CN108585306A - 一种光伏驱动电化学处理系统及其处理方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光伏驱动电化学处理系统及其处理方法和应用。该光伏驱动电化学处理系统包括顺次连接的：电化学处理单元I；过滤单元；电化学处理单元II；所述光伏驱动电化学处理系统还包括光伏电源驱动单元。由于采用的是可再生光伏能源提供电力，又无需额外投加化学试剂，因而处理成本大大降低；效率高、运行稳定，能在短时间内改善水质，较好地克服了传统物理化学法和生物生态法的不足，非常适合微污染景观水体的治理。

Description

一种光伏驱动电化学处理系统及其处理方法和应用
技术领域
本发明属于地表水微污染水体处理技术领域，更具体地，涉及一种光伏驱动电化学处理系统及其处理方法和应用。
背景技术
景观水体由于风景优美、景色迷人而成为城镇居民休闲和娱乐的重要场所，常包括天然湖泊、河道以及人为建造的湖泊、喷泉、瀑布、水库、观赏水池或池塘、景观河道或护城河等，它们大多为封闭或半封闭的静止或缓慢流动的水体，其具有水域面积小、水位低、水量少、水环境容量小、易污染、水体自净能力差等特点。由于该水体常接纳地表降水和城镇生活污水，此外又不能与其它水体循环，使得污染物不断累积，特别是营养元素氮、磷的累积，极易造成水体富营养化，甚至导致藻类滋生，水体恶臭，水生生物减少，严重影响周边城镇居民的生活质量与环境质量。因此，必须严格控制景观水体中污染物质的含量，特别是营养元素氮、磷的含量，以改善景观水体质量，共建我们美好家园。
当前，对于景观水体的治理思路主要是去除水体中的氮、磷，进而控制藻类滋生。目前，主要采用物理化学法和生物生态法来控制景观水中的氮、磷含量。常见的物理化学方法有补水换水法、曝气充氧法、底泥疏浚法、絮凝气浮法、混凝沉淀法、除藻灭藻法、电化学法和吸附法等；常见的生物生态法有生物接触氧化、膜生物反应器、微生物净化技术、曝气生物滤池、植物浮床、人工湿地等。其中，生物生态法去除效果好，运行费用低、无二次污染等优点，是目前治理景观水体中最为有效的方法之一，然而效率低，受气候影响较大；物理化学法则效率高、运行稳定，能在短期时间改善水质，然而运行成本限制了该法的广泛使用。混凝沉淀法，通过一次性或分批投加混凝剂来实现对氮、磷的去除，然而该法排放污泥量大，药剂利用率低，使用成本高。电化学工艺中的电絮凝法，虽然能实现药剂的连续投加，产生的污泥量小，药剂利用率高，但在同时治理氮、磷时脱氮效果略差，而电化学氧化或还原法则脱氮效果较好，可对磷的治理又显不足，此外，由于能耗较高而导致运行成本过高，因而限制了两工艺的广泛使用。为此探索适合微污染景观水体处理方法也一直是环保工作者关注的焦点。
发明内容
本发明的目的是针对常见的物理化学法和生物生态法在治理景观水体时的不足而提出的高效、成本低的处理方法。本方法通过两处理单元和一过滤单元，实现对藻类、氮、磷高效去除，也不对水体产生二次污染；运行时既不需额外物质添加，也不使用化石能源，运行成本极低，非常适合景观水体的治理。
为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种光伏驱动电化学处理系统，该光伏驱动电化学处理系统包括顺次连接的：
电化学处理单元I；
过滤单元；
电化学处理单元II；
所述光伏驱动电化学处理系统还包括光伏电源驱动单元。
作为本发明优选的实施方式，所述电化学处理单元I设置有多个阳极板I、多个阴极板I及多级过滤网框架，第一个阳极板I紧靠电化学反应器I进水口端，所述阳极板I和阴极板I交替排列，靠近出水口端方向设置有多级过滤网框架。
作为本发明优选的实施方式，所述阴极板I采用石墨或钛板电极；所述阳极板I采用铝板、铁板或铸铁板金属电极。
作为本发明优选的实施方式，所述多级过滤框架，通常采用粗、细两种过滤网加工而成的倾斜插入型框架。实际操作过程中，粗过滤网框架采用三层250目的尼龙滤网布加工而成；细过滤网框架采用三层400目的尼龙滤网布加工而成。过滤网框架均可快速更换，冲洗后可循环使用，使用时其间距为60～100mm。
根据本发明，实际运行过程中，在电化学处理单元I中，阳极板I靠近进水端，然后交替平行插入阴极板I和阳极板I，使相邻极板的水平间距为30～50mm，通过调节滑动变阻器I使阴极板I和阳极板I两电极间的电流密度为13.9～55.6mA/cm2。通过调节电流，阳极板I原位释放出的金属离子经水解、聚合作用形成多种羟基络合物、多核羟基络合物以及氢氧化物，并以此凝聚、吸附水体中的藻类、氮、磷；同时，电极板释放出来的气体进一步将凝聚、吸附的污染物絮体气浮到水面，再通过两级过滤框架过滤，从而藻类、氮、磷得以去除；另外阳极释放的金属离子还可直接与磷酸盐反应，进一步提高磷的去除效率。
作为本发明优选的实施方式，所述过滤单元设置有由不同粒径范围的滤料分别构成的多个滤料单元，沿水流方向滤料的粒径由大至小设置。
作为本发明优选的实施方式，所述多个滤料单元包括粗滤料单元、中等滤料单元、细滤料单元；
所述粗滤料单元包括粒径为2.5-5mm的石灰石颗粒，能适度调节水体pH值，厚度为250-350mm，空隙率为45-55％；
所述中等滤料单元包括粒径为1.5-3mm的锰砂，锰砂能将电极溶解残留在水中的金属离子氧化(如水中的Fe2+氧化成Fe3+)以形成更稳定的金属氢氧化物沉淀物，同时在表面形成有催化作用的“活性滤膜”，进一步控制残留在水中的金属离子的排放，厚度为200-400mm，空隙率为38-45％；
所述细滤料单元包括粒径为0.8-1.6mm的无烟煤，厚度为250-350mm，空隙率为46-53％。
为便于更换，所有石灰石、锰砂、无烟煤颗粒分别放置在滤料单元后再放入过滤单元中使用。
经电化学处理单元I处理后的污水自流到过滤单元的底部，水体中电极溶解残留的金属离子在流经粗滤料单元、中等滤料单元、细滤料单元时，会进一步生成金属氢氧化物絮体，并经上述滤料层拦截后避免了水体中的金属含量超标问题。此外，水体中残留絮体和少量污染物在流经上述滤料层时，也会因滤料拦截而得以清除。
作为本发明优选的实施方式，所述电化学处理单元II设置有多个阴极板II和多个阳极板II，所述阴极板II和阳极板II交替排列。
作为本发明优选的实施方式，所述阴极板II采用石墨或钛板电极；
所述阳极板II采用Ti/RuO2-IrO2或Ti/RuO2-IrO2-SnO2涂层电极。
根据本发明，实际运行过程中，在处理单元II中，阴极板II靠近进水端，然后交替平行插入阳极板II和阴极板II，使相邻极板的水平间距为15～30mm，通过调节滑动电阻器II使阴极板II和阳极板II两电极间的电流密度为27.7～69.4mA/cm2。经电化学处理单元I、过滤单元处理后的景观水，其含有的藻类、磷可达标排放，而氮仍有超标的可能，还需进一步处理。为此，经上述处理后的景观水自流到处理单元II进口，并交替经过阴极板II、阳极板II，使水体中剩余氮在阳极表面发生电化学反应生成氮气而得以去除，经上述处理后，景观水体中的藻类、氮、磷含量大为降低，可达标排放。
作为本发明优选的实施方式，所述光伏电源驱动单元包括光伏板组件、光伏控制器、DC-DC模块、蓄电池组、光控开关、滑动变阻器和电流表；光伏板组件输出直流电压电流受光照条件而波动，为此经DC-DC模块稳压或稳流后向处理单元供电。为保障夜间和弱光线下该系统能正常工作，采用光伏控制器和蓄电池组将剩余的电能储存起来，并通过光控开关实现蓄电池组在夜间和弱光线下向处理单元提供电能。
作为本发明优选的实施方式，为操作方便，所述光伏电源驱动单元包括光伏电源驱动系统Ⅰ和光伏电源驱动系统Ⅱ，分别向电化学处理单元I、电化学处理单元Ⅱ供电。
根据本发明，实际运行过程中，所述光伏板组件每组由8～16块250W光伏板并联而成，其参数为：工作电压34.9V、工作电流6.0～7.8A；每组分两路与处理单元相连，一路经光伏控制器、蓄电池组、光控开关和滑动变阻器与处理单元相连，另一路经DC-DC模块和滑动变阻器与处理单元相连。所述光伏控制器主要是保障蓄电池组正常的充放电功能，具有防止蓄电池组过充、过放、开路、过载、防反充，输出短路保护功能；防止太阳能板接反、蓄电池组接反保护功能；均衡充电，温度补偿等功能，其参数为：太阳能板电压≤50V，额定工作电压12/24V，额定工作电流50～60A。所述DC-DC模块主要是将光伏板输出的随光变化的直流电压或电流变成稳定的直流电压或电流，其参数为：输入电压7～36V，输出电压2～30V，输出电流0～8A。所述蓄电池组由4～8只容量为12V、200～250AH的免维护铅酸电池串并联构成，主要是将剩余电能储存起来，实现夜间和弱光线下向处理单元供电。所述光控开关具有：在强光时，自动切断蓄电池组向处理单元供电；而夜间和弱光线(低于80～130W/m2)下，光伏板不能通过DC-DC模块向处理单元提供能量时自动恢复蓄电池组提供电能；其参数为：工作电压24V，额定电流10～20A。
本发明的第二方面提供所述的光伏驱动电化学处理系统的处理方法，该处理方法包括：
将废水依次流经电化学处理单元I、过滤单元、电化学处理单元II。
本发明的第三方面提供所述的光伏驱动电化学处理系统在处理微污染景观水体中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)由于采用的是可再生光伏能源提供电力，又无需额外投加化学试剂，因而处理成本大大降低；效率高、运行稳定，能在短时间内改善水质，较好地克服了传统物理化学法和生物生态法的不足，非常适合微污染景观水体的治理；
2)在电化学处理单元I中，电极溶解形成的金属离子原位产生且能源源不断地向污水中释放，可高效地去除藻类、磷和部分氮，且产生的污泥少；在电化学处理单元II中，进一步将水体中的氮转化为氮气，且无污泥产生。蓄电池组白天充电与夜间或弱光线时对外供电均自动进行；过滤框架可快速更换，冲洗后可循环使用，过滤材料采用模块化装卸，使得操作运行维护非常方便；
3)石灰石、锰砂、无烟煤颗粒滤料单元的使用，较好避免藻类、磷、氮去除后水体中的金属离子含量超标和水体pH值显著变化。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1示出了根据本发明的一个实施例光伏驱动电化学处理系统的示意图；
附图标记说明：1-污水取水点，2-光伏水泵，3-流量计，4-电化学反应器I进水口，5-电化学反应器I，6-阴极板I，7-阳极板I，8-蓄电池组I，9-光伏控制器I，10-光伏板组件I，11-光控开关I，12-DC-DC模块I，13-滑动变阻器I，14-电流表I，15-电化学反应器I出水口，16-粗过滤网框架，17-细过滤网框架，18-电化学反应器I清洗排水口，19-过滤单元进水口，20-过滤池，21-过滤池清洗排水口，22-电化学反应器II进水口，23-粗滤料单元，24-中等滤料单元，25-细滤料单元，26-过滤池出水口，27-电化学反应器II，28-阴极板II，29-阳极板II，30-蓄电池组II，31-光伏控制器II，32-光伏板组件II，33-光控开关II，34-DC-DC模块II，35-滑动变阻器II，36-电流表II，37-电化学反应器II出水口，38-电化学反应器II清洗排水口。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施例1：
本实施例提供一种光伏驱动电化学处理系统，用于处理微污染景观水体的方法，首先在实验室构建一套基于光伏驱动电化学方法处理微污染景观水体的处理设备。如图1所示，该光伏驱动电化学处理系统主要包括电化学处理单元I、过滤单元、电化学处理单元II和光伏电源驱动单元。其中，处理单元I主要由电化学反应器I 5内的阴极板I 6、阳极板I7以及两级过滤框架(粗过滤网框架16和细过滤网框架17)组成；过滤单元主要由过滤池20内自下而上放置的粗滤料单元23、中等滤料单元24和细滤料单元25构成；电化学处理单元II主要由电化学反应器II 27内的阴极板II 28和阳极板II 29组成。光伏电源驱动单元由光伏板组件I 10(或光伏板组件II32)、光伏控制器I 9(或光伏控制器II 31)、DC-DC模块I12(或DC-DC模块II34)、蓄电池组I 8(或蓄电池组II 30)、光控开关I 11(或光控开关II33)、滑动变阻器I 13(或滑动变阻器II 35)和电流表I 14(或电流表II 36)构成，共有两套电源使用，分别向电化学处理单元I和电化学处理单元II供电。具体操作步骤如下：
(1)电化学处理单元I的预备：在电化学反应器I 5内，靠近电化学反应器I进水口4的一侧插入阳极板I 7，再交替平行插入阴极板I 6和阳极板I 7，使相邻极板的水平间距为30～50mm；在最后1块阴极板I 6的下游依次倾斜插入粗过滤网框架16和细过滤网框架17，并保证其倾斜间距为60～100mm。其中，阴极板I 6采用石墨或钛板电极，阳极板I 7采用铝板、铸铁板或铁板电极；粗过滤网框架采用三层250目的尼龙滤网布加工而成；细过滤网框架采用三层400目的尼龙滤网布加工而成。在完成上述各工作后，调整好电化学反应器I出水口15和电化学反应器I进水口4，并通过软管将电化学反应器I进水口4依次与流量计3、光伏水泵2相连，电化学处理单元I靠近过滤单元的一侧还设有电化学反应器I清洗排水口18。
(2)过滤单元的预备：在过滤池20的底部自下而上依次堆放粗滤料单元23、中等滤料单元24和细滤料单元25。其中，粗滤料单元23装有粒径为2.5～5mm的石灰石颗粒，厚度为200～350mm，空隙率为45～55％；中等滤料单元24装有粒径为1.5～3mm的锰砂，厚度为200～400mm，空隙率为38～45％；细滤料单元25则装有粒径为0.8～1.6mm的无烟煤厚度为250～350mm，其空隙率为46～53％。为便于更换，所有滤料均在使用前装入滤料盒后再放入过滤池20中；在上述滤料放置完毕后，调整好过滤池出水口26和过滤池清洗排水口21，并通过软管将电化学反应器I出水口15和过滤单元进水口19相连。
(3)电化学处理单元II的预备：在电化学反应器II 27内，靠近电化学反应器II进水口22的一侧插入阴极板II28，再交替平行插入阳极板II29和阴极板II28，使相邻极板的水平间距为15～30mm。其中，阴极板II 28采用石墨或钛板电极，阳极板II 29采用Ti/RuO2-IrO2或Ti/RuO2-IrO2-SnO2涂层电极。在完成上述各工作后，调整好电化学反应器II出水口37和电化学反应器II清洗排水口38，并通过软管将电化学反应器II进水口22和过滤池出水口26相连。
(4)光伏电源驱动单元的预连线：为操作方便，采用两套光伏电源驱动单元。每套由8～16块250W光伏板构成的光伏板组件I 10(或光伏板组件II 32)提供能量，光伏板组件并联后，如如图1所示，分两路连线，一路先将DC-DC模块I 12(或DC-DC模块II 34)的输入端正、负极与光伏板组件并联后的正、负极相连，然后将DC-DC模块I 12(或DC-DC模块II 34)的输出端负极依次与滑动变阻器I 13(或滑动变阻器II 35)、电流表I 14(或电流表II 36)串联后再与阴极板I 6(或阴极板II 28)相连，而其输出端正极暂时与阳极板I 7(或阳极板II 29)断开；另一路则先将光伏控制器I 9(或光伏控制器II 31)的输入端与光伏板组件I10(或光伏板组件II 32)并联后的正、负极相连，再将容量为12V、200～250AH的免维护铅酸电池正、负极端两两串联后再并联，并将并联后的蓄电池组I 8(或蓄电池组II 30)正、负极分别与光伏控制器I 9(或光伏控制器II 31)输出端和光控开关I11(或光控开关II33)输入端的正、负极相连，其后光控开关I 11(或光控开关II 33)输出端的负极经滑动变阻器I 13(或滑动变阻器II 35)、电流表I 14(或电流表II 36)串联后也与阴极板I 6(或阴极板II28)相连，而光控开关I 11(或光控开关II 33)输出端正极则暂时与阳极板I 7(或阳极板II29)断开。
(5)微污染景观水体的处理：在前面4个步骤完成后，将光伏板组件I 10和光伏板组件II 32放置在室外一定光强的太阳光下，同时将取自某公园微污染景观水渠的水倒入污水取水点1，打开光伏水泵2开关，让微污染景观水渠的水依次流过电化学反应器I 5、过滤池20和电化学反应器II 27，在污水经电化学反应器II出水口37循环流回污水取水点1十分钟后，将步骤(4)中已断开的DC-DC模块I 12和DC-DC模块II 34的输出端正极、光控开关I11和光控开关II 33的输出端正极同时与阳极板I 7和阳极板II 29接上，调节流量为1～2.5L/min，并开始计时；此后调节滑动变阻器I 13，使阴极板I 6和阳极板I 7间的电流密度为13.9～55.6mA/cm2，调节滑动变阻器II 35，使阳极板II 29和阴极板II 28间的电流密度为27.7～69.4mA/cm2。在150min后，对处理后的污水进行采样，并用碱性过硫酸钾-消解紫外分光光度法测定其总氮含量，钼酸铵分光光度法测定总磷含量，重铬酸钾法测定CODCr浓度，稀释与接种法测定BOD5，丙酮酸分光光度法测定叶绿素a(藻类以叶绿素计a)含量，重铬酸钾法测定CODCr浓度，其结果如表1所示。
表1处理前后水质参数变化情况
从实施例1的结果可以看出：对于某公园微污染景观水渠的水，150min后，经本处理方法处理后，治理效果较好，上述水质指标从低于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中的V类提高到该标准中III类，即从劣V类水质提高到III类水质，达到了改善水质的目的。
实施例2：操作步骤如下：
本实施例中的(1)、(2)、(3)、(4)步与实施例1中的(1)、(2)、3)、(4)相同，不同之处在于：
(5)微污染景观水体的处理：在前面4个步骤完成后，将光伏板组件I 10和光伏板组件II 32放置在室外一定光强的太阳光下，同时将取自某广场微污染景观水塘的水倒入污水取水点1，打开光伏水泵2开关，让微污染景观水塘的水依次流过电化学反应器I 5、过滤池20和电化学反应器II 27，在污水经电化学反应器II出水口37循环流回污水取水点1十分钟后，将前述已断开的DC-DC模块I 12和DC-DC模块II 34的输出端正极、光控开关I 11和光控开关II 33的输出端正极同时与阳极板I 7和阳极板II 29接上，调节流量为1.5～3.0L/min，并开始计时；此后调节滑动变阻器I 13，使阴极板I 6和阳极板I 7间的电流密度为13.9～55.6mA/cm2，调节滑动变阻器II 35，使阳极板II 29和阴极板II 28间的电流密度为27.7～69.4mA/cm2。在150min后，对处理后的污水进行采样，并用碱性过硫酸钾-消解紫外分光光度法测定其总氮含量，钼酸铵分光光度法测定总磷含量，重铬酸钾法测定CODCr浓度，稀释与接种法测定BOD5，丙酮酸分光光度法测定叶绿素a(藻类以叶绿素计a)含量，重铬酸钾法测定CODCr浓度，其结果如表2所示。
表2处理前后水质参数变化情况
从实施例2的结果可以看出：对于某广场微污染景观水塘的水，150min后，经本处理方法处理后，治理效果较好，上述水质指标从低于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中的V类提高到该标准中III类，即从劣V类水质提高到III类水质，也达到了改善水质的目的。
结合实施例1和2的处理效果，表明基于光伏驱动电化学方法处理微污染景观水体的方法可行。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种光伏驱动电化学处理系统，其特征在于，该光伏驱动电化学处理系统包括顺次连接的：
电化学处理单元I；
过滤单元；
电化学处理单元II；
所述光伏驱动电化学处理系统还包括光伏电源驱动单元。
2.根据权利要求1所述的光伏驱动电化学处理系统，其中，所述电化学处理单元I设置有多个阳极板I、多个阴极板I及多级过滤网框架，第一个阳极板I紧靠电化学反应器I进水口端，所述阳极板I和阴极板I交替排列，靠近出水口端方向设置有多级过滤网框架。
3.根据权利要求2所述的光伏驱动电化学处理系统，其中，
所述阴极板I采用石墨或钛板电极；
所述阳极板I采用铝板、铁板或铸铁板金属电极。
4.根据权利要求1所述的光伏驱动电化学处理系统，其中，所述过滤单元设置有由不同粒径范围的滤料分别构成的多个滤料单元，沿水流方向滤料的粒径由大至小设置。
5.根据权利要求4所述的光伏驱动电化学处理系统，其中，所述多个滤料单元包括粗滤料单元、中等滤料单元、细滤料单元；
所述粗滤料单元包括粒径为2.5-5mm的石灰石颗粒，厚度为250-350mm，空隙率为45-55％；
所述中等滤料单元包括粒径为1.5-3mm的锰砂，厚度为200-400mm，空隙率为38-45％；
所述细滤料单元包括粒径为0.8-1.6mm的无烟煤，厚度为250-350mm，空隙率为46-53％。
6.根据权利要求1所述的光伏驱动电化学处理系统，其中，所述电化学处理单元II设置有多个阴极板II和多个阳极板II，所述阴极板II和阳极板II交替排列。
7.根据权利要求6所述的光伏驱动电化学处理系统，其中，
所述阴极板II采用石墨或钛板电极；
所述阳极板II采用Ti/RuO2-IrO2或Ti/RuO2-IrO2-SnO2涂层电极。
8.根据权利要求1所述的光伏驱动电化学处理系统，其中，所述光伏电源驱动单元包括光伏板组件、光伏控制器、DC-DC模块、蓄电池组、光控开关、滑动变阻器和电流表；
所述光伏电源驱动单元包括光伏电源驱动系统Ⅰ和光伏电源驱动系统Ⅱ，分别向电化学处理单元I、电化学处理单元Ⅱ供电。
9.采用权利要求1-8中任意一项所述的光伏驱动电化学处理系统的处理方法，其特征在于，该处理方法包括：
将废水依次流经电化学处理单元I、过滤单元、电化学处理单元II。
10.权利要求1-8中任意一项所述的光伏驱动电化学处理系统在处理微污染景观水体中的应用。
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