的电容器入水口(22)相通，重金属离子检测仪(9)通过光纤探头插入超级电容器(8)的溶液中，超级电容器(8)的电容器出水口(26)通过水管与第一三向阀(10)的进水口和自控系统(11)中集水井的进水口相通，自控系统(11)中水管的进水口处装有截止阀，自控系统(11)中集水井的出水口与水泵(6)的进水口相通。自控系统(11)中的PLC自控柜的输入端通过光纤与重金属离子检测仪(9)的信号输出端连接，第一三向阀(10)的信号接收端和第二三向阀(12)的信号接收端分别与PLC自控柜的输出端连接。
所述自控系统(11)由进水口、集水井、PLC自控柜和出水口组成。
超级电容器(8)的结构是：金属壳体(19)为箱体状，左侧的金属壳体(19)向内依次为阴极电极(20)和活性炭阴极(21)，右侧的金属壳体(19)向内依次为阳极电极(25)和活性炭阳极(24)。沿超级电容器(8)左右方向的中间位置处设有双层隔膜(27)，双层隔膜(27)与阴极电极(20)和阳极电极(25)平行放置；所述双层隔膜(27)由一层阴离子交换膜和一层阳离子交换膜组成，活性炭阴极(21)和活性炭阳极(24)间装有电解液(23)，超级电容器(8)左上角和右下角对应地设有电容器进水口(22)和电容器出水口(26)。
所述自然复氧通道区(4)的高度为水平潜流人工湿地(2)的高度的0.35~0.7倍；自然复氧通道区(4)的填充料为沸石，粒径为5~10mm。
所述人工增氧区(15)的高度为自然复氧通道区(4)底层与水平潜流人工湿地(2)底层间的距离。
所述曝气管(16)与水平潜流人工湿地(2)底部的距离为0~300mm。
所述双层隔膜(27)的材质为聚乙烯有机树脂。
所述活性炭阴极(21)和活性炭阳极(24)的材质均为活性炭纤维。
所述砾石的粒径为5~8mm。
所述砂土的粒径为3~5mm。
由于采用上述技术方案，本发明具有如下积极效果：
水平潜流人工湿地(2)分为自然复氧通道区(4)、湿地处理区(14)和人工增氧区(15)，湿地处理区(14)位于自然复氧通道区(4)和人工增氧区(15)的两侧，湿地处理区(14)和人工增氧区(15)与自然复氧通道区(4)不另设隔墙，自然复氧通道区(4)填充基质为沸石，可大大增加水中的溶解氧。人工增氧区(15)底部为由曝气管(16)组成的曝气通道，通过鼓风机(18)的曝气能实现水平潜流人工湿地(2)内部形成缺氧与好氧的交替环境，能高效脱氮；同时通过曝气管道的控制可以更好的控制运行条件，节省成本。该方法只是改造湿地内部的结构，不增加处理系统的面积，控制了成本。
湿地处理区(14)均种植水生植物，自然复氧通道区(4)则不种植植物。
该水平潜流型人工湿地(2)采用连续进水的方式，当污水由湿地进水口(1)进入水平潜流人工湿地(2)时，通过吸附、滞留、过滤、氧化还原反应、沉淀、微生物分解等作用，使废水中的氮、磷以及有机物含量显著减少。污水在流经过程中，不断消耗湿地内部的氧气，使部分处于缺氧状态。随后通过自然复氧通道区(4)与人工增氧区(14)的相互协调作用，使装置内处于缺氧与好氧交替的环境，从而更好的促进硝化与反硝化作用，进一步对水质进行净化，净化后的水通过湿地出水口(13)再进行下一步的去除重金属离子。
该水平潜流型人工湿地(2)具有投资低、出水水质好、维护费用低、可恢复景观生态功能、无二次污染和可持续性利用的优点。
水平潜流人工湿地(2)净化后的水(简称待净化水，下同)经过磁力激发器(7)，不仅能改善待净化水的电化学特性且能起到破乳作用，流入超级电容器(8)的反应槽中的待净化水中的重金属离子向阴极电极(20)移动并被吸附于活性炭阴极(21)，超级电容器(8)的阴极电极(20)和阳极电极(25)间的液体浓度降低。重金属离子检测仪(9)通过将光纤探针插入到超级电容器(8)的方式来检测重金属离子的浓度，当重金属离子检测仪(9)检测到的重金属离子浓度达到要求时，自控系统(11)的PLC自控柜接收到重金属离子浓度合格的信号，经过自控柜的CPU处理后输出信号到第一三向阀(10)的接收端，从而控制第一三向阀(10)阀芯向下移动，使处理合格的净化水从出水口直接排出；反之，自控系统(11)的PLC自控柜接收到重金属离子浓度不合格的信号并发出警报，经过自控柜的CPU处理后输出信号到第一三向阀(10)和第二三向阀(12)接收端，分别控制第一三向阀(10)和第二三向阀(12)阀芯不移动，阀门关闭，待净化水流经自控系统(11)的集水井后再次到达水泵(6)进行循环处理。
因此，本发明具有净化效果好、耗能小、处理周期短、维护费用低、可恢复景观生态功能、无二次污染和可持续性利用的优点。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图；图2为图1中人工增氧区14的剖面图；图3为图1中超级电容8的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制：
实施例1
一种基于超级电容的人工湿地重金属去离子净化系统。如图1所示，该装置由水平潜流人工湿地(2)通过水管与超级电容系统连接而成。
如图1所示，水平潜流人工湿地(2)由上层(5)和下层(17)构成；上层(5)填充砂土，下层(17)填充砾石，上层(5)和下层(17)的高度比为(1~2)∶1；水平潜流人工湿地(2)的高度为0.7~0.8m。
如图1所示，水平潜流人工湿地(2)由自然复氧通道区(4)、湿地处理区(14)和人工增氧区(15)组成。自然复氧通道区(4)的长度与水平潜流人工湿地(2)的长度相等，自然复氧通道区(4)的宽度为500~800mm，自然复氧通道区(4)的数量为2个，自然复氧通道区(4)的中心线间距离为5~8m。自然复氧通道区(4)的底层向下为人工增氧区(15)，人工增氧区(15)的宽度和长度与自然复氧通道区(4)的宽度和长度相等；水平潜流人工湿地(2)的其余部分为湿地处理区(14)。
如图1和图2所示，在每个人工增氧区(15)的下部水平地设有2个曝气管(16)，曝气管(16)间的中心距为100~200mm，曝气管(16)的直径为10~20mm，曝气管(16)的长度与水平潜流人工湿地(2)的长度相等，曝气管(16)的进气口与鼓风机(18)的出口相通；在水平潜流人工湿地(2)的一侧设有湿地进水口(1)，另一侧设有湿地出水口(13)，湿地进水口(1)距水平潜流人工湿地(2)底层的高度为100~200mm，湿地出水口(13)距水平潜流人工湿地(2)底层的高度为300~400mm。
如图1所示，所述超级电容系统包括水泵(6)、磁激发器(7)、超级电容器(8)，重金属离子检测仪(9)、第一三向阀(10)、自控系统(11)、第二三向阀(12)。
如图1所示，水平潜流人工湿地(2)的湿地出水口(13)通过水管与第二三向阀(12)的进水口相通，第二三向阀(12)的出水口通过水管与水泵(6)的进水口相通，水泵(6)的出水口通过水管与磁激发器(7)的入水口相通，磁激发器(7)的出水口通过水管与超级电容器(8)的电容器入水口(22)相通，重金属离子检测仪(9)通过光纤探头插入超级电容器(8)的溶液中，超级电容器(8)的电容器出水口(26)通过水管与第一三向阀(10)的进水口和自控系统(11)中集水井的进水口相通，自控系统(11)中水管的进水口处装有截止阀，自控系统(11)中集水井的出水口与水泵(6)的进水口相通。自控系统(11)中的PLC自控柜的输入端通过光纤与重金属离子检测仪(9)的信号输出端连接，第一三向阀(10)的信号接收端和第二三向阀(12)的信号接收端分别与PLC自控柜的输出端连接。
所述自控系统(11)由集水井的进水口、集水井、PLC自控柜和集水井的出水口组成。
如图3所示，超级电容器(8)的结构是：金属壳体(19)为箱体状，左侧的金属壳体(19)向内依次为阴极电极(20)和活性炭阴极(21)，右侧的金属壳体(19)向内依次为阳极电极(25)和活性炭阳极(24)。沿超级电容器(8)左右方向的中间位置处设有双层隔膜(27)，双层隔膜(27)与阴极电极(20)和阳极电极(25)平行放置；所述双层隔膜(27)由一层阴离子交换膜和一层阳离子交换膜组成，活性炭阴极(21)和活性炭阳极(24)间装有电解液(23)，超级电容器(8)左上角和右下角对应地设有电容器进水口(22)和电容器出水口(26)。
所述自然复氧通道区(4)的高度为水平潜流人工湿地(2)的高度的0.35~0.5倍；自然复氧通道区(4)的填充料为沸石，粒径为5~10mm。
如图1所示，所述人工增氧区(15)的高度为自然复氧通道区(4)底层与水平潜流人工湿地(2)底层间的距离。
所述曝气管(16)与水平潜流人工湿地(2)底部的距离为200mm。
所述双层隔膜(27)的材质为聚乙烯有机树脂。
所述活性炭阴极(21)和活性炭阳极(24)的材质均为活性炭纤维。
所述砾石的粒径为5~8mm。
所述砂土的粒径为3~5mm。
实施例2
一种基于超级电容的人工湿地重金属去离子净化系统。除下述技术参数外，其余同实施例1：
水平潜流人工湿地(2)由上层(5)和下层(17)构成；上层(5)填充砂土，下层(17)填充砾石，上层(5)和下层(17)的高度比为(2~3)∶1；水平潜流人工湿地(2)的高度为0.8~0.9m；
自然复氧通道区(4)的宽度为700~1000mm，自然复氧通道区(4)的数量为3~5个，自然复氧通道区(4)的中心线间距离为7~10m；
在每个人工增氧区(15)的下部水平地设有3个或4个曝气管(16)，曝气管(16)间的中心距为150~250mm，曝气管(16)的直径为20~30mm；
所述自然复氧通道区(4)的高度为水平潜流人工湿地(2)的高度的0.5~0.7倍；
所述曝气管(16)与水平潜流人工湿地(2)底部的距离为0~300mm。
本具体实施方式具有如下积极效果：
水平潜流人工湿地(2)分为自然复氧通道区(4)、湿地处理区(14)和人工增氧区(15)，湿地处理区(14)位于自然复氧通道区(4)和人工增氧区(15)的两侧，湿地处理区(14)和人工增氧区(15)与自然复氧通道区(4)不另设隔墙，自然复氧通道区(4)填充基质为沸石，可大大增加水中的溶解氧。人工增氧区(15)底部为由曝气管(16)组成的曝气通道，通过鼓风机(18)的曝气能实现水平潜流人工湿地(2)内部形成缺氧与好氧的交替环境，能高效脱氮；同时通过曝气管道的控制可以更好的控制运行条件，节省成本。该方法只是改造湿地内部的结构，不增加处理系统的面积，控制了成本。
湿地处理区(14)均种植水生植物，自然复氧通道区(4)则不种植植物。
该水平潜流型人工湿地(2)采用连续进水的方式，当污水由湿地进水口(1)进入水平潜流人工湿地(2)时，通过吸附、滞留、过滤、氧化还原反应、沉淀、微生物分解等作用，使废水中的氮、磷以及有机物含量显著减少。污水在流经过程中，不断消耗湿地内部的氧气，使部分处于缺氧状态。随后通过自然复氧通道区(4)与人工增氧区(14)的相互协调作用，使装置内处于缺氧与好氧交替的环境，从而更好的促进硝化与反硝化作用，进一步对水质进行净化，净化后的水通过湿地出水口(13)再进行下一步的去除重金属离子。
该水平潜流型人工湿地(2)具有投资低、出水水质好、维护费用低、可恢复景观生态功能、无二次污染和可持续性利用的优点。
水平潜流人工湿地(2)净化后的水(简称待净化水，下同)经过磁力激发器(7)，不仅能改善待净化水的电化学特性且能起到破乳作用，流入超级电容器(8)的反应槽中的待净化水中的重金属离子向阴极电极(20)移动并被吸附于活性炭阴极(21)，超级电容器(8)的阴极电极(20)和阳极电极(25)间的液体浓度降低。重金属离子检测仪(9)通过将光纤探针插入到超级电容器(8)的方式来检测重金属离子的浓度，当重金属离子检测仪(9)检测到的重金属离子浓度达到要求时，自控系统(11)的PLC自控柜接收到重金属离子浓度合格的信号，经过自控柜的CPU处理后输出信号到第一三向阀(10)的接收端，从而控制第一三向阀(10)阀芯向下移动，使处理合格的净化水从第一三向阀(10)的出水口直接排出；反之，自控系统(11)的PLC自控柜接收到重金属离子浓度不合格的信号并发出警报，经过自控柜的CPU处理后输出信号到第一三向阀(10)和第二三向阀(12)接收端，分别控制第一三向阀(10)和第二三向阀(12)阀芯不移动，阀门关闭，待净化水流经自控系统(11)的集水井后再次到达水泵(6)进行循环处理。
因此，本具体实施方式具有净化效果好、耗能小、处理周期短、维护费用低、可恢复景观生态功能、无二次污染和可持续性利用的优点。

Claims (8)

1.一种基于超级电容的人工湿地重金属去离子净化系统，其特征在于该装置由水平潜流人工湿地(2)通过水管与超级电容系统连接而成；
水平潜流人工湿地(2)由上层(5)和下层(17)构成，上层(5)填充砂土，下层(17)填充砾石，上层(5)和下层(17)的高度比(1~3)∶1，水平潜流人工湿地(2)的高度为0.7~0.9m；
水平潜流人工湿地(2)由自然复氧通道区(4)、湿地处理区(14)和人工增氧区(15)组成；自然复氧通道区(4)的长度与水平潜流人工湿地(2)的长度相等，自然复氧通道区(4)的宽度为500~1000mm，自然复氧通道区(4)的数量为2~5个，自然复氧通道区(4)的中心线间距离为5~10m；自然复氧通道区(4)的底层向下为人工增氧区(15)，人工增氧区(15)的宽度和长度与自然复氧通道区(4)的宽度和长度相等；水平潜流人工湿地(2)的其余部分为湿地处理区(14)；
在每个人工增氧区(15)的下部水平地设有2~4个曝气管(16)，曝气管(16)间的中心距为100~250mm，曝气管(16)的直径为10~30mm，曝气管(16)的长度与水平潜流人工湿地(2)的长度相等，曝气管(16)的进气口与鼓风机(18)的出口相通；在水平潜流人工湿地(2)的一侧设有湿地进水口(1)，另一侧设有湿地出水口(13)，湿地进水口(1)距水平潜流人工湿地(2)底层的高度为100~200mm，湿地出水口(13)距水平潜流人工湿地(2)底层的高度为300~400mm；
所述超级电容系统包括水泵(6)、磁激发器(7)、超级电容器(8)，重金属离子检测仪(9)、第一三向阀(10)、自控系统(11)、第二三向阀(12)；
水平潜流人工湿地(2)的湿地出水口(13)通过水管与第二三向阀(12)的进水口相通，第二三向阀(12)的出水口通过水管与水泵(6)的进水口相通，水泵(6)的出水口通过水管与磁激发器(7)的入水口相通，磁激发器(7)的出水口通过水管与超级电容器(8)的电容器入水口(22)相通，重金属离子检测仪(9)通过光纤探头插入超级电容器(8)的溶液中，超级电容器(8)的电容器出水口(26)通过水管与第一三向阀(10)的进水口和自控系统(11)中集水井的进水口相通，自控系统(11)中水管的进水口处装有截止阀，自控系统(11)中集水井的出水口与水泵(6)的进水口相通；自控系统(11)中的PLC自控柜的输入端通过光纤与重金属离子检测仪(9)的信号输出端连接，第一三向阀(10)的信号接收端和第二三向阀(12)的信号接收端分别与PLC自控柜的输出端连接；
所述自控系统(11)由集水井的进水口、集水井、PLC自控柜和集水井的出水口组成；
超级电容器(8)的结构是：金属壳体(19)为箱体状，左侧的金属壳体(19)向内依次为阴极电极(20)和活性炭阴极(21)，右侧的金属壳体(19)向内依次为阳极电极(25)和活性炭阳极(24)；沿超级电容器(8)左右方向的中间位置处设有双层隔膜(27)，双层隔膜(27)与阴极电极(20)和阳极电极(25)平行放置；所述双层隔膜(27)由一层阴离子交换膜和一层阳离子交换膜组成，活性炭阴极(21)和活性炭阳极(24)间装有电解液(23)，超级电容器(8)左上角和右下角对应地设有电容器进水口(22)和电容器出水口(26)。
2.根据权利要求1所述基于超级电容的人工湿地重金属去离子净化系统，其特征在于所述自然复氧通道区(4)的高度为水平潜流人工湿地(2)的高度的0.35~0.7倍；自然复氧通道区(4)的填充料为沸石，粒径为5~10mm。
3.根据权利要求1所述基于超级电容的人工湿地重金属去离子净化系统，其特征在于所述人工增氧区(15)的高度为自然复氧通道区(4)底层与水平潜流人工湿地(2)底层间的距离。
4.根据权利要求1所述基于超级电容的人工湿地重金属去离子净化系统，其特征在于所述曝气管(16)与水平潜流人工湿地(2)底部的距离为0~300mm。
5.根据权利要求1所述基于超级电容的人工湿地重金属去离子净化系统，其特征在于所述双层隔膜(27)的材质为聚乙烯有机树脂。
6.根据权利要求1所述基于超级电容的人工湿地重金属去离子净化系统，其特征在于所述活性炭阴极(21)和活性炭阳极(24)的材质均为活性炭纤维。
7.根据权利要求1所述基于超级电容的人工湿地重金属去离子净化系统，其特征在于所述砾石的粒径为5~8mm。
8.根据权利要求1所述基于超级电容的人工湿地重金属去离子净化系统，其特征在于所述砂土的粒径为3~5mm。
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