CN112174329A - 微电解强化型生态浮床耦合光催化的地表水生态修复装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微电解强化型生态浮床耦合光催化的地表水生态修复装置，包括至少两个生态浮床床体以及固定设置在相邻两个生态浮床床体之间的石墨烯光催化网，生态浮床床体包括多个可分离连接的浮床单体，浮床单体上设有植物系统，浮床单体的底部设有多个铁碳填料系统。与现有技术相比，本发明通过多种物理、化学、生物反应，使水中的污染物得到有效去除，从而实现地表水体的净化。

Description

微电解强化型生态浮床耦合光催化的地表水生态修复装置
技术领域
本发明属于地表水生态修复技术领域，涉及一种微电解强化型生态浮床耦合石墨烯光催化网的地表水生态修复装置。
背景技术
随着我国工农业的不断发展，越来越多的氮磷等污染物质被排放到地表水中，远远超过地表水体的自净能力，导致水体富营养化，生态功能退化。农村生活污水、城镇污水处理厂出水、工业污染排放等导致地表水受到点源污染；农药化肥的使用、畜禽养殖粪便、初期雨水的排入等造成地表水受到面源污染。近年来，国家大力推崇生态文明建设，受污染的河道、湖泊等地表水体亟需进行综合整治。地表水修复方法主要包括物理法、化学法以及生态修复法，生态修复法因其原位治理，成本较低，生态效应好受到越来越多的关注。其中，生态浮床因其不占用土地，成本较低，因此得到大量推广。
生态浮床利用无土栽培原理，直接将植物种植在水中，吸收水中的污染物。其基本构造可分为框体、床体、基质以及植物。框体一般采用PVC管作为浮床的框架；床体一般采用泡沫或者塑料作为植物生长的支撑以及提供浮力；基质主要用于固定植物，防止其倾倒，一般为海绵、椰壳等；植物一般选择适合本土生长的挺水植物。传统的浮床由于只依靠植物的作用去除地表水中的污染物，因此其效果很受季节的影响。在冬季气温较低时，植物枯萎，浮床基本丧失净化能力，因此需要对生态浮床修复技术进行改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种微电解强化型生态浮床耦合光催化的地表水生态修复装置，通过多种物理、化学、生物反应，使水中的污染物得到有效去除，从而实现地表水体的净化。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
微电解强化型生态浮床耦合光催化的地表水生态修复装置，该装置包括至少两个生态浮床床体以及固定设置在相邻两个生态浮床床体之间的石墨烯光催化网，所述的生态浮床床体包括多个可分离连接的浮床单体，所述的浮床单体上设有植物系统，所述的浮床单体的底部设有多个铁碳填料系统。生态浮床床体由浮床单体拼接而成，实际应用中拼接个数应由具体河道或湖泊水面灵活设定。石墨烯光催化网可取自商品化的产品，与生态浮床床体的尺寸相同。
进一步地，所述的植物系统包括开设在浮床单体上的种植篮孔、设置在种植篮孔内的种植篮以及设置在种植篮中的挺水植物。
进一步地，所述的种植篮内装填有湿地填料。
进一步地，所述的湿地填料包括沸石、砾石、火山岩或炉渣中的一种或更多种。每个种植篮中可只装一种湿地填料或者几种湿地填料，提供植物生长的载体，装填厚度约为种植篮高的1/2～3/4。
进一步地，所述的挺水植物包括美人蕉、香蒲、菖蒲或再力花中的一种或更多种。选择对污染物吸收能力较好的挺水植物。
进一步地，所述的铁碳填料系统包括悬挂在浮床单体底部的尼龙绳以及多个设置在尼龙绳上的空心镂空球，所述的空心镂空球内设有铁碳填料。
进一步地，所述的铁碳填料包括含铁填料及碳填料，所述的含铁填料与碳填料的质量比为(1～3):1。
进一步地，所述的含铁填料包括铁刨花或海绵铁中的一种或更多种，所述的碳填料包括活性炭、焦炭或石墨中的一种或更多种。
进一步地，所述的浮床单体上开设有与尼龙绳相适配的椭圆形孔。
进一步地，所述的浮床单体上设有多个连接孔。
优选地，浮床单体的材质为高密度聚乙烯，外形为正方形，平面尺寸为300～400mm，厚度为50～70mm，为吹塑制成，从而提供浮力。浮床单体上开设有三种类型的孔，种植篮孔直径为150～200mm，每个浮床单体上只有一个，位于浮床单体的中心；椭圆形孔的长轴为50～70mm，短轴为25～35mm，每个浮床单体上有4个，分布于种植篮孔的四周；连接孔直径为4～6mm，每个浮床单体上有4个，分布于浮床单体的四角。种植篮为镂空篮，上口直径与种植篮孔直径相匹配，为150～200mm，下底直径为90～120mm，高为90～120mm。尼龙绳悬挂的位置对应每个浮床单体的4个椭圆形孔，即尼龙绳穿过椭圆形孔从而固定在浮床单体上。尼龙绳上每隔100～200mm的距离绑上一个空心镂空球，空心镂空球形状为球形或椭球形，球形直径为80～120mm，材质为塑料，镂空的空隙为4～6mm。铁碳填料的尺寸为6～12mm，即要大于空心镂空球的空隙，防止其从空隙中漏出。浮床床体下方每根尼龙绳上绑4～8个空心镂空球，最下方一个空心镂空球的底距离浮床床体为600～1600mm。
本发明通过铁碳填料形成无数的微电极，使水体中的污染物经过氧化还原反应、絮凝沉淀作用以及微生物电子传递作用得以去除。铁碳微电解又称内电解、铁碳法，其原理为将填料铁(一般为铁-碳合金)和填料碳(一般为活性炭、焦炭、石墨、煤等)投入到污水中，由于填料铁中纯铁和碳之间的电极电位差，污水中会形成无数的微型腐蚀电池(微观电池)；同时填料铁和填料碳的共同投加又构成了无数的微型电解电极(宏观电池)，电位低的铁作为阳极，电位高的碳作为阴极，腐蚀电池与电解电极在污水中构成无数的微型电解电路，因而被称作微电解反应。在铁阳极上，纯铁失去电子生成Fe2+进入溶液中，电子在电极电位差的作用下从阳极流向碳阴极。在阴极附近，当溶液偏酸性时，H+得到电子生成新生态的[H]，进而生成H2从溶液中逸出；当溶液为中性或偏碱性时，溶液中的氧气得到电子生成OH-。在这个过程中，水中的污染物通过氧化还原作用、物理吸附作用、絮凝沉淀作用以及电子传递作用得以降解。
传统光催化氧化技术只能在紫外线光的照射下发生作用，而石墨烯光催化氧化技术将石墨烯、纳米氧化材料和量子级光敏材料有机结合，在可见光下即能实现对有机物光催化氧化降解，大大提升了光催化的效果。该技术的催化氧化性能及反应速率大幅提高，COD、氨氮等污染物降解效果显著，可快速提升水中溶解氧。芳香烃类大分子有毒有害物质能迅速分解为易被水生生物消化吸收的小分子营养物质，从而去除水中的毒性有害物质，利于水生生物的成长，帮助水系统生态功能的迅速恢复，对黑臭水体以及可生化性差的水体有良好的水质改善作用。
此外，目前石墨烯光催化网的铺设需要有固定支撑设施，而本发明中的生态浮床床体恰好可作为石墨烯光催化网的固定设施，从而达到两种技术联用的效果。
与现有技术相比，本发明提供了一种微电解强化型生态浮床耦合石墨烯光催化网的地表水生态修复装置，可用于净化受污染的地表水，尤其是氮磷、有机物污染严重的地表水体。浮床床体下方悬挂的铁碳填料对污染物的去除具有重要作用，一方面铁碳填料根据微电解原理，通过氧化还原反应去除水中的有机物，同时铁碳填料能为微生物生长提供载体；富含铁的填料能够提供电子，有利于微生物自养反硝化的进行，强化水中硝氮的去除；溶解的铁变成Fe2+或Fe3+与水中的磷酸根发生化学反应生成磷酸铁或羟基磷酸铁沉淀，从而实现磷的去除，同时铁的氢氧化物具有絮凝沉淀作用，实现对水中污染物的吸附凝聚作用；添加的活性炭或者焦炭等碳填料具有很强的吸附性，能够直接吸附水中的污染物。与此同时，生态浮床床体上的挺水植物可直接从水体中吸收污染物用于自身生长，而且挺水植物发达的根系能为微生物提供很好的生长环境；种植篮中的湿地填料也可吸附污染物，富集微生物。连接在相邻两生态浮床床体之间的石墨烯光催化网通过氧化作用将水体中难降解的大分子有机物分解为小分子有机物，进而被浮床上的微生物利用，同时石墨烯光催化网还具有迅速复氧的效果。
总之，水中的污染物经过本发明装置的多种物理、化学、生物作用得以去除，从而实现地表水体的净化。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中生态浮床床体的剖面结构示意图；
图3为本发明中浮床单体的俯视结构示意图；
图中标记说明：
1—生态浮床床体、2—浮床单体、3—种植篮孔、4—椭圆形孔、5—连接孔、6—种植篮、7—挺水植物、8—湿地填料、9—尼龙绳、10—含铁填料、11—碳填料、12—空心镂空球、13—石墨烯光催化网。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
如图1所示的微电解强化型生态浮床耦合光催化的地表水生态修复装置，包括至少两个生态浮床床体1以及固定设置在相邻两个生态浮床床体1之间的石墨烯光催化网13，生态浮床床体1包括多个可分离连接的浮床单体2，浮床单体2上设有植物系统，浮床单体2的底部设有多个铁碳填料系统。
如图2所示，植物系统包括开设在浮床单体2上的种植篮孔3、设置在种植篮孔3内的种植篮6以及设置在种植篮6中的挺水植物7。种植篮6内装填有湿地填料8。湿地填料8为火山岩。挺水植物7为再力花。
铁碳填料系统包括悬挂在浮床单体2底部的尼龙绳9以及多个设置在尼龙绳9上的空心镂空球12，空心镂空球12内设有铁碳填料。铁碳填料包括含铁填料10及碳填料11，含铁填料10与碳填料11的质量比为1:1。含铁填料10为铁刨花，碳填料11为石墨。
如图3所示，浮床单体2上开设有与尼龙绳9相适配的椭圆形孔4。浮床单体2上设有多个连接孔5。
安装时，生态浮床床体1由浮床单体2通过分布在浮床单体2四角的连接孔5拼接而成，连接方式为螺栓与螺母配合使用。在每个浮床单体2的种植孔3中放入种植篮6，在种植篮6中装入湿地填料8，起到固定植物的作用。将挺水植物7种植在种植篮6中。将铁碳填料装入到空心镂空球12中，然后将装填好填料的镂空球12绑在尼龙绳9上，尼龙绳9穿过浮床单体2上的四个椭圆形孔4，从而固定在浮床单体2上。
在两个生态浮床床体1之间铺设石墨烯光催化网13，其尺寸与生态浮床床体1的尺寸相同，通过分布在生态浮床床体1四角的4个的连接孔5连接在浮床床体1上，连接方式为绳子绑定。
最后将构造好的装置用于去除水中的污染物，实现地表水体的净化。
实施例2：
本实施例中，生态浮床床体1由9个浮床单体2拼接而成。浮床单体2的尺寸为330mm×330mm×50mm，如此，生态浮床床体1的尺寸大约为1000mm×1000mm×50mm。与之相对应，石墨烯光催化网13的尺寸为1000mm×1000mm。每个生态浮床床体1的四角有4个连接孔5用于浮床单体2之间的固定或用于石墨烯光催化网13的固定，通过绳子绑在连接孔5上进行固定，实现生态浮床床体1与石墨烯光催化网13的耦合。
浮床单体2上的种植篮孔3的直径为160mm，椭圆形孔4的长轴为60mm，短轴为30mm，连接孔5的直径为5mm。
种植篮6上口直径为160mm，下底直径为100mm，高为95mm，材质为塑料，镂空的空隙大约为5mm。在种植篮6中装填一半高度的湿地填料8，湿地填料8由沸石和炉渣混合构成，质量比为1:1，粒径为10～20mm。在种植篮6中种植美人蕉，每个种植篮6中栽种2～3珠美人蕉。
空心镂空球12的直径为100mm，镂空的空隙为4mm。在空心镂空球12中装入铁刨花和煤质柱状活性炭，质量比为2:1。铁刨花为机械加工厂的废料，长度为30～40mm，将其卷成团，防止其从空心镂空球12的空隙中漏出；煤质柱状活性炭的直径为6mm，长为20mm左右。
将装填好填料的空心镂空球12绑在尼龙绳9上，每隔100mm绑一个空心镂空球12，一共绑4个，则生态浮床床体1下方悬挂的填料深度大约为100+100×4＝800mm。然后将绑着4个空心镂空球12的尼龙绳9穿过浮床单体2的椭圆形孔4，绑在浮床单体2上。每个浮床单体2有四个椭圆形孔4，则9个浮床单体2共有36个椭圆形孔4，因此本实施例可以悬挂36根尼龙绳9。每根尼龙绳9上又有4个空心镂空球12，因此本实施例共悬挂了144个空心镂空球12。
实施例3：
本实施例中，生态浮床床体1由9个浮床单体2拼接所构成，浮床单体2的尺寸为330mm×330mm×50mm，如此，生态浮床床体1的尺寸大约为1000mm×1000mm×50mm。与之相对应，石墨烯光催化网13的尺寸为1000mm×1000mm。每个生态浮床床体1的四角有4个连接孔5用于浮床单体2之间的固定或用于石墨烯光催化网13的固定，通过绳子绑在连接孔5上进行固定，实现生态浮床床体1与石墨烯光催化网13的耦合。
浮床单体2上的种植篮孔3的直径为160mm，椭圆形孔4的长轴为60mm，短轴为30mm，连接孔5的直径为5mm。
种植篮6上口直径为160mm，下底直径为100mm，高为95mm，材质为塑料，镂空的空隙大约为5mm。在种植篮6中装填一半高度的人工湿地填料8，人工湿地填料8由沸石和陶粒混合构成，质量比为1:1，粒径为10～20mm。在种植篮6中种植再力花，每个种植篮6中栽种3～4珠再力花。
空心镂空球12的直径为80mm，镂空的空隙为3mm。在球中装填海绵铁和煤质柱状活性炭，质量比为2:1，海绵铁尺寸为6～10mm，煤质柱状活性炭的直径为6mm，长为20mm左右。
将装填好填料的空心镂空球12绑在尼龙绳9上，每隔70mm绑一个空心镂空球12，一共绑4个，则生态浮床床体1下方悬挂的填料深度大约为80+70×4＝600mm。然后将绑着4个空心镂空球12的尼龙绳9穿过浮床单体2的椭圆形孔4，绑在浮床单体2上。每个浮床单体2有四个椭圆形孔4，则9个浮床单体2共有36个椭圆形孔4，因此本实施例可以悬挂36根尼龙绳9。每根尼龙绳9上又有4个镂空球12，因此本实施例共悬挂了144个镂空球12。
实施例4：
本实施例中，湿地填料8包括沸石及砾石，挺水植物7为菖蒲，含铁填料10与碳填料11的质量比为2:1，含铁填料10为海绵铁，碳填料11包括焦炭及石墨。其余同实施例1。
实施例5：
本实施例中，湿地填料8为炉渣，挺水植物7包括美人蕉及香蒲，含铁填料10与碳填料11的质量比为3:1，含铁填料10包括铁刨花及海绵铁，碳填料11为活性炭。其余同实施例1。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.微电解强化型生态浮床耦合光催化的地表水生态修复装置，其特征在于，该装置包括至少两个生态浮床床体(1)以及固定设置在相邻两个生态浮床床体(1)之间的石墨烯光催化网(13)，所述的生态浮床床体(1)包括多个可分离连接的浮床单体(2)，所述的浮床单体(2)上设有植物系统，所述的浮床单体(2)的底部设有多个铁碳填料系统。
2.根据权利要求1所述的微电解强化型生态浮床耦合光催化的地表水生态修复装置，其特征在于，所述的植物系统包括开设在浮床单体(2)上的种植篮孔(3)、设置在种植篮孔(3)内的种植篮(6)以及设置在种植篮(6)中的挺水植物(7)。
3.根据权利要求2所述的微电解强化型生态浮床耦合光催化的地表水生态修复装置，其特征在于，所述的种植篮(6)内装填有湿地填料(8)。
4.根据权利要求3所述的微电解强化型生态浮床耦合光催化的地表水生态修复装置，其特征在于，所述的湿地填料(8)包括沸石、砾石、火山岩或炉渣中的一种或更多种。
5.根据权利要求2所述的微电解强化型生态浮床耦合光催化的地表水生态修复装置，其特征在于，所述的挺水植物(7)包括美人蕉、香蒲、菖蒲或再力花中的一种或更多种。
6.根据权利要求1所述的微电解强化型生态浮床耦合光催化的地表水生态修复装置，其特征在于，所述的铁碳填料系统包括悬挂在浮床单体(2)底部的尼龙绳(9)以及多个设置在尼龙绳(9)上的空心镂空球(12)，所述的空心镂空球(12)内设有铁碳填料。
7.根据权利要求6所述的微电解强化型生态浮床耦合光催化的地表水生态修复装置，其特征在于，所述的铁碳填料包括含铁填料(10)及碳填料(11)，所述的含铁填料(10)与碳填料(11)的质量比为(1～3):1。
8.根据权利要求7所述的微电解强化型生态浮床耦合光催化的地表水生态修复装置，其特征在于，所述的含铁填料(10)包括铁刨花或海绵铁中的一种或更多种，所述的碳填料(11)包括活性炭、焦炭或石墨中的一种或更多种。
9.根据权利要求6所述的微电解强化型生态浮床耦合光催化的地表水生态修复装置，其特征在于，所述的浮床单体(2)上开设有与尼龙绳(9)相适配的椭圆形孔(4)。
10.根据权利要求1所述的微电解强化型生态浮床耦合光催化的地表水生态修复装置，其特征在于，所述的浮床单体(2)上设有多个连接孔(5)。
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