CN201161945Y - 超声强化微电流电解灭菌灭藻装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种超声强化微电流电解灭菌灭藻装置，尤其是灭菌灭藻的微电流电解水处理技术的装置。由管状钛阳极、管状阴极和棒状阴极在水路通道中成同轴布置构成微电流电解组件，经电极引线分别与恒流直流电源的正极(接钛阳极)和负极(接管状阴极和棒状阴极)连接，与超声发生器、圆锥型超声波发散体、带法兰的三通、密封垫、电极固定法兰，通过螺栓连接紧固而成。本实用新型结构简单，安装方便，适合于大面积富营养化水体、大流量水体的灭菌灭藻处理，不对水生生态产生不利影响，设备容易安装和维护、运行成本适宜、不造成二次污染、具有良好的运行稳定性和可靠性。

Description

超声强化微电流电解灭菌灭藻装置

技术领域

本实用新型涉及一种超声强化微电流电解灭菌灭藻装置，尤其是灭菌灭藻的微电流电解水处理技术的装置，属于环境保护技术范畴。

背景技术

蓝细菌(cyanobacteria)亦称蓝藻或蓝绿藻(blue-green algae)。它们的细胞核结构中无核膜、核仁，属原核生物，不进行有丝分裂，细胞壁也与细菌相似，由肽聚糖组成，革兰氏染色阴性，故它们归属于原核微生物中。

蓝细菌为单细胞生物，个体比细菌大，一般直径或宽度为3-15μm。但是，蓝细菌很少以单一个体生活，通常是在分裂后仍聚集在一起，形成丝状或单细胞的群体。当许多个体聚集在一起，可形成很大的群体，肉眼可见。蓝细菌主要生长在水体表层——水面下0.5m之间，多数蓝细菌为蓝色或蓝绿色，所以，人们习惯上仍然称它为蓝藻或蓝绿藻。

蓝细菌分布广泛，从南极到北极，从海洋到高山均可见其踪迹。它们常生长在岩石、树皮或在池塘、湖泊中生长，繁殖旺盛，使水体的颜色随蓝细菌本身的颜色而变化。有的种类能发生草腥味或霉臭味。

蓝细菌含有色素系统(主要含有藻蓝素，此外还含有叶绿素α、胡萝卜素或藻红素)。由于每种蓝细菌细胞内所含有各种色素的比例不一，所以，可能呈蓝、绿、红等颜色。蓝细菌的营养简单，不需要维生素，以硝酸盐或氨作为氮源，能固氮的种很多。某些种具有圆形的异形胞(hererocyst)，一般延着丝状体或在一端单个地分布，是蓝细菌进行固氮作用地场所。蓝细菌进行放氧性的光合作用，为专性光能无机营养微生物，其反应如下

CO₂+H₂O＝[CH₂O]_细胞物质+O₂(g)

这些特点与一般藻类相似。其繁殖以裂殖为主，少数种类有孢子；丝状蓝细菌还可通过断裂形成断殖体进行繁殖，没有有性繁殖。

当水体中排入大量含氮和磷的物质，导致水体富营养化，则使蓝细菌过度繁殖，将水面覆盖并使水体形成各种不同色彩的现象，在淡水域称为“水华”(water bloom)，在海水域称为赤潮。能形成“水华”的蓝细菌包括微囊藻属(Microcystis)、鱼腥藻属(Anabaena)、颤藻属(Oscillatoria)等属中的一些种。由蓝细菌形成的“水华”往往有剧毒，如铜色微囊藻(Microcystis aerugeosa)和水华鱼腥藻(Anabaena flos-aguae)等，家禽或家畜饮用这种水后不到一小时甚至几分钟内就可中毒死亡，而且也能引起水生生物(如鱼类)中毒死亡。由于大量蓝细菌将水面覆盖从而阻碍了水体复氧，同时大量蓝细菌因死亡而腐败，致使水体因而缺氧而发臭。由此可见，水体富营养化所造成的危害是很严重的。

对于大面积富营养化水体的人工治理，目前所采用的灭藻和抑制藻类大量繁殖的技术主要有：

(1)杀生药剂，(2)滤网捞集，(3)超声技术，(4)高压灭藻，(5)生物治理，(6)生态治理。

1、杀生药剂

加入杀生药剂，对局域小水体效果很好，但难以维持较长时间，在夏季1-2周后，一般又需加药。对于治理大面积，富营养化水体存在运行成本高、杀生剂对水体存在二次污染等因素。

2、滤网捞集

滤网捞集、以及过滤这类机械方法清除蓝藻，对于大面积水体的治理，不过杯水车薪，难见成效。

3、超声技术

超声技术对于小体积水体，并可以采用循环流动的水体，实施可操作性比较大，但对于大面积水体的蓝藻治理，存在能耗高，运行成本高等不利因素，不具备可操作性。

4、高压灭藻

但对于大面积水体的蓝藻治理，高压灭藻同样存在能耗高，运行成本高等不利因素，不具备可操作性。

5、生物治理

生物治理有可能因引入外来生物对本地物种造成生物灾难。而且，蓝藻实际是蓝细菌，产生的毒素浓度在ppm级就可以使鱼类、家禽在数分钟内死亡；草和其他水生植物可以在一定程度上减少水质的富营养化程度，但较少有植物能释放可以抑制蓝细菌的生长的酚类物质。目前生物法对藻类的治理尚处于探索阶段，国际上尚无对大规模富营养化水体采用生物防治蓝藻的成功先例，而且由于蓝藻所包含的蓝细菌种属较多，难以用一种或有限的几种微生物、噬菌体对蓝藻实现总体抑制。

6、生态治理

在外源污染得到控制的情况下，恢复水生高等植物以提高水体的自净能力，是湖泊富营养化治理和生态恢复的关键。但这种方法见效时间较长，难以在短期内实现富营养化水体的蓝藻控制。而富营养化水体的蓝藻爆发，会将水面覆盖，阻碍水体复氧，同时大量蓝细菌因死亡而腐败，消耗水体的溶解氧而使水体发臭，导致鱼类死亡和其他水生动物死亡，形成恶性循环。

除了大面积湖泊、江河、海域的富营养化水体的蓝藻治理的国际性难题之外，工业、民用给水系统的水箱及水池均存在不同程度的滋生细菌和藻类的二次污染，海水与淡水养殖、中水处理回收应用于喷灌，均涉及到灭菌灭藻问题。尤其是船舶航行过程中使用的压仓水、采掘水体回灌(尤其是石油开采回灌水体)，由于不同区域存在不同的生物群落和生态特殊性，如果未经过有效的灭菌、灭藻处理，有可能将异地的有毒藻类和细菌带到地下水系、其他地区和海域，导致生态灾难。

目前对处理量较小的场合，如高楼水箱、循环水池的灭菌、灭藻技术，主要采用紫外线照射、投放二氧化氯、漂白粉、双氧水、臭氧、消毒液等消毒技术。有些场合还采用人工定期清洗、消毒，其工作繁琐，费用高，在清洗过程中还必须停水，造成生活、生产上的不便；定期投放二氧化氯、漂白粉，易造成水质异味；加双氧水、臭氧则运行成本高；所有加入药剂的方案，对船舶压仓水体系不一定合适，会产生一定的腐蚀性。紫外线照射的装置简单，性能稳定，运行费用小，是目前最常用的方法。但紫外线照射消毒，仍不能保证水体的持续消毒作用，对紫外线消毒后的水质进行检测，当水中有效氯的含量少于0.05ppm时，受到病原体污染后会出现再增值现象。并且，紫外消毒体系不能满足杀灭大负荷的细菌和藻类，对藻类的杀灭效果很不理想。

以添加食盐、然后通过电解产生次氯酸消毒灭菌的技术和装置，前人有许多工作，包括专利申请号200610042972.2提出的“一种双功能电解水生成器”、专利申请号200510111126.7提出的“一种小型消毒水生成器及其使用方法”、专利申请号200520077629.2提出的“便携式水源消毒机”，专利申请号200510023766.2提出的“高浓度次氯酸消毒水的制备方法”，比直接添加漂白粉、投放二氧化氯、双氧水等方案要便捷、节省成本，但会增大所处理水体的盐度，尤其对于大面积富营养化水体的杀菌、灭藻处理，长期运转条件下，所有添加药剂和增大水体盐度的措施，均是不可接受的。

本人在先申请专利号03156596.4“组合式微电流电解水处理技术和装置”，虽然可以实现对大面积富营养化水体的蓝藻有效的治理和抑制，但多组平行的电极，使安装平台(船、浮筒)在移动过程中，造成转向困难；而且，水生动物(鱼类)容易进入电极之间，遭致电击，并形成电极短路；超声探头对电极表面进行清洗的过程中，对水生生态体系有可能产生不利的影响。专利申请号200520114686.3所推出的“蓝藻治理装置”，同样面临类似的技术问题。

为了克服上述困难，开发一种适合于大面积富营养化水体、大流量水体的灭菌灭藻处理，并且不对水生生态产生不利影响，对安装平台不造成负面影响，容易安装和维护、运行成本适宜、不造成二次污染、运行稳定可靠的水处理装置，特完成本实用新型的设计。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术及设计中的缺陷和不足，推出一种能够适合于大流量、大面积水体的灭菌、灭藻处理的装置。

本实用新型的技术构思为：

采用至少含有一种金属Pt、Ir、Ru、Rh、Pd、Os及其氧化物涂层的钛阳极为催化电极，形成微电流电解装置，将处理水体中的氯离子、水分子电解为具有高氧化活性的物质(ClO^-，·OH，H₂O₂，(O))，对水体中的细菌和藻类的细胞、RNA、DNA进行氧化作用，使其失活和死亡，使其失活和死亡，从而达到灭菌灭藻效果，并使处理过的水体的保持持续消毒作用。

在微电流电解过程中，辅助超声作用，使细菌和藻类的细胞壁破坏，强化灭菌灭藻效果。

整个过程并不需要添加任何药剂，对水体不造成二次污染。运行、维护简便，能耗低。

上述的至少含有一种金属Pt、Ir、Ru、Rh、Pd、Os及其氧化物涂层的钛阳极催化电极，能提供d、f空轨道的催化活性中心的有利于实现电子转移，避免极化现象，并有利于高活性氧化性物质的生成。阴极材料可以采用金属钛、钛合金、不锈钢、铜合金材料；为防止系统不运行时电极材料的腐蚀，以金属钛、钛合金为佳，因为钛合金的超电势相对较低。

这种钛阳极电极又称之为DSA(Dimensionally Stable Anode)，是以金属钛或钛合金为基体在其表面涂覆以铂族元素氧化物的一种电极材料。是荷兰人Henri Bernard Beer(1909-1994)发明的。H.Beer 65专利是一种以钛或钛合金为芯材/基材，从铂、铱、铑、钯、钌、锇中选择铂族金属或其合金的氧化物，特别是含有一种以上的非铂族金属氧化物(如Ta、Ti)，组成外层电极。意大利De Nora公司和美国Diamond Shamrock公司于1968年成功地将Beer发明应用于氯碱生产中。其食盐电解用阳极开发了钛基铂族金属氧化物电极，催化活性高，而且能使用15年以上。DSA自20世纪60年代末问世后，至今已经历时40年整。张招贤2007年发表于《电镀与涂饰》第26卷第1期，关于“涂层电极40年”中指出，钛阳极的诞生极大地推进了食盐电解生产的发展，被誉为氯碱工业一大技术革命。DSA的发明是20世纪电化学工业最重大的发明之一，是对电化学领域划时代的贡献。采用这种包含金属Pt、Ir、Ru、Rh、Pd的及其氧化物的钛阳极作为催化电极，为微电流电解的运行稳定性和可靠性提供了保证。

本实用新型的技术方案如下：

一种超声强化微电流电解灭菌灭藻装置，其特征在于：水路经过的微电流电解组件包含至少含有一种金属Pt、Ir、Ru、Rh、Pd、Os及其氧化物涂层的管状钛阳极，管状阴极和棒状阴极，在水路通道中成同轴布置，管状钛阳极电极和棒状阴极用塑料法兰固定，分别通过电极引线与恒流直流电源的正极(与钛阳极对接)和负极(阴极)连接；管状阴极通过法兰的固定螺栓和带有金属垫片的引线与恒流直流电源连接的负极连接；水路通道的一端加设超声发生器，水路通道的另一端安装一个圆锥型超声波发散体；超声发生器、微电流电解组件、圆锥型超声波发散体、进水口、出水口之间，采用带法兰的三通连接；所有法兰连接处，均加密封垫。

所述的包含至少含有一种金属Pt、Ir、Ru、Rh、Pd、Os及其氧化物涂层的管状钛阳极，其芯材为金属钛、钛合金。

所述的管状阴极和棒状阴极，为金属钛、钛合金、不锈钢、铜合金材料构件；为防止系统不运行时电极材料的腐蚀，以金属钛、钛合金为佳；对于棒状阴极，也可以用管状阴极代替，以节省材料。

所述的恒流直流电源，工作电压不大于36V，以保证运行安全性。

所述的圆锥型超声波发散体，为塑料、金属钛、钛合金、不锈钢、碳钢、铜合金材料构件，为防止系统运行时材料的腐蚀，以金属钛、钛合金、塑料构件为佳。

所述的固定电极的塑料法兰，其均布的支撑筋不多于6根，以减少水阻。

本实用新型的效果如下：

水路经过的微电流电解组件时，由微电流催化电解所生成的高氧化活性的物质(ClO^-，OH，H₂O₂，(O))，对水体中的细菌和藻类的细胞、RNA、DNA进行氧化作用，使其失活和死亡，使其失活和死亡，从而达到灭菌灭藻效果。

水路中一端的超声波发生器发出超声波，在水路另一端的圆锥型超声波发散体，使超声波不沿原路反射，从而使细菌和藻类受到来自不同方向的超声波挤压，促使细胞壁破坏，加强高氧化活性的物质的氧化作用，强化灭藻、灭菌效果，并且避免悬浮颗粒在管式处理装置中沉积，提高运行稳定性和可靠性。

本实用新型采用管状布局，结构简单，可以依照处理流量采用并联配置，对安装平台的不造成负面影响，对于大面积富营养化水体、大流量水体的灭菌灭藻处理，可以与水泵提水结合，并将排水动能利用，用作喷水推进动力；处理过程不对水生生态产生不利影响，设备容易安装和维护、运行成本适宜、不造成二次污染、具有良好的运行稳定性和可靠性。

附图说明

图1：超声强化微电流电解灭菌灭藻装置结构示意图；

图2：固定棒状阴极、包含电极引线的塑料法兰结构示意图；

图3：固定棒状阴极、不包含电极引线的塑料法兰结构示意图。

图4：固定管状钛阳极电极、包含电极引线的塑料法兰结构示意图；

图5：固定管状钛阳极电极、不包含电极引线的塑料法兰结构示意图；

附图标记列示如下：

1-超声发生器，2-进水口三通，3-管状钛阳极，4-管状阴极，5-棒状阴极，6-出水口三通，7-圆锥型超声波发散体，8-1、8-2为固定棒状阴极塑料法兰，9-1、9-2为固定管状钛阳极塑料法兰，10-带有金属垫片的引线，11-恒流直流电源，12-密封垫，13-电极引线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步详细说明。

如图(1)所示，本实用新型的超声强化微电流电解灭菌灭藻装置，主体包括超声发生器1，带法兰的进水三通2，含有金属Pt、Ir氧化物涂层的管状钛阳极3(购自沈阳中科惠友科技发展有限公司)，同时作为水路管体的管状阴极4，棒状阴极5，带法兰的出水三通6，圆锥型超声波发散体7，固定电极的塑料法兰8-1、8-2、9-1、9-2，带有金属垫片的引线10，和恒流直流电源11，密封垫12；其中，棒状阴极5用法兰8-1、8-2固定，参见图(1)、图(2)、图(3)，为减少水阻，固定电极的塑料法兰采用不多于六根的的均布的支撑筋，8-1、8-2的厚度一般为不小于12mm，带有电极引线的法兰8-1，沿其一根支撑筋的中心位置钻有Φ3.5～5.0mm直达电极固定园槽的通孔，固定园槽的深度为5～6mm，布设电极引线13与棒状阴极5连接，其电极引线13与直流恒流电源的负极连接，然后将电极与塑料法兰8-1园槽之间的间隙用防水绝缘胶粘结密封，棒状阴极5的另一端与不带电极引线的塑料法兰8-2的固定园槽嵌合，不必粘结，便于拆卸；管状钛阳极3用法兰9-1、9-2固定，参见图(1)、图(4)、图(5)，为减少水阻，同样固定电极的塑料法兰采用不多于六根的均布的支撑筋，法兰厚度不小于12mm，支撑电极的园环的直径在管状阳极的直径Φ_内-10mm～Φ_外+10mm之间，按管状阳极的直径和厚度挖有深度为6～8mm的环行凹槽用于固定阳极，带有电极引线的法兰9-1，沿其一根支撑筋的中心位置钻有Φ3.5～5.0mm直达固定电极的环行凹槽通孔，布设电极引线13与管状阳极3连接，其电极引线与直流恒流电源的正极连接，然后将电极与塑料法兰9-1环行凹槽之间的间隙用防水绝缘胶粘结密封，阳极3的另一端与不带电极引线的塑料法兰9-2的环行凹槽嵌合，不必粘结，便于拆卸；在各法兰之间，加密封垫12，用螺栓将整个装置紧固在一起，作为水路管体的管状阴极4通过带金属垫片的引线10与直流恒流电源的负极连接，阳极3、管状阴极4与棒状阴极5同轴。

工作时，水体经进水口进入超声强化微电流电解灭菌灭藻装置，阳极3两侧面的催化电解有效面积得以充分利用，由微电流催化电解所生成的高氧化活性的物质(ClO^-，·OH，H₂O₂，(O))，对水体中的细菌和藻类的细胞、RNA、DNA进行氧化作用；并且超声发生器产生的超声波，与圆锥型超声波发散体反射回超声波，将水路中的细菌和藻类从不同方向的进行挤压，使其细胞壁破坏；二者的协同作用，使途经其超声强化微电流电解灭菌灭藻装置的细菌和藻类失活和死亡，从而使出水口的水体达到灭菌灭藻效果；并且避免悬浮颗粒在管式处理装置中沉积，提高运行稳定性和可靠性。

选择金属Pt、Ir氧化物涂层的管状钛阳极3(Φ＝60mm，δ＝3.5mm，长1030mm)，管状钛合金阴极4(Φ＝108mm，δ＝6.5mm，长1000mm)，棒状阴极5(Φ＝8mm，长1060mm)，超声发生器的功率为50W，电流密度为1.0～5.0mA/cm²，直流恒流电源工作电压不大于36V，以这种配置的超声强化微电流电解灭菌灭藻装置，处理水流量30M³/h，对电导率为500μS/cm的试验水体中的细菌的杀灭效果见表1：

表1、不同电流密度条件下杀菌效果

电流密度mA/cm2	大肠杆菌	金黄色葡萄球菌	枯草杆菌
				1.0	99.1	92.2	87.3
2.5	99.9	97.8	96.3
				5.0	100	99.9	99.6

以含有蓝藻的天然水体，在电流密度5.0mA/cm²条件下，超声发生器的功率为50W，水流量为30M³/h，通过上述相同配置的超声强化微电流电解灭菌灭藻装置，将处理后后的水体，与未经处理的水体，自然放置24小时，然后测试两种水体中的叶绿素含量，经过处理的水体的叶绿素含量下降75％，表明有显著的蓝藻的杀灭效果。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或者等同替换；而一切不脱离本实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型专利的保护范围当中。

Claims (5)

1、一种超声强化微电流电解灭菌灭藻装置，尤其是灭菌灭藻的微电流电解水处理的装置；其特征在于：由管状钛阳极、管状阴极和棒状阴极在水路通道中成同轴布置构成微电流电解组件，经电极引线分别与恒流直流电源的正极和负极连接，与超声发生器、圆锥型超声波发散体、带法兰的三通、密封垫、电极固定法兰，通过螺栓连接紧固而成；其中：

(1)、恒流直流电源的正极接钛阳极，恒流直流电源的负极接管状阴极和棒状阴极；

(2)、恒流直流电源的工作电压不大于36V。

2、根据权利要求1所述的超声强化微电流电解灭菌灭藻装置，其特征在于所述的管状阴极和棒状阴极是金属钛、钛合金、不锈钢、碳钢或铜合金构件。

3、根据权利要求1所述的超声强化微电流电解灭菌灭藻装置，其特征在于所述的圆锥型超声波发散体是塑料、金属钛、钛合金、不锈钢、碳钢或铜合金构件。

4、根据权利要求1所述的超声强化微电流电解灭菌灭藻装置，其特征在于所述的电极固定法兰是塑料构件。

5、根据权利要求1或4所述的超声强化微电流电解灭菌灭藻装置，其特征在于所述的电极固定法兰的均布的支撑筋不多于6根。

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