CN111453936A - 一种多能场全效反应生态耦合系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多能场全效反应生态耦合系统，涉及河道污水处理技术领域，包括光能场反应器、磁能场反应器、超声能场反应器、质能强化循环器、供能组件以及复合生态组件，光能场反应器用于在阳光照射下产生具有催化活性的活性基团并释放至水体中；磁能场反应器用于将河水表面层的水体微观磁化；超声能场反应器用于向水体散发超声波；质能强化循环器用于推动河道内上下层水体循环流动；供能组件用于向上述各反应器供给运作所需的能量，本发明技术方案在微观层面改变溶液物化性质，辅以综合能量场和活性反应，并结合强化传质混合与生态耦合手段，将污水处理能力和效率叠加倍增，将无能耗、高效率和可持续的绿色治理能力发挥到了极致。

Description

一种多能场全效反应生态耦合系统

技术领域

本发明涉及河道污水处理技术领域，更具体地说，它涉及一种多能场全效反应生态耦合系统。

背景技术

随着经济的发展，河道污水中含有的有害有机物越来越多，如农药、印染、化工等行业废水中含有大量的有机污染物，严重破坏了自然生态环境。降解水中有机污染物的方法有很多，例如，常规的污水处理技术：混凝法、酸析法、生物化学法、液膜分离法等，尽管取得了一定的治理效果，但随着污水量的增加和难降解有机物的种类增多，上述治理效果并不理想。

针对于河道污水处理中存在的问题，专利公告号为CN1539760A的中国专利，提出了一种光催化及生物法处理水的转盘，包括转轴及固定在转轴上的叶轮，叶轮由叶片及位于叶片两侧的挡片构成，叶片和挡片的内外侧面分别种植仿生水草和镀二氧化钛，上述方案集成了生化技术、曝气技术、光催化技术、吸附技术等，欲提升河道水体的处理效率。但是，上述方案中并没有从微观层面改变溶液物化性质，在整个处理过程中水体的活性并未得到有效的改善，并且上述方案中镀在挡片侧面的二氧化钛并不能高效的发挥出降解水中有机污染物，氧化无机污染物为无害物的优点。

由此可见，对于河道污水的处理，需要提出一种更为高效合理的方案。

发明内容

针对实际运用中河道污水处理效率低、水体活性得不到有效改善这一问题，本发明目的在于提出一种多能场全效反应生态耦合系统，其能够从微观层面改变溶液物化性质，辅以综合能量场和活性反应，并结合强化传质混合与生态耦合手段，将河道污水的处理能力和效率叠加倍增，净化河道水体，提升河道水体的活性。具体方案如下：

一种多能场全效反应生态耦合系统，包括：

光能场反应器，设置于河水表面层，包括负载有光催化剂的石墨烯，用于在阳光照射下产生具有催化活性的活性基团并释放至水体中；

磁能场反应器，设置于所述光能场反应器下方，用于将河水表面层的水体微观磁化；

超声能场反应器，设置于所述光能场反应器下方且整体呈类笼式结构，包围所述磁能场反应器，用于向水体散发超声波；

质能强化循环器，设置于所述光能场反应器下方，用于推动河道内上下层水体循环流动；

供能组件，配置为用于向上述各反应器供给运作所需的能量。

通过上述技术方案，基于光催化反应机理，在河道水体的表面层产生大量的活性基团，上述活性基团与水中的污染物发生催化降解反应，降解去除水中污染物。磁能场反应器用于将河道中水体进行微观磁化，通过极性分子在磁场中的扭曲旋转，将大分子水变成小分子水，产生活性基团，降低水的表面自由能和表面张力，增加水的传质和各类反应速度，上述磁能场反应器位于光能场反应器下方，磁化水扩散到光能场反应器时，形成的微磁场环境，能够使光能场反应器中的纳米带光学响应可调谐至太赫兹范围，更容易激发光催化反应，提高光催化反应效率。而通过设置超声能场反应器，在水体中传导超声波，当超声波的振动方向与磁化方向保持一致时，在超声振动的同时可以在极短的时间内使水体得到多次磁化，使磁化效果更强烈，达到同样的磁化程度所需的磁场强度也更低。质能强化循环器也增进了河道上下层水体之间的流动，促进上下层物质与能量的交换和反应。综合而言，上述方案大大提升了水处理的效率，能够快速的对河道内有害有机物进行降解，实现河道水体的净化及生态的修复。

进一步的，所述光能场反应器配置为孔板或网状结构，采用石墨烯与有机复合纤维、树脂材料混掺后加工制造而成，或在有机复合纤维表面涂覆石墨烯。

上述技术方案中，石墨烯材料本身具有巨大的比表面积，对水体中的污染物有很强的吸附性能，而石墨烯表面负载有光催化剂，使得被吸附富集的污染物更易于被集中降解，提升污染物的处理效率。

进一步的，所述磁能场反应器配置为多个排布于所述光能场反应器下方的管式磁化设备；

所述管式磁化设备采用永磁体或电磁体制成。

通过上述技术方案，上下循环流动的水体经过管式磁化设备后，水体能够被微观磁化，进而提升水体的活性。通过采用电磁体制作上述管式磁化设备，使得管式磁化设备的磁化强度能够精确方便的调节。

进一步的，所述超声能场反应器包括超声场笼，所述超声场笼的顶部开口，其边壁和底壁配置为石墨烯复合材料穿孔板，或于复合材料穿孔板表面涂覆石墨烯；

所述超声场笼内设置有超声振动棒或与超声波换能器直接连接，将超声波传导至超声场笼内，或通过超声场笼向笼内或笼外散发超声波。

通过上述技术方案，由石墨烯材料制成的超声场笼具有巨大的比表面积，对水体中污染物有强大的吸附作用。并且，通过超声波在微观尺度的正压和负压周期性传播，在水中产生空化效应和局部热效应，上述空化效应和局部热效应将进一步加强磁化水在光能场反应器表面的催化反应，并能够通过局部高压高热效应，直接促使光能场反应器和超声能场反应器中石墨烯内部空隙中吸附的污染物发生化学分解，使石墨烯的吸附能力得到动态再生，能够重新吸附和降解污染物质。

进一步的，所述质能强化循环器包括水泵循环装置、机械搅拌循环装置或气提管道组件。

通过上述技术方案，能够促进超声场笼内外的水体流动，有利于促进水体上下层物质与能量的交换和反应。将河道上液面的光能反应、磁化反应、超声波场能产生的活性基团，连同氧气一起输送到河道底部液体中，增加河道上下液面的物质和能量交换，改善河道各部位的整体环境。

进一步的，所述质能强化循环器配置为气提管道组件，所述气提管道组件包括底部封闭的进水管井、进气管道以及呈倒U形设置的气提出水管；

所述进气管道一端与外部风机设备相连通，另一端与所述气提出水管相连通；

所述磁能场反应器设置于所述进水管井上端部内，所述气提出水管一端延伸至进水管井中且位于磁能场反应器下方位置，另一端设于所述进水管井外部且齐平于或低于所述超声波场笼底部。

通过上述技术方案，能够将位于进水管井中的水体输送至进水管井外部且位于超声场笼下方位置，而位于进水管井顶部，即富含活性基团的河道表层水体则会被向下吸入到气提出水管中，由此实现水体的循环，便于活性基团均匀分布在水体中。气提出水管同时也能够起到曝气作用，提升水体中的溶解氧含量。

进一步的，所述多能场全效反应生态耦合系统还包括复合生态组件，所述复合生态组件包括设于光能场反应器旁边的水上浮动件和水下生物填料；

所述浮动件包括提供浮力支撑的浮床或浮岛，所述浮床或浮岛上栽种有水生植物；

所述水下生物填料包括便于微生物附着生长的载体。

通过上述技术方案，复合生态组件最终能形成微生物、后生动物、水生动植物的复合生态系统，提升综合净化水质的作用，光能场反应、磁能场反应和超声能场反应将对周边的复合生态组件的生态体系构建和生态净化发挥，产生良性的激活和催化效应，从而进一步强化水体的净化能力。

进一步的，所述供能组件包括设置于一独立浮体或所述浮动件上的太阳能发电设备、风机设备和超声波发生器；

所述太阳能发电设备与风机设备和超声波发生器电连接，用于提供电能；

所述风机设备与所述进气管道相连通，为质能强化循环器的气提管道组件提供压力气体；

所述超声波发生器配置为超声能场反应器的超声波换能器提供设定功率和频率的交变信号。

通过上述技术方案，能够使得整个系统独立于电网运行，无需外部供电。

进一步的，所述太阳能发电设备包括太阳能板、控制器、蓄电池以及逆变器，所述太阳能板倾斜朝向正南方向设置。

通过上述技术方案，能够产生并存储供系统使用的电能，保证整个系统的持续运行。

进一步的，所述管式磁化设备采用钕铁硼永磁体，磁感应强度配置为0.1~0.5T。

通过上述技术方案，可以为管式磁化设备提供稳定的磁场强度，并且不增加系统能耗。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）通过设置光能场反应器以及磁能场反应器，当自然光照射时，光催化剂发生能量激发和跃迁，产生具有催化活性的活性基团，与水中的污染物发生催化降解反应，降解去除水中污染物；磁能场反应器用于将河道进水进行微观磁化，通过极性分子在磁场中的扭曲旋转，将大分子水变成小分子水，产生活性基团，降低水的表面自由能和表面张力，增加水的传质和各类反应速度；磁化水扩散到光能场反应器时，形成的微磁场环境，能够使光能场反应器中的纳米带光学响应可调谐至太赫兹范围，更容易激发光能反应，提高其光能反应效率。

（2）通过设置超声能场反应器，超声波的振动方向与磁化方向保持一致，在超声振动的时候，可以在极短的时间内使水体得到多次磁化，使磁化效果更强烈，或通过增加磁化次数而降低磁场强度。

（3）通过设置质能强化循环器，将河道水体上液面的光能反应、磁化反应、超声波场能产生的活性基团，连同氧气一起输送到底部液体中，增加上下液面的物质和能量交换，改善河道各部位的整体环境

（4）通过设置复合生态组件，利用植物生长和发达的植物根系吸附、吸收、去除污染物质，并向水体补充溶解氧，生物填料悬挂于浮动件下方，微生物附着在生物填料上生长繁殖，降解去除污染物质。

附图说明

图1为本发明多能场全效反应生态耦合系统的俯视示意图；

图2为本发明多能场全效反应生态耦合系统的侧视示意图。

附图标记：1、光能场反应器；2、磁能场反应器；3、超声能场反应器；4、质能强化循环器；5、供能组件；6、复合生态组件；7、管式磁化设备；8、超声场笼；10、超声波换能器；11、气提管道组件；12、进水管井；13、进气管道；14、气提出水管；15、浮床；16、水生植物；17、水下生物填料；18、太阳能发电设备；19、风机设备；20、超声波发生器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

一种多能场全效反应生态耦合系统，主要用于河道的水处理。如图1和图2所示（为示意清楚，图中部分特征结构做简化处理），主要包括光能场反应器1、磁能场反应器2、超声能场反应器3、质能强化循环器4、供能组件5以及复合生态组件6。

所述光能场反应器1设置于河水表面层，包括负载有光催化剂的石墨烯，用于在阳光照射下产生具有催化活性的活性基团并释放至水体中。磁能场反应器2设置于光能场反应器1下方，用于将河水表面层的水体微观磁化。超声能场反应器3设置于光能场反应器1下方且整体呈类笼式结构，包围磁能场反应器2，用于向水体散发超声波。质能强化循环器4设置于光能场反应器1下方，用于推动河道内上下层水体循环流动。供能组件5配置为用于向上述各反应器供给运作所需的能量。

上述方案中，光能场反应器1基于光催化反应机理，在河道水体的表面层产生大量的活性基团，上述活性基团与水中的污染物发生催化降解反应，降解去除水中污染物。

水溶液中的光催化氧化反应在半导体表面失去电子的主要是水分子，-和有机物本身也均可充当光致空穴的俘获剂,水分子经变化后生，成氧化能力极强的羟基自由基,由于过氧化物的不稳定性及活性,反应继续进行,最终产生羟基自由基,成为OH^-的另一来源,由于吸附于粒子表面的氧是主要的电子俘获剂，因此,水中溶解氧的浓度越大越有利于羟基自由基的生成。OH^-具有很高的氧化性,理想情况下,当反应足够长时,水中有机物可被氧化成H20和CO2。在本发明中，上述光催化剂包括但不限于TiO2、CdS、ZrO2等，在本实施例中优选的采用TiO2。TiO2催化剂的主要反应过程以及光催化原理在此不再赘述。

进一步详述的，所述光能场反应器1配置为孔板或网状结构，采用石墨烯与有机复合纤维、树脂材料混掺后加工制造而成，或在有机复合纤维表面涂覆石墨烯。上述光能场反应器1经由一支架或其它支撑结构，悬浮于河水表面层。上述技术方案中，石墨烯材料本身具有巨大的比表面积，对水体中的污染物有很强的吸附性能，而石墨烯表面负载有光催化剂TiO2，使得被吸附富集的污染物更易于被集中降解，提升污染物的处理效率。

本发明中，磁能场反应器2用于将河道中水体进行微观磁化，通过极性分子在磁场中的扭曲旋转，将大分子水变成小分子水，产生活性基团，降低水的表面自由能和表面张力，增加水的传质和各类反应速度。

详述的，所述磁能场反应器2配置为多个排布于光能场反应器1下方的管式磁化设备7。如图1所示，本实施例中，上述管式磁化设备7的数量设置为8个，且均位于光能场反应器1下方，并位于超声能场反应器3的作用范围内。

上述管式磁化设备7采用永磁体或电磁体制成，在本发明中，优选的采用钕铁硼永磁体，磁感应强度配置为0.1~0.5T，不仅可以为管式磁化设备7提供稳定的磁场强度，而且不会增加系统的能耗。

工作过程中，被质能强化循环器4推动而上下循环流动的水体经过管式磁化设备7后，水体能够被微观磁化，进而提升水体的活性。由于上述磁能场反应器2位于光能场反应器1下方，经磁化后的磁化水扩散到光能场反应器1时，形成的微磁场环境，能够使光能场反应器1中的纳米带光学响应可调谐至太赫兹范围，更容易激发光催化反应，提高光催化反应效率，上述效果可参见石墨烯的物理化学特性。

如图2所示，所述超声能场反应器3包括超声场笼8，超声场笼8的顶部开口，其呈环形的边壁以及底壁配置为石墨烯复合材料穿孔板，或于复合材料穿孔板表面涂覆石墨烯。超声场笼8内设置有超声振动棒或所述超声场笼8与超声波换能器10直接连接，将超声波传导至超声场笼8内，或通过超声场笼8向笼内或笼外散发超声波。

通过设置上述超声能场反应器3，在水体中传导超声波，当超声波的振动方向与磁化方向保持一致时，在超声振动的同时可以在极短的时间内使水体得到多次磁化，使磁化效果更强烈，达到同样的磁化程度所需的磁场强度也更低，使得系统配置更为简单。而由石墨烯材料制成的超声场笼8具有巨大的比表面积，对水体中污染物有强大的吸附作用。并且，通过超声波在微观尺度的正压和负压周期性传播，在水中产生空化效应和局部热效应，上述空化效应和局部热效应将进一步加强磁化水在光能场反应器1表面的催化反应，并能够通过局部高压高热效应，直接促使光能场反应器1和超声能场反应器3中石墨烯内部空隙中吸附的污染物发生化学分解，使石墨烯的吸附能力得到动态再生，能够重新吸附和降解污染物质。

本发明中，质能强化循环器4主要用于增进河道上下层水体之间的流动，促进上下层物质与能量的交换和反应。质能强化循环器4可以采用水泵循环装置、机械搅拌循环装置或气提管道组件11。

优选的，本实施例中，上述质能强化循环器4配置为气提管道组件11。如图2所示，气提管道组件11包括底部封闭的进水管井12、进气管道13以及呈倒U形设置的气提出水管14。进气管道13一端与外部风机设备19相连通，另一端与气提出水管14相连通，利用外部风机设备19向气提出水管14鼓气。

磁能场反应器2设置于进水管井12上端部内，气提出水管14一端延伸至进水管井12中且位于磁能场反应器2下方位置，另一端设于进水管井12外部且齐平于或低于超声波场笼底部。工作时，气提出水管14能够将位于进水管井12底部的水体输送至进水管井12外部且位于超声场笼8下方位置，而位于进水管井12顶部，即富含活性基团的河道表层水体则会被向下吸入到气提出水管14中，由此实现水体的循环，便于活性基团均匀分布在水体中。气提出水管14同时也能够起到曝气作用，提升水体中的溶解氧含量，利于光催化反应的进行。

通过上述技术方案，能够促进超声场笼8内外的水体流动，有利于促进水体上下层物质与能量的交换和反应。将河道上液面的光能反应、磁化反应、超声波场能产生的活性基团，连同氧气一起输送到河道底部液体中，增加河道上下液面的物质和能量交换，改善河道各部位的整体环境。

如图1和图2所示，上述复合生态组件6包括设于光能场反应器1旁边的水上浮动件和水下生物填料17。上述浮动件包括提供浮力支撑的浮床15或浮岛，浮床15或浮岛上栽种有水生植物16。水下生物填料17包括便于微生物附着生长的载体，如生物绳、弹性填料、半软性填料、软性填料、组合填料、碳素纤维填料等水处理和河道治理常用生物填料。生物填料悬挂于浮动件下方，微生物附着在生物填料上生长繁殖，降解去除污染物质。

上述技术方案，复合生态组件6最终能形成微生物、后生动物、水生动植物的复合生态系统，提升综合净化水质的作用，光能场反应、磁能场反应和超声能场反应将对周边的复合生态组件6的生态体系构建和生态净化发挥，产生良性的激活和催化效应，从而进一步强化水体的净化能力。

本发明中，所述供能组件5包括设置于一独立浮体或所述浮动件上的太阳能发电设备18、风机设备19和超声波发生器20。

所述太阳能发电设备18与风机设备19和超声波发生器20电连接，用于提供电能，包括太阳能板、控制器、蓄电池以及逆变器，太阳能板倾斜朝向正南方向设置。所述风机设备19与进气管道13相连通，为质能强化循环器4的气提管道组件11提供压力气体。所述超声波发生器20配置为超声能场反应器3的超声波换能器10提供设定功率和频率的交变信号。上述技术方案能够使得整个系统独立于电网运行，无需外部供电。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多能场全效反应生态耦合系统，其特征在于，包括：

光能场反应器(1)，设置于河水表面层，包括负载有光催化剂的石墨烯，用于在阳光照射下产生具有催化活性的活性基团并释放至水体中；

磁能场反应器(2)，设置于所述光能场反应器(1)下方，用于将河水表面层的水体微观磁化；

超声能场反应器(3)，设置于所述光能场反应器(1)下方且整体呈类笼式结构，包围所述磁能场反应器(2)，用于向水体散发超声波；

质能强化循环器(4)，设置于所述光能场反应器(1)下方，用于推动河道内上下层水体循环流动；

供能组件(5)，配置为用于向上述各反应器供给运作所需的能量。

2.根据权利要求1所述的多能场全效反应生态耦合系统，其特征在于，所述光能场反应器(1)配置为孔板或网状结构，采用石墨烯与有机复合纤维、树脂材料混掺后加工制造而成，或在有机复合纤维表面涂覆石墨烯。

3.根据权利要求2所述的多能场全效反应生态耦合系统，其特征在于，所述磁能场反应器(2)配置为多个排布于所述光能场反应器(1)下方的管式磁化设备(7)；

所述管式磁化设备(7)采用永磁体或电磁体制成。

4.根据权利要求1所述的多能场全效反应生态耦合系统，其特征在于，所述超声能场反应器(3)包括超声场笼(8)，所述超声场笼(8)的顶部开口，其边壁和底壁配置为石墨烯复合材料穿孔板，或于复合材料穿孔板表面涂覆石墨烯；

所述超声场笼(8)内设置有超声振动棒或与超声波换能器(10)直接连接，将超声波传导至超声场笼(8)内，或通过超声场笼(8)向笼内或笼外散发超声波。

5.根据权利要求4所述的多能场全效反应生态耦合系统，其特征在于，所述质能强化循环器(4)包括水泵循环装置、机械搅拌循环装置或气提管道组件(11)。

6.根据权利要求5所述的多能场全效反应生态耦合系统，其特征在于，所述质能强化循环器(4)配置为气提管道组件(11)，所述气提管道组件(11)包括底部封闭的进水管井(12)、进气管道(13)以及呈倒U形设置的气提出水管(14)；

所述进气管道(13)一端与外部风机设备(19)相连通，另一端与所述气提出水管(14)相连通；

所述磁能场反应器(2)设置于所述进水管井(12)上端部内，所述气提出水管(14)一端延伸至进水管井(12)中且位于磁能场反应器(2)下方位置，另一端设于所述进水管井(12)外部且齐平于或低于所述超声波场笼底部。

7.根据权利要求6所述的多能场全效反应生态耦合系统，其特征在于，所述多能场全效反应生态耦合系统还包括复合生态组件(6)，所述复合生态组件(6)包括设于光能场反应器(1)旁边的水上浮动件和水下生物填料(17)；

所述浮动件包括提供浮力支撑的浮床(15)或浮岛，所述浮床(15)或浮岛上栽种有水生植物(16)；

所述水下生物填料(17)包括便于微生物附着生长的载体。

8.根据权利要求7所述的多能场全效反应生态耦合系统，其特征在于，所述供能组件(5)包括设置于一独立浮体或所述浮动件上的太阳能发电设备(18)、风机设备(19)和超声波发生器(20)；

所述太阳能发电设备(18)与风机设备(19)和超声波发生器(20)电连接，用于提供电能；

所述风机设备(19)与所述进气管道(13)相连通，为质能强化循环器(4)的气提管道组件(11)提供压力气体；

所述超声波发生器(20)配置为超声能场反应器(3)的超声波换能器(10)提供设定功率和频率的交变信号。

9.根据权利要求8所述的多能场全效反应生态耦合系统，其特征在于，所述太阳能发电设备(18)包括太阳能板、控制器、蓄电池以及逆变器，所述太阳能板倾斜朝向正南方向设置。

10.根据权利要求3所述的多能场全效反应生态耦合系统，其特征在于，所述管式磁化设备(7)采用钕铁硼永磁体，磁感应强度配置为0.1~0.5T。

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