CN109052585A - 一种去除蓝藻及氮磷营养盐的电化学装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种去除蓝藻及氮磷营养盐的电化学装置，包括框架、浮体、蓝藻收集板、电化学阳极、磷回收阴极以及蓄电池，所述框架上下开口，通过侧面外部设置的浮体漂浮在水面上；所述蓝藻收集板为两块，分别位于框架的两侧，其一边与框架的侧板的纵边连接，相对的另一边向水面延伸，蓝藻收集板的板面垂直于水面，两块蓝藻收集板之间的夹角为90°；框架位于两块蓝藻收集板之间的前板顶部低于两侧侧板顶部，从而在两块蓝藻收集板之间形一个开口；所述电化学阳极固定在框架内壁上，且位于水面以下，所述磷回收阴极平行分布在电化学阳极下部；所述蓄电池固定在框架位于水面的部分上，为电化学阳极和磷回收阴极供电。

Description

一种去除蓝藻及氮磷营养盐的电化学装置

技术领域

本发明涉及一种去除蓝藻及氮磷营养盐的电化学装置，属于水环境保护领域。

背景技术

随着周围工、农业的发展和人口的增长，大量污染物进入河流和湖体内，水体水质不断恶化，浮游植物的生物多样性减少，正逐步向以绿藻-蓝藻为主的群落结构演替，随着营养盐含量的升高，部分湖区的富营养化程度也不断恶化。氮和磷被认为是造成水体富营养化的主要营养物质。除了入湖河流、地表径流、湖面降水等外源输入外，营养盐的动态、静态内源释放也导致水体维持在较高的富营养化水平。在水力作用下，湖内死亡藻类的重新分解也会产生大量颗粒态、溶解态和胶体态的营养盐，这部分内源释放的营养物将会重新进入湖体的物质循环圈，为藻类的生长所利用。

孙远军等对死亡蓝藻的好氧降解及营养盐释放规律进行了相关的研究。结果表明，蓝藻细胞有机碳的矿化速率为9.415mg/L·d，有机氮的氨化速率为0.441mg/L·d，有机磷的降解速率为0.044mg/L·d，好氧降解将会造成溶解态营养盐的大量释放，降解后硝态氮和正磷酸盐分别比初始值高4.22倍和4.20倍。因此，蓝藻以及蓝藻死亡之后释放的大量营养盐类重新进入湖体是目前蓝藻不断爆发的一个重要原因。

常用的除藻方法主要有化学药剂法、气浮法、直接过滤法和生物处理法等。新型的一些技术包括用介质阻挡放电等离子体技术、水中高压脉冲放电等离子体技术、脉冲式变频电磁场杀藻技术等，以及一些新型的高级氧化技术，比如电化学氧化技术，电絮凝-电气浮的方法去除蓝藻。

电化学去除蓝藻技术由于其快速高效等原因被研究人员广泛关注。电化学氧化的主要原理是利用电极反应直接降解有机物，或是通过电极反应产生羟基自由基、臭氧等有强氧化性的物质间接氧化还原有机物相比其他处理技术，电化学氧化技术所需设备简易，在常温常压下易于控制运行。电化学氧化过程中产生的自由基可直接与废水中的有机污染物反应，使其降解为CO₂、H₂O和小分子有机物等，并且有絮凝、杀菌作用。因此电化学氧化法可消除大量堆积的藻类有机物，从而达到降解藻源性湖泛的目的。但是仅对水体中蓝藻进行直接的杀灭，而不对水体中营养盐进行控制，不足以达到持续消灭蓝藻的目的，蓝藻降解之后其释放的氮磷营养盐和水体中原有的营养盐不加以去除的话，会导致蓝藻的再度爆发。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种能够方便灵活地对湖泊、江河、水库等水体中的蓝藻进行杀灭，并对其中的氮磷营养盐进行去除，防止蓝藻水华的循环爆发的电化学装置。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种去除蓝藻及氮磷营养盐的电化学装置，包括框架、浮体、蓝藻收集板、电化学阳极、磷回收阴极以及蓄电池，所述框架上下开口，通过侧面外部设置的浮体漂浮在水面上；所述蓝藻收集板为两块，分别位于框架的两侧，其一边与框架的侧板的纵边连接，相对的另一边向水面延伸，蓝藻收集板的板面垂直于水面，两块蓝藻收集板之间的夹角为90°；框架位于两块蓝藻收集板之间的前板顶部低于两侧侧板顶部，从而在两块蓝藻收集板之间形一个开口；所述电化学阳极固定在框架内壁上，且位于水面以下，所述磷回收阴极平行分布在电化学阳极下部；所述蓄电池固定在框架位于水面的部分上，为电化学阳极和磷回收阴极供电。

该电化学装置首先通过蓝藻收集板将水面上的蓝藻收集并置于框架内，通过电化学氧化过程产生的羟基自由基、臭氧等强氧化性物质直接与水体中的蓝藻进行反应，使其降解为CO₂、H₂O和小分子有机物等。

进一步地，所述磷回收阴极下部设有生物膜填料，为微生物提供容易附着的载体，增强水体中氮素的微生物转化能力，从而提高硝态氮、氨氮的去除能力，防止了蓝藻的再次爆发。

更进一步地，所述框架顶部通过支架安装有帆布，在有自然风的情况下形成一个受风面，便于该电化学装置在水面上移动，风浪将蓝藻聚集在蓝藻收集板之间，一层层的风浪将漂浮在水面上的蓝藻冲刷进框架内部。

再进一步地，所述框架顶部通过支架还安装有太阳能电池板，太阳能电池板位于帆布下方，利用光能为蓄电池充电。

优选地，所述磷回收阴极为若干呈蜂窝状的钢丝球，其与电化学阳极的距离为10～20cm，通过增大附着面积，可以有效地提高在电解反应过程中阴极沉淀磷酸盐的量。

优选地，所述电化学阳极为钛钇钌电极或不锈钢电极，其位于水面下0.5～1cm。

所述生物膜填料为弹性纤维丝，长度为50～100cm，其具有若干分叉，以增强微生物在生物膜填料上的附着能力。

优选地，所述蓝藻收集板至少为两块，其与框架的侧面成135°角。

本发明去除蓝藻及氮磷营养盐的电化学装置可根据待处理水体中蓝藻的浓度，在待处理水体中设置一个或多个该电化学装置。

有益效果：

1、本发明电化学装置将蓝藻收集在框架内，通过电化学氧化过程产生的羟基自由基、臭氧等强氧化性物质直接与水体中的蓝藻进行反应，使其降解为CO₂、H₂O和小分子有机物等；

2、本发明电化学装置顶部设置帆布，在有自然风的情况下形成一个受风面，风浪将蓝藻聚集在蓝藻收集板之间，一层层的风浪将漂浮在水面上的蓝藻冲刷进框架内，从而起到前期电化学反应过程中蓝藻的收集和浓缩作用；同时，本装置体积较小，不会影响水面行船，底部和水体相通，可以实现清理蓝藻之后干净水体的循环再生；

3、本发明电化学装置可以快速高效杀灭蓝藻之外，能进一步清除蓝藻死亡过程中以及水体中氮磷营养盐的去除；其内部还设置有比表面积较大的钢丝球阴极，该阴极具有更多的附着面积，可以有效地提高在电解反应过程中阴极沉淀磷酸盐的数量，同时，在阴极下部布满生物膜填料，可以提高水体中氮素的微生物转化能力，提高硝态氮、氨氮的去除能力，防止了蓝藻的再次爆发。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是该去除蓝藻及氮磷营养盐的电化学装置的整体结构示意图；

图2是该去除蓝藻及氮磷营养盐的电化学装置框架部分立体结构示意图；

图3是该去除蓝藻及氮磷营养盐的电化学装置应用状态实景图；

图4是空白组和试验组水体中Chla浓度的变化；

图5是空白组和试验组水体中TN浓度的变化；

图6是空白组和试验组水体中TP浓度的变化。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。

说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1和2所示，该电化学装置包括有机玻璃框架1、浮体2、蓝藻收集板3、电化学阳极6、磷回收阴极7以及蓄电池；有机玻璃框架1上下开口，有机玻璃装置长50cm，宽50cm，高均为50cm。

通过两侧壁上固定的空心的塑料浮体2漂浮并高出水面10cm左右，有机玻璃框架1的两侧各连接一块蓝藻收集板3，蓝藻收集板3与框架1的侧板11的纵边连接，相对的另一边向水面延伸，蓝藻收集板3的板面垂直于水面，并通过一连杆31与框架1之间加固，蓝藻收集板3与框架1的侧板成135°角；两块蓝藻收集板3之间的夹角为90°；框架1位于两块蓝藻收集板3之间的前板12顶部低于两侧侧板11顶部，从而在两块蓝藻收集板3之间形一个开口13；前板12顶部还设有一向下倾斜的引板14，便于将蓝藻引入框架1内；机玻璃框架1顶部通过支架安装有帆布4，通过自然风力的作用使得有机玻璃框架1能在水面自由移动，风浪将蓝藻聚集在蓝藻收集板3之间，一层层的风浪将漂浮在水面上的蓝藻冲刷进机玻璃框架1内。

有机玻璃框架1内壁上固定有电化学阳极6和磷回收阴极7，电化学阳极6为不锈钢电极，极板大小为35cm，平铺在布满蓝藻水面下0.6cm左右处，磷回收阴极7平行分布在电化学阳极6下部；磷回收阴极7为若干呈蜂窝状的钢丝球，其与电化学阳极6的距离为15cm左右；蓄电池固定在有机玻璃框架1位于水面的部分上，为电化学阳极6和磷回收阴极7供电，有机玻璃框架1顶部通过支架还安装有太阳能电池板5，太阳能电池板，尺寸520mm×410mm×25mm，功率30W。

太阳能电池板5位于帆布4下方，利用光能为蓄电池充电。

磷回收阴极7下部设有生物膜填料8，生物膜填料8为弹性纤维丝，长度为50～100cm，且弹性纤维丝两侧具有若干分叉。

使用时，根据湖泊沿岸蓝藻聚集区、重污染河道、水库等蓝藻发生的区域、强度情况和地理位置情况，布置一个或多个本发明的去除蓝藻及氮磷营养盐的电化学装置于水面。首次使用时，先为蓄电池充满电，日照时太阳能电池板产生的电能不断储存在蓄电池中，电解电极供电同时开始工作，电解电极电解时水体中产生大量的活性杀藻物质，包括羟基自由基等可直接与水体中的蓝藻进行反应杀灭蓝藻，其阴极具有较大的比表面积，在电解反应过程中，可以将水体中的磷酸盐进行回收在阴极表面。同时阴极下部的生物膜填料上生长的脱氮微生物可以将水体中的无机氮转化为氮气逃逸出水体中，以此可实现对水中蓝藻的治理和氮磷营养盐的去除。若遇地形位置比较狭窄的河面，可以直接将太阳能板搭建在岸边供装置反应使用。

实施例：

在江苏省太湖工作站野外构建电解去除蓝藻及氮磷营养盐的电化学装置(参见图3)，电解装置的阳极为网状钛钇钌电极，阴极为钛网，钛网大小25cm×25cm，阴极下部布置有微生物填料，填料为弹性纤维丝，长150mm，粗0.35mm，用于去除水体中的氮素，阳极和阴极之间的距离为10cm。设置3组试验空白组，3组电解去除蓝藻试验组。将电解装置放入试验桶中，将太湖水直接泵入实验桶中，体积180L，然后均匀添加高浓度蓝藻至实验桶中，接通直流稳压电源，对水体中的蓝藻进行电解反应去除，在电解反应过程中，电压为15V，电流0.6A，取样时间为1天，采样前将水样混合均匀后，之后分析测定水体指标Chla、TN、TP。具体结果见图4、图5和图6，从结果中可知，电解装置对蓝藻具有较好的去除效果，同时对水体的TN和TP也有一定的去除效果。从图4中可以看出随着电解时间的延长，Chla的含量急剧下降，至电解的第二天，Chla去除率由初始的400.23ug/L下降至195.53ug/L，其去除率达到51％，水体中蓝藻含量集聚下降，至电解反应的第四天，去除率达到85％，而对照组Chla的去除率仅为23.26％。对照总氮和总磷也能看出该电化学装置具有一定的去除效果(图5和图6)。在电解第4天为10.58mg/L，设有电化学装置的试验组去除率为56.37％，对照组的总氮含量高达20.62mg/L，对磷的去除效果也可以看出两组的区别。随着电解反应进行，磷酸盐会渐渐地沉积在阴极的表面，至电解反应的第6天，其去除率为69.6％。

本发明提供了一种去除蓝藻及氮磷营养盐的电化学装置的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种去除蓝藻及氮磷营养盐的电化学装置，其特征在于，包括框架(1)、浮体(2)、蓝藻收集板(3)、电化学阳极(6)、磷回收阴极(7)以及蓄电池，所述框架(1)上下开口，通过侧面外部设置的浮体(2)漂浮在水面上；所述蓝藻收集板(3)为两块，分别位于框架(1)的两侧，其一边与框架(1)的侧板的纵边连接，相对的另一边向水面延伸，蓝藻收集板(3)的板面垂直于水面，两块蓝藻收集板(3)之间的夹角为90°；框架(1)位于两块蓝藻收集板(3)之间的前板顶部低于两侧侧板顶部，从而在两块蓝藻收集板(3)之间形一个开口；所述电化学阳极(6)固定在框架(1)内壁上，且位于水面以下，所述磷回收阴极(7)平行分布在电化学阳极(6)下部；所述蓄电池固定在框架(1)位于水面的部分上，为电化学阳极(6)和磷回收阴极(7)供电。

2.根据权利要求1所述的一种去除蓝藻及氮磷营养盐的电化学装置，其特征在于，所述磷回收阴极(7)下部设有生物膜填料(8)。

3.根据权利要求2所述的一种去除蓝藻及氮磷营养盐的电化学装置，其特征在于，所述框架(1)顶部通过支架安装有帆布(4)。

4.根据权利要求2或3所述的一种去除蓝藻及氮磷营养盐的电化学装置，其特征在于，所述框架(1)顶部通过支架还安装有太阳能电池板(5)，太阳能电池板(5)位于帆布(4)下方，利用光能为蓄电池充电。

5.根据权利要求1所述的一种去除蓝藻及氮磷营养盐的电化学装置，其特征在于，所述磷回收阴极(7)为若干呈蜂窝状的钢丝球，其与电化学阳极(6)的距离为10～20cm。

6.根据权利要求1所述的一种去除蓝藻及氮磷营养盐的电化学装置，其特征在于，所述电化学阳极(6)为钛钇钌电极或不锈钢电极，其位于水面下0.5～1cm。

7.根据权利要求2所述的一种去除蓝藻及氮磷营养盐的电化学装置，其特征在于，所述生物膜填料(8)为弹性纤维丝，长度为50～100cm。

8.根据权利要求1所述的一种去除蓝藻及氮磷营养盐的电化学装置，其特征在于，所述蓝藻收集板(3)与框架(1)之间通过连杆(31)加固，蓝藻收集板(3)与框架(1)的侧板成135°角。