CN111792806A - 一种基于电动力学原理的黑臭水体底泥修复系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电动力学原理的黑臭水体底泥修复系统，包括阳极电极模块、阴极电极模块和电源模块，阳极电极模块和阴极电极模块相互平行地插入到底泥中；阳极电极模块包括阳极构件、阳极填充构件和阳极传输构件，阳极构件和阳极填充构件均设置于阳极传输构件内部，且阳极填充构件将阳极构件完全包裹；阴极电极模块包括阴极构件、阴极填充构件和阴极传输构件，阴极构件和阴极填充构件均设置于阴极传输构件内部，且阴极填充构件将阴极构件完全包裹；电源模块的正极与阳极构件连接，其负极与阴极构件连接。本发明系统可以减轻底泥酸化和沉积物产生的、抑制底泥温度的升高；减少底泥净化过程中消耗的功率，提高污染物的去除效率。

Description

一种基于电动力学原理的黑臭水体底泥修复系统

技术领域

本发明属于底泥处理技术领域，具体涉及一种基于电动力学原理的黑臭水体底泥修复系统。

背景技术

黑臭水体的产生是由于工业废水、生活污水和农田集水的大量排放，河流中有机碳污染物、有机氮污染物以及含磷化合物不断加大导致的。在河道里底泥是接纳和分解有机物的“沉积库”，也是向上覆水是方法有机污染物和营养盐的“源头”。当河道底泥过多时，底泥中大量的有机物经微生物氧化分级会消耗大量氧，这样就使得河道下层原本就不多的氧消耗殆尽，造成缺氧甚至无氧状态，导致大量水生生物死亡。另外，底泥中的有机物经过微生物分解会产生大量有毒的中间产物如甲烷、硫化氢、氨、亚硝酸盐和有机酸等，这些物质不仅使水体发黑发臭，而且对河道及周围的水生动物具有很强的毒害作用，它们在水体中不断积累不仅危害人类健康而且阻碍社会经济的发展。

大量研究表明，河道底泥增多，底质恶化是导致有毒物质和有害微生物增加的罪魁祸首，也是造成水质恶化的重要原因。因此，如何有效改善和处理河涌底泥已经成为河道综合治理的重要部分，也是治理黑臭水体的关键步骤。

目前常见的黑臭水体底泥处理方法有原位和异位两种处理方式，异位处理技术是将受污染的底泥挖掘出来，转移到专门的场所进行相应处理，目前这种方式应用的较为广泛，虽然能有效去除河道污染底泥，快速恢复河水水质，但也存在人力消耗大，费用昂贵，而且存在黑臭水体反弹性较大的问题。与异位处理技术相比，原位处理技术可就地解决污染底泥，避免了底泥的转移产生的经济费用，以及处理后的底泥堆放问题。现有的关于原位处理技术主要是向底泥中投加化学药剂和底泥改良剂，这种方式对于改善底泥污染效果显著，但化学药剂的过多使用必将对河道产生二次污染。有研究表明，河涌底泥中含有丰富的植物所需的有机质和矿物质，因此如何有效利用河涌底泥中的有益成分，实现“经济”和“环保”共存是解决黑臭水体污染问题的关键。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于电动力学原理的黑臭水体底泥修复系统可以减轻底泥酸化和沉积物产生的、抑制底泥温度的升高；减少底泥净化过程中消耗的功率，提高污染物的去除效率。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于电动力学原理的黑臭水体底泥修复系统，包括阳极电极模块、阴极电极模块和电源模块，所述阳极电极模块和阴极电极模块相互平行地插入到底泥中；

所述阳极电极模块包括阳极构件、阳极填充构件和阳极传输构件，所述阳极构件和阳极填充构件均设置于阳极传输构件内部，且所述阳极填充构件将所述阳极构件完全包裹；所述阴极电极模块包括阴极构件、阴极填充构件和阴极传输构件，所述阴极构件和阴极填充构件均设置于阴极传输构件内部，且所述阴极填充构件将所述阴极构件完全包裹；所述电源模块的正极与所述阳极构件连接，其负极与所述阴极构件连接。

进一步地，所述黑臭水体底泥修复系统还包括排水收集模块、蓄水装置、控制模块、供水模块和水泵；

所述排水收集模块设置于阴极电极模块的正下方，且所述阴极电极模块中的阴极构件通过电渗透引入排水收集模块；所述蓄水装置的输入端与所述排水收集模块的输出端连接，所述蓄水装置的输出端与所述水泵连接，所述电源模块、蓄水装置和水泵均与所述控制模块连接；所述供水模块设置于底泥外部，其输出端与所述阳极电极模块或阴极电极模块远离底泥底部的一端连接。

进一步地，所述黑臭水体底泥修复系统包括若干组相互并联的阳极电极模块和阴极电极模块。

进一步地，所述阳极构件或阴极构件呈柱状、网状、棒状、带状或板状的形式设置于阳极传输构件或阴极传输构件中。

进一步地，所述阳极填充构件和阴极填充构件均为膨润土。

进一步地，所述阳极传输构件和阴极传输构件为油光布或光木棉布。

进一步地，所述排水收集模块为一端封闭另一端开放的多孔管，所述多孔管的开放端作为排水收集模块的输出端与所述蓄水装置的输入端连接。

进一步地，所述蓄水装置为用于存储阴极电极模块下端排水水分的容器，且所述蓄水装置内部靠近底端和顶端的位置分别设置有低水位传感器和高水位传感器，所述低水位传感器和高水位传感器均与所述控制模块连接。

本发明的有益效果为：

(1)使用电动力学原理构建黑臭水体底泥修复系统，在进行底泥净化时，可以有效地去除浓缩在底泥中的盐和受污染的胶体，可以有效减轻底泥酸化和沉积物的同时，抑制底泥温度的升高，减少了底泥净化过程汇总能量的消耗，提高了污染物的去除效率；

(2)本发明采用膨润土作为填充构件，具有较好的PH缓冲能力，可以有效抑制阳极周围底泥的酸化，并且可以抑制阴极周围的沉淀物的产生；

(3)本发明采用多孔的绝缘布作为传输构件，相比于常规壳体，它可以降低底泥和电极之间的电阻，进而减少能耗并提高污染物的去除效率。

附图说明

图1为本发明提供的第一实施例中基于电动力学原理的黑臭水体底泥修复系统侧视结构图。

图2为本发明提供的第一实施例中阳极电极模块和阴极电极模块的细节侧视结构图。

图3为本发明提供的第二实施例中基于电动力学原理的黑臭水体底泥修复系统侧视结构图。

图4为本发明提供的第二实施例中基于电动力学原理的黑臭水体底泥修复系统俯视结构图。

其中：1、阳极电极模块；2、阴极电极模块；3、电源模块；4、阳极构件；5、阳极填充构件；6、阳极传输构件；7、阴极构件；8、阴极填充构件；9、阴极传输构件；10、排水收集模块；11、蓄水装置；12、高水位传感器；13、低水位传感器；14、控制模块；15、水泵；16、供水模块。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1：

如图1-2所示，一种基于电动力学原理的黑臭水体底泥修复系统，包括阳极电极模块1、阴极电极模块2和电源模块3，阳极电极模块1和阴极电极模块2相互平行地插入到底泥中；

阳极电极模块1包括阳极构件4、阳极填充构件5和阳极传输构件6，阳极构件4和阳极填充构件5均设置于阳极传输构件6内部，且阳极填充构件5将阳极构件4完全包裹；阴极电极模块2包括阴极构件7、阴极填充构件8和阴极传输构件9，阴极构件7和阴极填充构件8均设置于阴极传输构件9内部，且阴极填充构件8将阴极构件7完全包裹；电源模块3的正极与阳极构件4连接，其负极与阴极构件7连接。

本实施例通过电动力学的原理来净化底泥中的污染物来修复底泥环境，电动力学是指一种利用物理化学现象(例如电渗、电泳和离子迁移)的技术，该现象是通过埋在底泥中的正极和负极之间施加直流电时，在正极和负极中分别发生电解，由电解反应产生的H+和OH-在两个电极之间产生的电位，使用电位梯度作为驱动力，将H+移动到负极，将OH-移动到正极，此时，H+此时，H⁺的迁移率大于OH^-的迁移率，因此酸锋的区域前沿比碱锋的区域前沿快，从而使底泥酸化的区域变宽，底泥颗粒吸附在表面上的重金属被洗脱并以离子形式存在于孔隙水中，因此很容易在电场的影响下将重金属移动到阴极。此外，在阴极周围移动的重金属会沉淀在阴极表面或与周围的OH^-基团结合并以氢氧化物形式沉淀，因此可以通过去除阴极电极或仅挖除阴极附近的底泥来轻松去除重金属，与底泥清淤相比，它具有较大的经济优势。因此，当使用电动力学进行底泥净化时，底泥中包含的诸如重金属和有机物质之类的污染物可以被单独去除，并且还可以有效去除浓缩在底泥中的盐和受污染的胶体。

本实施例中的电源模块3用于向阳极电极模块1和阴极电极模块2中的H+和OH-发生电解反应提供直流电源；两个传输构件将阳极构件4(阴极构件7)包裹的形式设置，并且使流入阳极侧(阴极侧)的水分和污染物可透过该传输构件。

本实施例中阳极构件4或阴极构件7呈柱状(也可根据实际黑臭水体底泥情况网状、棒状、带状或板状的形式)设置于阳极传输构件6或阴极传输构件9中，具体采用何种形式可根据实际黑臭水体底泥情况进行设置。

本实施例中的阳极填充构件5和阴极填充构件8均为膨润土，膨润土是由火山喷发产生的火山灰，它是由蒙脱石(一种属于单斜晶系矿物)组成的物质，膨润土的板状结晶层在干燥和湿润期间溶胀率超过3倍，并且与水反应时，被润湿至重量的5倍或体积13至6倍；本实施例中的膨润土将阳极构件4(或阴极构件7)包裹起来，在系统工作中净化了底泥的同时，其也具有通过防止由阳极周围的电渗透作用引起的底泥温度升高的效果；另外将膨润土作为填充构件，使其具有较好的PH缓冲能力，可以有效抑制阳极周围底泥酸化，并且可以抑制阴极周围的沉淀物的产生，由于污染物可以被替换和去除，因此后续处理过程可以通过净化污染的底泥，然后去除阳极传输构件6或阴极传输构件9中的污染物容易进行。

本实施例中的阳极传输构件6和阴极传输构件9一般为具有多孔绝缘材料以使其中包裹的东西能够顺利通过，因此，可以选用油光布或光木棉布；另外，本发明采用油光布或光木棉布作为包括电极和填充构件的传输构件，相比于诸如PVC材料构成的常规壳体，它可以降低底泥和电极之间的电阻，进而减少能耗并提高污染物的去除效率。

本实施例中的图1所示的黑臭水体底泥修复系统的工作过程为：将图1所示结构设置于底泥中，通过电源模块给阳极电极模块和阴极电极模块供电施加直流电，底泥中的水发生电解反应产生的H+和OH-在两个电极之间产生的电位差，将其作为驱动力，使H+移动到负极，将OH-移动到正极，从而使底泥酸化的区域变宽，底泥颗粒吸附在表面上的重金属被洗脱并以离子形式存在于孔隙水中，此时，阴极周围的重金属沉淀在阴极表面或以氢氧化物形式沉淀，然后人工去除阴极电极或仅挖除阴极附近的底泥来轻松去除重金属，进而实现底泥净化。

实施例2：

如图3-4所示，本实施例中的黑臭水体底泥修复系统除了实施例1阳极电极模块1、阴极电极模块2和电源模块3外，还包括有排水收集模块10、蓄水装置11、控制模块14、供水模块16和水泵15；

如图4所示，本实施例中修复系统中有若干组相互并联的阳极电极模块1和阴极电极模块2；排水收集模块10设置于阴极电极模块2的正下方，且阴极电极模块2中的阴极构件7通过电渗透引入排水收集模块10；蓄水装置11的输入端与排水收集模块10的输出端连接，蓄水装置11的输出端与水泵15连接，蓄水装置11和水泵15均与控制模块14连接；供水模块15设置于底泥外部，其输出端与阳极电极模块1或阴极电极模块2远离底泥底部的一端连接。

本实施例中的，排水收集模块10为一端封闭另一端开放的多孔管，多孔管的开放端作为排水收集模块10的输出端与蓄水装置11的输入端连接；其上表面相对于阴极电极模块2的下表面向下隔开的方式定位，并通过电渗透作用被引入阴极电极模块2的阴极层，从阴极电极模块2下侧排出的水分在排水收集模块10和阴极电极模块2的下表面之间，因此引入阴极电极模块2的水分通过排水收集模块10可以轻松的排出。

本实施例中的蓄水装置11为用于存储阴极电极模块2下端排水水分的容器，其用于盛装排水收集模块10排出的水分，且蓄水装置11内部靠近底端和顶端的位置分别设置有低水位传感器13和高水位传感器12，低水位传感器13和高水位传感器12均与控制模块14连接；两个水位传感器能够检测当前储水模块中的水量，并将水量信息传输控制模块14，控制模块14根据接收到的水位信息来控制水泵的工作，当水量信息到达最高水位时，控制模块14控制水泵15将存储模块中的水排放到底泥中，当水量信息小于最低水位时，控制模块14控制水泵15停止工作。

本实施例中的供水模块16与阳极电极模块1或阴极电极模块2上部连接(图3中仅显示了其与第二电极模连接)，并且周期性向下连接的阳极电极模块1或阴极电极模块2的负电极供水，供水模块16通过电渗透引入到阴极电极模块2中阴极侧的水分可以平稳排放到排水收集模块10中。

本实施例中的图3所示的黑臭水体底泥修复系统的工作过程为：基于图1所示的结构，阴极电极模块沉积了大量的重金属和氢氧沉淀物，为了使阴极或阳极电极模块持续工作，通过供水模块周期性的向下连接的阳极或阴极电极模块供水，供水在电极作用下形成H+和OH-的量增加，进而使阴极电极模块形成更多的待清除沉淀物，阴极电极模块下端的排水模块通过电渗流作用将阴极电极模块中需要排出的水分引出，并通过蓄水模块收集排出的水分，根据两个传感器实时监测到的蓄水模块水量数据，控制模块根据监测数据控制水泵对需水模块中的水量进行控制，使其能持续收集排水模块排除的水量，整个系统循环工作，持续的对底泥进行净化。

另外需要说明的是，本发明中的供水模块16为常规的能够给阳极电极模块1或阴极电极模块2提供水源的机构，其具体结构包括的范围很广，为本领域技术人员容易想到的；控制模块14为根据两个传感器传输的水量信息对水泵工作进行控制机构，其可以STM32、89C51等系列的单片机，也可以是计算机工控机一类的具有控制功能的设备；两个水位传感器为常规的相同型号的水位传感器，设置在需水模块的不同位置，实现监控蓄水装置11内水量变换的目的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。

Claims (8)

1.一种基于电动力学原理的黑臭水体底泥修复系统，其特征在于，包括阳极电极模块(1)、阴极电极模块(2)和电源模块(3)，所述阳极电极模块(1)和阴极电极模块(2)相互平行地插入到底泥中；

所述阳极电极模块(1)包括阳极构件(4)、阳极填充构件(5)和阳极传输构件(6)，所述阳极构件(4)和阳极填充构件(5)均设置于阳极传输构件(6)内部，且所述阳极填充构件(5)将所述阳极构件(4)完全包裹；所述阴极电极模块(2)包括阴极构件(7)、阴极填充构件(8)和阴极传输构件(9)，所述阴极构件(7)和阴极填充构件(8)均设置于阴极传输构件(9)内部，且所述阴极填充构件(8)将所述阴极构件(7)完全包裹；所述电源模块(3)的正极与所述阳极构件(4)连接，其负极与所述阴极构件(7)连接。

2.根据权利要求1所述的基于电动力学原理的黑臭水体底泥修复系统，其特征在于，所述黑臭水体底泥修复系统还包括排水收集模块(10)、蓄水装置(11)、控制模块(14)、供水模块(16)和水泵(15)；

所述排水收集模块(10)设置于阴极电极模块(2)的正下方，且所述阴极电极模块(2)中的阴极构件(7)通过电渗透引入排水收集模块(10)；所述蓄水装置(11)的输入端与所述排水收集模块(10)的输出端连接，所述蓄水装置(11)的输出端与所述水泵(15)连接，所述电源模块(3)、蓄水装置(11)和水泵(15)均与所述控制模块(14)连接；所述供水模块(16)设置于底泥外部，其输出端与所述阳极电极模块(1)或阴极电极模块(2)远离底泥底部的一端连接。

3.根据权利要求2所述的基于电动力学原理的黑臭水体底泥修复系统，其特征在于，所述黑臭水体底泥修复系统包括若干组相互并联的阳极电极模块(1)和阴极电极模块(2)。

4.根据权利要求2所述的基于电动力学原理的黑臭水体底泥修复系统，其特征在于，所述阳极构件(4)或阴极构件(7)呈柱状、网状、棒状、带状或板状的形式设置于阳极传输构件(6)或阴极传输构件(9)中。

5.根据权利要求2所述的基于电动力学原理的黑臭水体底泥修复系统，其特征在于，所述阳极填充构件(5)和阴极填充构件(8)均为膨润土。

6.根据权利要求2所述的基于电动力学原理的黑臭水体底泥修复系统，其特征在于，所述阳极传输构件(6)和阴极传输构件(9)为油光布或光木棉布。

7.根据权利要求2所述的基于电动力学原理的黑臭水体底泥修复系统，其特征在于，所述排水收集模块(10)为一端封闭另一端开放的多孔管，所述多孔管的开放端作为排水收集模块(10)的输出端与所述蓄水装置(11)的输入端连接。

8.根据权利要求2所述的基于电动力学原理的黑臭水体底泥修复系统，其特征在于，所述蓄水装置(11)为用于存储阴极电极模块(2)下端排水水分的容器，且所述蓄水装置(11)内部靠近底端和顶端的位置分别设置有低水位传感器(13)和高水位传感器(12)，所述低水位传感器(13)和高水位传感器(12)均与所述控制模块(14)连接。

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