CN106396026B - 一种治理黑臭水体的电催化微阵列系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水污染控制技术领域，特别涉及一种治理黑臭水体的电催化微阵列系统。该系统包括微电极阵列、电极支架、直流稳压电源，其中微电极阵列由双股电缆、氧化铅电极对、限位架构成。该系统利用电催化氧化产生羟基自由基以分解有机污染物，同时利用电解水的原理，产生微纳米气泡增加水中溶氧量，本发明系统中产生的多种活性物质与水体直接接触，借助羟基自由基的氧化能力和微纳米气泡的界面活性等作用对污染水体进行原位就地处理，可有效解决湖泊、水库、池塘、景观水体等缓流或黑臭水域的富营养化及有机物污染问题。

Description

一种治理黑臭水体的电催化微阵列系统
技术领域
本发明涉及水污染控制技术领域，特别涉及一种治理黑臭水体的电催化微阵列系统。
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，极为有限的供水资源受到水质恶化和生态破坏的严重威胁，这大大加剧了水资源短缺的矛盾。水资源短缺和水环境恶化己成为21世纪全球资源环境领域面临的首要问题，制约人类社会发展和进步。
黑臭水体即呈现令人不悦的颜色或散发令人不适气味的水体，其成因多数是由于有机污染物排入水体，微生物好氧分解，造成水体缺氧，从而使水中有机污染物被厌氧分解，产生不同类型的黑臭类物质，呈现水体黑臭。近几年，黑臭水体是百姓反映极为强烈的水环境问题。黑臭水体不仅损害了人居环境，还严重影响了城市形象。治理城市黑臭水体的已经成为百姓的强烈愿望。2016年2月18日，住建部通报称，截止2016年2月16日排查发现，全国295座地级及以上城市中，有77座城市没有发现黑臭水体，其余218座城市中，共排查出黑臭水体1861个。2015年4月，《水污染防治行动计划》正式出台，其中明确提出到2020年，地级及以上城市黑臭水体控制在10％以内，到2030年，城市黑臭水体总体消除。
但另一方面，黑臭水体的修复和治理的技术难度较大。目前常见的处理方法包括化学法、物理法和生物法等。化学法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。目前市场上尚无节能、安全、高效的景观水体修复设备。
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安全可靠、快速高效的治理黑臭水体的方法，在短时间内解决黑臭水体重色度、重臭味的影响环境美观和人体感官的问题。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种治理黑臭水体的电催化微阵列系统，其特征在于：包括微电极阵列(1)、电极支架(2)、直流稳压电源(3)，其中微电极阵列由双股电缆(21)、氧化铅电极对(22)、限位架(23)构成，微电极阵列(1)通过电极支架(2)支撑并通过其中的双股电缆(21)与直流稳压电源(3)连通，氧化铅电极对(22)分别穿透双股电缆(21)阳极和阴极的导线，将直流稳压电源(3)提供的电流传递给黑臭水体。
水体修复操作时，将该系统系上重物，悬浮于黑臭水体底部，通过直流稳压电源(3)给微电极阵列(1)提供电流，一方面通过电催化作用，形成大量羟基自由基，分解有机污染物，另一方面，曝气时可形成直径在数十微米和数十纳米之间的微小气泡，通过曝气作用促进有机物的好氧微生物降解。
在一个具体实施方案中，所述电极支架(2)为中空PVC管，管内有双股电缆(21)并连接直流稳压电源(3)。
在另一个具体实施方案中，所述直流稳压电源(3)为低电压大电流的开关式电源，工作在恒流模式，并具有提供脉冲电场强化电解效果的能力。
在另一个具体实施方案中，所述限位架(23)的材质为工程塑料，可将氧化铅电极对(22)的尖端距离严格控制在0.1～0.2mm之间。由此可以实现微纳米气泡曝气。
在另一个具体实施方案中，所述微电极对的数量为20-300对，为兼顾电极效率与维护难易度，优选50-200对，更优选100-150对。
在另一个具体实施方案中，所述直流稳压电源(3)的恒流输出为8-20A，在优选微电极电对为优选50-200对的基础上，恒流输出优选10-15A，以保证合理的电流利用效率。
在另一个具体实施方案中，所述直流稳压电源(3)的输出电压为5-20V，在恒流输出为优选10-15A的基础上，输出电压优选7.5-15V，以保证适宜的槽电压范围以及能量转化效率。
本发明另一方面提供一种治理黑臭水体的方法，其特征在于将本发明的系统悬浮于黑臭水体底部，通过直流稳压电源(3)给微电极阵列(1)提供电流。
在一个具体实施方案中，对黑臭水体持续处理12-24h。
通过上述的技术方案的实施，可实现对黑臭水体的电催化净化和修复，本发明的有益效果如下：
1、本发明构造简单、结构紧凑，具有价廉易得、经济性好的优点；
2、本发明采取低电压大电流的直流稳压电源为系统同时提供电催化氧化和电解水曝气的能量，安全稳定，能耗低，环境干扰少；
3、本发明以高效的氧化铅电极为微电极阵列的活性中心，具有电催化活性强、羟基自由基产率高，有机污染物降解效果好等特点；
4、本发明中采用限位架对阴阳电极对尖端的间距进行严格限定，保证了微纳米气泡的稳定发生，保证了曝气量的均匀性；
5、本发明系统中产生的多种活性物质与水体直接接触，借助羟基自由基的氧化能力和微纳米气泡的界面活性等作用对污染水体进行原位就地处理，可有效解决湖泊、水库、池塘、景观水体等缓流或黑臭水域的富营养化及有机物污染问题。
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为电催化微阵列系统，其中，1-微电极阵列、2-电极支架、3-直流稳压电源；
图2为微电极阵列的局部放大图，其中21-双股电缆、22-氧化铅电极对、23-限位架；
图3为微电极阵列局部放大图的侧视图，附图标记同图2。
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，下面，结合附图对本发明的具体的实施方式进行详细描述。
本发明所用的直流稳压电源可以提供低电压大电流，工作在恒流模式，并具有提供脉冲电场强化电解效果的能力，为系统同时提供电催化氧化和电解水曝气的能量。常见的电源均为一定范围内可调电源，因电极对数量不确定，因此无法确定电流电压等参数，只要满足曝气要求即可，并无特殊要求。本发明的直流稳压电源所提供的脉冲电场可以消除电极浓差极化，提高电催化效率。
电催化作用可以形成大量羟基自由基，分解有机污染物。曝气可形成直径在数十微米和数十纳米之间的微小气泡，通过曝气作用促进有机物的好氧微生物降解。本发明的电催化微阵列系统使得电催化作用与曝气同时进行，由此通过提高曝气以有助于电催化分解污染物效率的提高，避免因曝气不充分，溶氧量不足导致的羟基自由基产率较低。
本发明首次将电催化用于治理黑臭水，所用的氧化铅电极是微电极阵列的活性中心，因具有电催化活性强、析氧电位高、羟基自由基产率高，有机污染物降解效果好等优势，成为电催化型电极的最佳选择。
本发明所用的限位架将氧化铅电极对(22)的尖端距离严格控制在0.1～0.2mm之间，保证了微纳米气泡的稳定发生，实现微纳米气泡曝气，保证了曝气量的均匀性，同时有助于溶氧量的最大化。
实施例
以下采用实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
实施例1
图1示出一种治理黑臭水体的电催化微阵列系统，包括微电极阵列(1)、电极支架(2)、直流稳压电源(3)三部分，其中微电极阵列由双股电缆(21)、氧化铅电极对(22)、限位架(23)构成，微电极阵列(1)通过电极支架(2)支撑并通过其中的双股电缆(21)与直流稳压电源(3)连通，氧化铅电极对(22)分别穿透双股电缆(21)阳极和阴极的导线，将直流稳压电源(3)提供的电流传递给黑臭水体。电极支架(2)为中空PVC管，管内有双股电缆(21)并连接直流稳压电源(3)，直流稳压电源(3)为低电压大电流的开关式电源，工作在恒流模式，并具有提供脉冲电场强化电解效果的能力，限位架(23)材质为工程塑料，可将氧化铅电极对(22)的尖端距离严格控制在0.1～0.2mm之间，以实现微纳米气泡曝气。
水体修复操作时，将该系统系上重物，悬浮于黑臭水体底部，通过直流稳压电源(3)给微电极阵列(1)提供电流，一方面通过电催化作用，形成大量羟基自由基，分解有机污染物，另一方面，曝气时可形成直径在数十微米和数十纳米之间的微小气泡，通过曝气作用促进有机物的好氧微生物降解。
实施例2
以含有128对微电极对的电催化微阵列系统对10m3的模拟污染水体进行修复处理，该系统悬浮于水体底部20cm高度处，控制直流稳压电源(3)的恒流输出为12A，对应电压为8.7V，开始电催化氧化和微纳米曝气操作，连续修复12h，水体中重要水质指标变化如下：
CODCr：2537.4mg L-1降至1265.1mg L-1；
氨氮：124.2mg L-1降至15.7mg L-1；
总磷：17.6mg L-1降至6.5mg L-1；
溶氧量：0.2mg L-1提高至5.5mg L-1；
降低了水体的色度、浊度、臭味等感官特征，基本上恢复了水体的生态功能，改善了水体的污染状况。
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 (7)

1.一种治理黑臭水体的电催化微阵列系统，其特征在于：包括微电极阵列(1)、电极支架(2)、直流稳压电源(3)，其中微电极阵列由双股电缆(21)、氧化铅电极对(22)、限位架(23)构成，微电极阵列(1)通过电极支架(2)支撑并通过其中的双股电缆(21)与直流稳压电源(3)连通，氧化铅电极对(22)分别穿透双股电缆(21)阳极和阴极的导线，将直流稳压电源(3)提供的电流传递给黑臭水体；所述微电极阵列由多组氧化铅阴阳极形成的电极对组成，电极对的数量为20-300对；所述的限位架(23)材质为工程塑料，将氧化铅电极对(22)的尖端距离严格控制在0.1-0.2mm之间。
2.如权利要求1所述的微阵列系统，其特征在于所述电极支架(2)为中空PVC管，管内有双股电缆(21)并连接直流稳压电源(3)。
3.如权利要求1所述的微阵列系统，其特征在于所述直流稳压电源(3)为低电压大电流的开关式电源，工作在恒流模式，并具有提供脉冲电场强化电解效果的能力。
4.如权利要求3所述的微阵列系统，其特征在于所述直流稳压电源(3)的恒流输出为8-20A。
5.如权利要求3所述的微阵列系统，其特征在于所述直流稳压电源(3)的电压为5-20V。
6.一种治理黑臭水体的方法，其特征在于将权利要求1-5任一项所述的系统悬浮于黑臭水体底部，通过直流稳压电源(3)给微电极阵列(1)提供电流。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于对黑臭水体持续处理12-24h。
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