CN109231469A - 一种太阳能水体生态修复浮床系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种太阳能水体生态修复浮床系统，通过浮板系统对水体进行光电催化作用降解水体中有机质，而且可以通过加入电场促进富营养化水体中的磷降解为磷酸态，并将其输送至挥发性气体吸附区，与曝气吹脱过程中脱离水体的氨氮混合，在改性沸石中镁离子的作用下，形成鸟粪石等不溶态氮磷，在水生植物的作用下，进一步降低氮磷含量；结合好氧、缺氧和厌氧生化系统进行综合处理，为有效的解决水体富营养化问题提供了新的系统，从根本上达到对水体的修复。

Description

一种太阳能水体生态修复浮床系统
技术领域
本发明涉及一种具有水体生态修复功能的浮床系统，具体为一种太阳能水体生态修复浮床系统。
背景技术
如今，在我国很多地区的江、河、湖泊中都存在不同程度的水体污染状况。尤其是位于人口密集区域的大小河流、池塘等众多地表水域，由于人类的活动，将大量工业废水和生活污水以及农田径流中的植物营养物质排入湖泊、水库、河口、海湾等缓流水体后，水生生物特别是藻类将大量繁殖，使生物量的种群种类数量发生改变，破坏了水体的生态平衡，造成水富营养化。水体富营养化越来越剧烈，蓝藻爆发带来的城市供水危机等问题严重制约着我国经济的可持续发展。
现有技术中对水体污染的处理方式包括物理法、化学法、生物法。使用净水设备等物理方法对水体进行净化、抽换；向水体通入氧气；增加水体循环；向水体中添加化学、生物试剂进行净化等。其中添加化学、生物试剂的处理方法有可能进一步损伤水体生态系统，带来二次污染等新的危害；使用净水设备进行净化、抽换水体的方式通常能源、资源消耗大，只适合单次去污处理，处理效果难以持续保持；增加水体循环、向水体通入氧气的方式通常处理效率低，处理周期长，且处理效果不佳，曝气过程中还会吹脱出水体中易挥发性物质，影响周边居民正常生活；电力输送难度大：若为河道或湖泊周边位置，铺设电力设施还可以进行，但在湖中时，电力铺设成本急剧上升。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种太阳能水体生态修复浮床系统，旨在解决目前的生态浮床在水体修复领域对水体修复能力不足，可长期高效、灵活机动的进行水体净化，从根本上解决水体的污染问题。
本发明提供一种太阳能水体生态修复浮床系统，包括浮板系统1、太阳能发电系统2、浮筒3、滤池系统4、电催化系统5、吸水管6、原生动物7、行动机构8；
所述太阳能水体生态修复浮床系统以滤池系统1为中心，所述浮筒3和浮板系统均设置多个，所述浮筒3、浮板系统1设置在所述滤池系统周围，所述浮筒3为滤池系统提供浮力，浮板系统1通过管路连接滤池系统，所述行动机构8设置在浮筒3上，采用开启和/或关闭不同行动机构实现太阳能水体生态修复浮床系统在水面上自由行动；
所述滤池系统由上至下依次设置水生植物种植区401、挥发性气体吸附区402、好氧处理区403、曝气吹脱区404、缺氧厌氧区405，所述水生植物种植区401、挥发性气体吸附区402、好氧处理区403、曝气吹脱区404、缺氧厌氧区405采用不锈钢滤网隔开，所述曝气吹脱区采用曝气装置对水进行曝气吹脱处理；所述曝气装置采用曝气盘或穿孔管进行，所述曝气盘或穿孔管上下双层设置，上层曝气盘或穿孔管开孔向下，下层曝气盘或穿孔管开孔向上；
所述好氧处理区403设置网状填料，在所述滤池系统4入水前对网状填料进行挂膜处理，挂膜过程采用土著微生物进行；
所述电催化系统包括电极及电源，所述电催化系统5中的电极设置在挥发性气体吸附区402内，所述电源为太阳能发电系统2，所述电催化系统中正负极之间电压为40-80V，频率为10-15KHz，电场作用时间为每天30-60min；
所述滤池系统侧壁为桶装结构，所述侧壁设置加强筋，所述不锈钢滤网通过侧壁内侧的挂钩连接，所述挂钩设置开关，通过扭动，挂钩与不锈钢滤网剥离，可以轻松将不锈钢滤网取出；
所述缺氧厌氧区405中设置生物砖，所述生物砖是将多孔砖放置在待修复水体底部自然吸附微生物，然后取出放置在适宜环境中强化培养、驯化，提高微生物活性及耐污染环境的能力，所述滤池系统中设置原生动物7，用于掠食老化生物膜。
进一步地，所述水生植物种植区401上铺有生态黑土，水生植物种植在生态黑土中。水生植物，利用其根部与水体微生物的协同作用，创造局部微氧环境，能高效去除水中的氮和磷；当植物根系发达，进入挥发性气体吸附区402时，该层吸附的挥发性物质同样可以通过根系去除降解。
进一步地，所述浮板系统由下至上包括护网101、基质102、催化层103、负压腔104、玻璃覆盖层105，所述负压腔连接吸水管6，开启设置在吸水管6上的抽吸泵进行抽吸，受污染的水体经过护网101、基质102滤除大颗粒物质后经过催化层103进行光电催化后进入负压腔，负压腔内经过催化处理后的水进入吸水管内；
进一步地，所述催化层103为聚氨酯多孔泡沫板，所述聚氨酯多孔泡沫板按照如下步骤制备：
步骤1，将聚氨酯材料置于N，N-二甲基乙酰胺中，密封超声反应10-15min，直至完全溶解，形成聚氨酯溶液；
步骤2，将钛酸正丁酯加入无水乙醇，机械搅拌过程中，加入石墨烯，搅拌10-15min，然后加入聚乙烯吡咯烷酮形成分散醇液，超声冷却后得到二氧化钛、石墨混体液；
步骤3，将引发剂加入在二氧化钛、石墨混体液中，分散均匀后滴加至聚氨酯溶液中，搅拌均匀，得到混合液；
步骤4，将混合液放入微波反应釜中微波反应3-5h，恒温处理1-2h，得到改性聚氨酯溶液，然后加入聚醋酸乙烯酯混合均匀；
步骤5，将加入聚醋酸乙烯酯的改性聚氨酯溶液超声反应30-50min，然后减压蒸馏反应1-3h，得到改性聚氨酯材料；
步骤6，将改性聚氨酯材料置于烘箱烘干，并通入惰性气体循环，烘干9-10小时后得到聚氨酯多孔泡沫板。
进一步地，引发剂为过硫酸钾或亚硫酸钠；
进一步地，添加引发剂的同时，加入纳米银离子溶液；
进一步地，所述聚氨酯溶液质量浓度为25-38％，钛酸正丁酯浓度为4-8g/L，聚乙烯吡咯烷酮的浓度为10-18g/L，石墨烯的加入量为10-15g/L，引发剂的添加量为聚氨酯质量的4-12％，纳米银离子质量为石墨烯质量的30-50％；
进一步地，聚醋酸乙烯酯的添加量为聚氨酯质量的15-55％；
进一步地，浮板系统1中的护网采用不锈钢材料，所述护网和催化层分别连接电源负极和正极，形成电场，压差为3.5-5v；
进一步地，所述吸水管将经过浮板系统处理的水送入挥发性气体吸附区，所述挥发性气体吸附区底部设置进水布水管；
进一步地，所述挥发性气体吸附区顶部设置汽水分离装置，将收集到的气体通过抽气泵回流至气水输送管内；所述吸水管连通气水输送管，将部分经过浮板系统处理的水体通入气水输送管输送至缺氧厌氧区405底部设置的气水分布板中进行布水布气；
进一步地，所述挥发性气体吸附区设置改性沸石，将沸石粉碎、洗涤，并在碱性条件下浸泡改性，然后取出烘干后置于含镁溶液中，然后取出沸石烘干处理，然后将烘干后的沸石置于氯化稀土溶液中浸泡，取出烘干后得到改性沸石；
进一步地，所述含镁溶液为氯化镁溶液、海水、盐卤或灰烬溶液中的一种或多种；其浓度以镁离子计为1.2-8g/L；
进一步地，所述氯化稀土为氯化铈、氯化镧中的一种或两种，其浓度为5-8g/L；
进一步地，所述太阳能发电系统2设置光线测定装置，太阳能板设置为圆盘状，基于光线测定装置，太阳能板转向光线最易接受方向；
进一步地，所述太阳能发电系统还包括电池组件，电池组件用于收集晴天状态下收集到的电能，以备夜晚或阴雨天气使用；
进一步地，所述太阳能水体生态修复浮床系统中部分或全部用电部件采用太阳能发电系统作为电源使用；
进一步地，所述浮筒上设置水质检测装置，所述水质检测装置检测水体pH、COD、总氮、总磷、水温等；所述浮筒设置8个，每个浮筒上均设置所述水质检测装置，当8个水质监测装置检测结果超出设定差值，则浮筒上的行动机构则启动向污染物浓度高的区域划动。
有益效果
本发明的一种太阳能水体生态修复浮床系统，通过浮板系统对水体进行光电催化作用降解水体中有机质，而且可以通过加入电场促进富营养化水体中的磷降解为磷酸态，并将其输送至挥发性气体吸附区，与曝气吹脱过程中脱离水体的氨氮混合，在改性沸石中镁离子的作用下，形成鸟粪石等不溶态氮磷，在水生植物的作用下，进一步降低氮磷含量，为有效的解决水体富营养化问题提供了新的系统，从根本上达到对水体的修复。
电催化系统的引入，使得水生植物根系在电场作用下，促进根系对污染粒子的吸收，提高水生植物代谢活性。
附图说明
图1为太阳能水体生态修复浮床系统俯视图；
图2为太阳能水体生态修复浮床系统侧视图；
图3为浮板系统示意图；
浮板系统1、太阳能发电系统2、浮筒3、滤池系统4、电催化系统5、吸水管6、原生动物7、行动机构8；
护网101、基质102、催化层103、负压腔104、玻璃覆盖层105；
水生植物种植区401、挥发性气体吸附区402、好氧处理区403、曝气吹脱区404、缺氧厌氧区405、气水输送管406。
具体实施方式
实施例1：
参阅图1、图2、图3，本发明提供一种太阳能水体生态修复浮床系统，包括浮板系统1、太阳能发电系统2、浮筒3、滤池系统4、电催化系统5、吸水管6、原生动物7、行动机构8；
所述太阳能水体生态修复浮床系统以滤池系统1为中心，所述浮筒3和浮板系统均设置多个，所述浮筒3、浮板系统1设置在所述滤池系统周围，所述浮筒3为滤池系统提供浮力，浮板系统1通过管路连接滤池系统，所述行动机构8设置在浮筒3上，采用开启和/或关闭不同行动机构实现太阳能水体生态修复浮床系统在水面上自由行动；
所述滤池系统由上至下依次设置水生植物种植区401、挥发性气体吸附区402、好氧处理区403、曝气吹脱区404、缺氧厌氧区405，所述水生植物种植区401、挥发性气体吸附区402、好氧处理区403、曝气吹脱区404、缺氧厌氧区405采用不锈钢滤网隔开，所述曝气吹脱区采用曝气装置对水进行曝气吹脱处理；所述曝气装置采用曝气盘或穿孔管进行，所述曝气盘或穿孔管上下双层设置，上层曝气盘或穿孔管开孔向下，下层曝气盘或穿孔管开孔向上；
所述好氧处理区403设置网状填料，在所述滤池系统4入水前对网状填料进行挂膜处理，挂膜过程采用土著微生物进行；
所述电催化系统包括电极及电源，所述电催化系统5中的电极设置在挥发性气体吸附区402内，所述电源为太阳能发电系统2；所述电催化系统中正负极之间电压为60V，频率为10KHz，电场作用时间为每天30min；
所述滤池系统侧壁为桶装结构，所述侧壁设置加强筋，所述不锈钢滤网通过侧壁内侧的挂钩连接，所述挂钩设置开关，通过扭动，挂钩与不锈钢滤网剥离，可以轻松将不锈钢滤网取出；
所述缺氧厌氧区405中设置生物砖，所述生物砖是将多孔砖放置在待修复水体底部自然吸附微生物，然后取出放置在适宜环境中强化培养、驯化，提高微生物活性及耐污染环境的能力，所述滤池系统中设置原生动物7，用于掠食老化生物膜；
所述浮板系统由下至上包括护网101、基质102、催化层103、负压腔104、玻璃覆盖层105，所述负压腔连接吸水管6，开启设置在吸水管6上的抽吸泵进行抽吸，受污染的水体经过护网101、基质102滤除大颗粒物质后经过催化层103进行光电催化后进入负压腔，负压腔内经过催化处理后的水进入吸水管内；
所述催化层103为聚氨酯多孔泡沫板，所述聚氨酯多孔泡沫板按照如下步骤制备：
步骤1，将聚氨酯材料置于N，N-二甲基乙酰胺中，密封超声反应10-15min，直至完全溶解，形成聚氨酯溶液；
步骤2，将钛酸正丁酯加入无水乙醇，机械搅拌过程中，加入石墨烯，搅拌10-15min，然后加入聚乙烯吡咯烷酮形成分散醇液，超声冷却后得到二氧化钛、石墨混体液；
步骤3，将引发剂加入在二氧化钛、石墨混体液中，分散均匀后滴加至溶液A中，搅拌均匀，得到混合液；
步骤4，将混合液放入微波反应釜中微波反应3-5h，恒温处理1-2h，得到改性聚氨酯溶液，然后加入聚醋酸乙烯酯混合均匀；
步骤5，将加入聚醋酸乙烯酯的改性聚氨酯溶液超声反应30-50min，然后减压蒸馏反应1-3h，得到改性聚氨酯材料；
步骤6，将改性聚氨酯材料置于烘箱烘干，并通入惰性气体循环，烘干9-10小时后得到聚氨酯多孔泡沫板；引发剂为过硫酸钾或亚硫酸钠；所述聚氨酯溶液质量浓度为30％，钛酸正丁酯浓度为5g/L，聚乙烯吡咯烷酮的浓度为15g/L，石墨烯的加入量为10g/L，引发剂的添加量为聚氨酯质量的8％，纳米银离子质量为石墨烯质量的35％；
聚醋酸乙烯酯的添加量为聚氨酯质量的25％；
浮板系统1中的护网采用不锈钢材料，所述护网和催化层分别连接电源负极和正极，形成电场，压差为3.5v；
所述吸水管将经过浮板系统处理的水送入挥发性气体吸附区，所述挥发性气体吸附区底部设置进水布水管；
所述挥发性气体吸附区设置改性沸石，将沸石粉碎、洗涤，并在碱性条件下浸泡改性，然后取出烘干后置于含镁溶液中，然后取出沸石烘干处理，然后将烘干后的沸石置于氯化稀土溶液中浸泡，取出烘干后得到改性沸石；
所述含镁溶液为氯化镁溶液，其浓度以镁离子计为5g/L；所述氯化稀土为氯化铈和氯化镧，其浓度为5g/L。
实施例2
按照实施例1中的系统设置，将其投放至严重富营养化的某农村水塘中，其中，水塘中CODCr450mg/L、总氮5.2mg/L、总磷0.98mg/L，经过一年的处理，水塘中CODCr、总氮、总磷均显著下降，分别为90.1％、82.3％和86.4％。
实施例3
按照实施例1中的系统设置，将8个系统投放至某湖泊中，划定其活动区域，在其活动区域均布采样点，水样进行混合后测定，CODCr215mg/L、总氮1.8mg/L、总磷0.49mg/L，经过一年的修复，该水体水质明显好转，CODCr、总氮、总磷均显著下降，分别为78％、60.3％和75.4％
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种太阳能水体生态修复浮床系统，其特征在于，所述太阳能生态修复浮床系统包括浮板系统、太阳能发电系统、浮筒、滤池系统、电催化系统、吸水管、原生动物、行动机构；
所述太阳能水体生态修复浮床系统以滤池系统为中心，所述浮筒和浮板系统均设置多个，所述浮筒、浮板系统设置在所述滤池系统周围，所述浮筒为滤池系统提供浮力，浮板系统通过管路连接滤池系统，所述行动机构设置在浮筒上，采用开启和/或关闭不同行动机构实现太阳能水体生态修复浮床系统在水面上自由行动；
所述滤池系统由上至下依次设置水生植物种植区、挥发性气体吸附区、好氧处理区、曝气吹脱区、缺氧厌氧区，所述水生植物种植区、挥发性气体吸附区、好氧处理区、曝气吹脱区、缺氧厌氧区采用不锈钢滤网隔开，所述曝气吹脱区采用曝气装置对水进行曝气吹脱处理；所述曝气装置采用曝气盘或穿孔管进行，所述曝气盘或穿孔管上下双层设置，上层曝气盘或穿孔管开孔向下，下层曝气盘或穿孔管开孔向上；
所述好氧处理区设置网状填料，在所述滤池系统入水前对网状填料进行挂膜处理，挂膜过程采用土著微生物进行；
所述电催化系统包括电极及电源，所述电催化系统中的电极设置在挥发性气体吸附区内，所述电源为太阳能发电系统；
所述滤池系统侧壁为桶装结构，所述侧壁设置加强筋，所述不锈钢滤网通过侧壁内侧的挂钩连接，所述挂钩设置开关，通过扭动，挂钩与不锈钢滤网剥离，可以轻松将不锈钢滤网取出；
所述缺氧厌氧区中设置生物砖，所述生物砖是将多孔砖放置在待修复水体底部自然吸附微生物，然后取出放置在适宜环境中强化培养、驯化，提高微生物活性及耐污染环境的能力，所述滤池系统中设置原生动物，用于掠食老化生物膜。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水生植物种植区上铺有生态黑土，水生植物种植在生态黑土中，水生植物利用其根部与水体微生物的协同作用，创造局部微氧环境，能高效去除水中的氮和磷；当植物根系发达，进入挥发性气体吸附区时，该层吸附的挥发性物质同样可以通过根系去除降解。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述浮板系统由下至上包括护网、基质、催化层、负压腔、玻璃覆盖层，所述负压腔连接吸水管，开启设置在吸水管上的抽吸泵进行抽吸，受污染的水体经过护网、基质滤除大颗粒物质后经过催化层进行光电催化后进入负压腔，负压腔内经过催化处理后的水进入吸水管内。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述催化层为聚氨酯多孔泡沫板，所述聚氨酯多孔泡沫板按照如下步骤制备：
步骤1，将聚氨酯材料置于N，N-二甲基乙酰胺中，密封超声反应10-15min，直至完全溶解，形成聚氨酯溶液；
步骤2，将钛酸正丁酯加入无水乙醇，机械搅拌过程中，加入石墨烯，搅拌10-15min，然后加入聚乙烯吡咯烷酮形成分散醇液，超声冷却后得到二氧化钛、石墨混体液；
步骤3，将引发剂加入在二氧化钛、石墨混体液中，分散均匀后滴加至聚氨酯溶液中，搅拌均匀，得到混合液；
步骤4，将混合液放入微波反应釜中微波反应3-5h，恒温处理1-2h，得到改性聚氨酯溶液，然后加入聚醋酸乙烯酯混合均匀；
步骤5，将加入聚醋酸乙烯酯的改性聚氨酯溶液超声反应30-50min，然后减压蒸馏反应1-3h，得到改性聚氨酯材料；
步骤6，将改性聚氨酯材料置于烘箱烘干，并通入惰性气体循环，烘干9-10小时后得到聚氨酯多孔泡沫板。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，引发剂为过硫酸钾或亚硫酸钠。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，添加引发剂的同时，加入纳米银离子溶液。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，，所述聚氨酯溶液质量浓度为25-38％，钛酸正丁酯浓度为4-8g/L，聚乙烯吡咯烷酮的浓度为10-18g/L，石墨烯的加入量为10-15g/L，引发剂的添加量为聚氨酯质量的4-12％，纳米银离子质量为石墨烯质量的30-50％。
8.如权利要求3所述的系统，其特征在于，浮板系统中的护网采用不锈钢材料，所述护网和催化层分别连接电源负极和正极，形成电场，压差为3.5-5v。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述吸水管将经过浮板系统处理的水送入挥发性气体吸附区，所述挥发性气体吸附区底部设置进水布水管。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，，所述挥发性气体吸附区设置改性沸石，将沸石粉碎、洗涤，并在碱性条件下浸泡改性，然后取出烘干后置于含镁溶液中，然后取出沸石烘干处理，然后将烘干后的沸石置于氯化稀土溶液中浸泡，取出烘干后得到改性沸石。
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