CN105084633A - 富营养化水体原位电磁耦合絮凝沉淀装置 - Google Patents

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Abstract

一种富营养化水体原位电磁耦合絮凝沉淀装置，包括蓄电池、太阳能电池板及与太阳能电池板相连的浮筒，太阳能电池板与蓄电池连接，浮筒上部设有污水泵、污泥泵、蓄电池、空压机和磁种投加器，污水泵、污泥泵、空压机和磁种投加器分别与蓄电池连接，浮筒中部设有絮凝反应区，絮凝反应区下部为污泥沉降区，污泥沉降区两旁为沉淀分离区，浮筒外的富营养化水体通过污水泵抽入絮凝反应区，絮凝反应区设有多对电絮凝用的阳极和阴极，下方安装有与空压机连接的穿孔曝气管，磁种投加器用于投加磁种进入絮凝反应区，污泥沉降区的两侧表面安装有强力磁铁。本发明运行成本低，维护简单，无药剂污染和固体废物产生，磁种易回收，浓缩沉淀能直接用作肥料。

Description

富营养化水体原位电磁耦合絮凝沉淀装置
技术领域
本发明涉及水资源保护与水环境治理领域，具体是一种富营养化水体原位电磁耦合絮凝沉淀装置。
背景技术
过量营养物质(主要是氮磷)造成的湖库水体富营养化的程度和范围在我国呈快速发展趋势，形势十分严峻。水体富营养化防治通常采用藻类控制和过量氮磷等营养物质削减相结合的方式。对藻类控制来说，常用打捞除藻、机械除藻或化学除藻等方法；过量营养物质削减大多采用清水稀释、植物吸收净化等措施。上述藻类防治措施耗时耗力，机械或药剂投入大，处理效率也不甚理想；过量营养物质削减通常需要配套建设引水工程或生态修复工程，引水工程耗资巨大，需要引调大量清水；生态修复工程耗时长，见效慢。由此可见，在外源截污背景下，采用合适的工艺方法快速消减水体中的氨氮和磷等营养物质，将其带离湖库水体；与此同时，使富营养化水体中的藻类生长得到有效控制，是今后治理河湖富营养化问题的重要方向。
水体富营养化通常易在天然缓流水体发生，该水域体积大、氮磷等浓度低于工业废水或市政生活污水，难以抽取后在岸边用传统污水处理工艺净化。富营养化水体原位处理具有不占地、机动、灵活、处理效率高于生态修复工程、见效相对较快、受季节气候影响较小等优点。目前，国内外公开了一些富营养化水体移动式处理装置或技术，一般采用在移动平台上搭载吸附、微电流电解、微纳米曝气等水质净化单元，通过氮磷吸附、微电流电解抑藻以及曝气增氧的方式原位抑藻和削减氮磷；或者借鉴岸边处理A/A/O的工艺原理，在移动平台上整合厌氧-缺氧-好氧与沉淀技术，利用微生物的作用原位脱氮除磷。磁絮凝的沉淀分离效果好，可应用于富营养化水体处理，通过吸水装置将富营养化水体、底泥或底泥中的孔隙水输送至岸边，进行磁絮凝+生态浮岛处理。综上可看出，目前已存在一些富营养化水体原位处理技术，但基于电絮凝以及电磁絮凝原位处理尚未见报道。
发明人在实现本发明的过程中发现，现有富营养化水体原位处理装置或技术存在较大不足：吸附材料用量大、难回收、电解用的电极易钝化、营养物质处理效率低且不易资源化回收利用；易受外界环境影响，微生物脱氮除磷稳定性不足、效率不高；磁絮凝的药剂投入量大、成本高、沉淀存在二次污染、不易资源化利用。与此同时，电絮凝无需絮凝药剂、吸附材料及微生物等投入，藻类和氮磷等去除性能稳定、效率高、沉淀无污染，但也存在能耗高、电极易钝化、沉淀分离难等缺陷。富营养化水体的水面开阔，太阳能利用条件优越，如何利用太阳能低成本原位电磁絮凝处理富营养化水体，缓解电极钝化老化、摆脱絮凝剂依赖、抑制藻类快速生长、便利回收水体氮磷，将是解决天然水体富营养化的新思路，具有极大的环境、经济、社会效益和应用前景。
发明内容
本发明提供一种富营养化水体原位电磁耦合絮凝沉淀装置，无需将水体抽取到岸边处理，不必加入吸附材料和絮凝药剂，不需培养驯化微生物，不必经常更换电极，不用将沉淀机械压缩；主要依靠太阳能供给能源，电解阳极获得絮凝剂、曝气强化电磁絮凝性能、强力磁铁快速分离并浓缩沉淀，实施富营养化水体原位处理，该装置野外工作能力强，藻类和氮磷等处理效果好，运行成本低，维护简单，无药剂污染和固体废物产生，磁种易回收，浓缩沉淀能直接用作肥料。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种富营养化水体原位电磁耦合絮凝沉淀装置，包括蓄电池、太阳能电池板及与太阳能电池板相连的浮筒，太阳能电池板与蓄电池连接，浮筒上部设有污水泵、污泥泵、蓄电池、空压机和磁种投加器，污水泵、污泥泵、空压机和磁种投加器分别与蓄电池连接，浮筒中部设有絮凝反应区，絮凝反应区下部为污泥沉降区，污泥沉降区两旁为沉淀分离区，浮筒外的富营养化水体通过污水泵抽入絮凝反应区，絮凝反应区设有多对电絮凝用的阳极和阴极，阳极和阴极的下方安装有与空压机连接的穿孔曝气管，絮凝反应区的上方两侧倒锥形表面设有与沉淀分离区连通的出水口，磁种投加器用于投加磁种进入絮凝反应区，污泥沉降区的两侧表面安装有强力磁铁，在污泥沉降区底部堆积的浓缩污泥通过污泥泵定期外排用作肥料。
进一步的，出水口下侧设有向下倾斜设置的絮凝混合液导流隔板，以便实现清污分离。
进一步的，磁种为Fe3O4颗粒。
进一步的，磁种的粒径不小于0.5mm。
进一步的，穿孔曝气管曝气过程中气水比为10:1～15:1。
进一步的，穿孔曝气管具有分布均匀、孔口朝上的曝气孔。
进一步的，每对和阴极的间距不大于1.5cm。
进一步的，阳极和阴极表面安装自清洁橡胶刮片，用于定期清除附着在电极表面的污浊，缓解电极老化和钝化。
进一步的，自清洁橡胶刮片与阳极和阴极等宽。
进一步的，阳极采用铝板或铁板制成，阴极采用不锈钢材质制成。
由于采用了上述方案，本发明具有如下有益效果：
(1)采用浮筒式结构，利用太阳能供电，将电絮凝、磁絮凝、磁分离、沉淀回用等集中一体化布置，实现了富营养化水体的原位电磁耦合絮凝沉淀处理，摆脱现有富营养化水体对吸附材料、絮凝药剂及微生物的依赖，能够快速、高效和环保的杀灭藻类，絮凝氮磷等营养物质，回收磁种，还能通过回用浓缩沉淀的方式彻底移除水体中的氮磷，不断削减甚至根除内源污染。
(2)太阳能供电实施电絮凝，无需外加电源，节能环保；更重要的是，在阳极和阴极表面安装了自清洁橡胶刮片，定期清除附着在电极表面的污浊，缓解电极老化和钝化，提高电絮凝效率，延长电极使用寿命。
(3)在絮凝反应区内，利用曝气的方式，将电解产生的絮凝活性物质与磁种投加器投放的磁种充分混合，实现了电磁耦合絮凝，提高了单一电絮凝或磁絮凝的性能。
(4)污泥沉降区安装强力磁铁，利用磁力和重力作用快速对电磁絮凝混合液实施泥水分离，将磁种富集于强力磁铁表面，污泥浓缩于污泥沉降区底部，同步实现了磁种回收和浓缩污泥的回用。
(5)浮筒无需外源动力，受外界气候条件影响较小，可固定或移动式运行，野外工作能力强，既能单个浮筒长期在某一水域处理，也可多个浮筒在该水域集中处理。
(6)浮筒可采用外加电源充电，当采用岸边充电时，浮筒能全天候工作，极大提高富营养化水体的处理效率，实现以时间换空间，缩短湖泊治理的周期。因此，浮筒工作方式灵活，维护管理简单，推广应用条件好。
附图说明
图1是本发明富营养化水体原位电磁耦合絮凝沉淀装置的结构示意图。
图中：1—浮筒，2—絮凝反应区，3—沉淀分离区，4—污泥沉降区，5—污水泵，6—污泥泵，7—空压机，8—磁种投加器，9—蓄电池，10—太阳能电池板，11—阳极，12—阴极，13—自清洁橡胶刮片，14—穿孔曝气管，15—曝气孔，16—出水口，17—絮凝混合液导流隔板，18—磁种，19—强力磁铁，20—排水口，21—浓缩污泥。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
图1所示为本发明富营养化水体原位电磁耦合絮凝沉淀装置的结构示意图，所述富营养化水体原位电磁耦合絮凝沉淀装置包括太阳能电池板10及与太阳能电池板10相连的浮筒1，浮筒1上部设有污水泵5、污泥泵6、蓄电池9、空压机7和磁种投加器8，太阳能电池板10与蓄电池9连接，污水泵5、污泥泵6、空压机7和磁种投加器8分别与蓄电池9连接。浮筒中部设有絮凝反应区2，絮凝反应区2下部为污泥沉降区4，污泥沉降区4两旁为沉淀分离区3。
浮筒1外的富营养化水体通过污水泵5抽入絮凝反应区2，絮凝反应区2设有电絮凝用的阳极11和阴极12，用于电解杀灭和絮凝藻类，以及絮凝氮磷等营养物质。阳极11和阴极12上端表面均安装有自清洁橡胶刮片13，用于定期清除附着在电极表面的污浊，缓解电极老化和钝化。絮凝反应区2的阳极11和阴极12下方，安装有穿孔曝气管14，空压机7与穿孔曝气管14相连，絮凝反应区2的上方两侧设有出水口16，出水口16下侧设有向下倾斜设置的絮凝混合液导流隔板17。
絮凝过程中，磁种投加器8内的磁种18(主要是Fe3O4颗粒)与进水中的藻类、氮磷等营养物质一道进入絮凝反应区2，在穿孔曝气管14释放空气的混合作用下，与阳极11和阴极12电解产生的絮凝活性物质相掺混，高效杀灭和絮凝藻类，以及絮凝氮磷等营养物质。
充分发生电磁耦合絮凝后的混合液，通过絮凝反应区2的上方两侧的出水口12进入沉淀分离区3。在沉淀分离区3，磁种借助自身重力作用和安装在污泥沉降区4两侧的强力磁铁19的磁力作用，快速进行泥水分离。泥水分离后的上清液通过浮筒1上部两侧的排水口20外排，含有磁种的污泥则进入污泥沉降区4。
污泥沉降区4的两侧倒锥形表面安装强力磁铁19，含有磁种的污泥通过污泥沉降区4时，通过磁力分离被富集并固定于强力磁铁表面，与磁种分离后的浓缩污泥21，在污泥沉降区4底部堆积。
污泥沉降区4中，富集于强力磁铁19表面的磁种定期回收，进入磁种添加器8进行再利用；浓缩污泥21则通过污泥泵6定期外排用作肥料。
以下结合图1说明其具体实施过程：
1.了解待处理富营养化水域的环境状况，包括藻类、浊度、氮磷等营养物质浓度以及太阳辐射强度和时长等基本参数。基于待处理水域的水质条件和太阳能供电能力评估浮筒1处理能力，并为蓄电池9、污水泵5、污泥泵6、空压机7、磁种投加器8及太阳能电池板10选型。原则上来说，藻类密度、浊度及氮磷营养物质浓度越高，装置处理效果越好，建议待处理水域藻类密度以叶绿素a计不低于10g/L，浊度不低于3NTU，总磷浓度不低于0.2mg/L。
2.浮筒1采用防水、防腐和防撞高密度聚乙烯材质，用于给整个装置提供浮力。污水泵5将浮筒1外的富营养化水体抽入絮凝反应区2。与此同时，磁种投加器8中的磁种18也随进水一道进入絮凝反应区2。磁种18一般为Fe3O4颗粒，粒径不小于0.5mm。进水与磁种18充分混合，促进了磁种18与进水中藻类、氮磷等营养物质的有效接触。原则上来说，絮凝反应区2的磁种18质量浓度不高于1％。
3.絮凝反应区2的下方安装有穿孔曝气管14，穿孔曝气管14具有分布均匀、孔口朝上的曝气孔15。曝气过程中，气水比为10:1～15:1。絮凝反应区2内，设有电解絮凝用的阳极11和阴极12，阳极11一般采用铝板或铁板，阴极12为不锈钢等材质，厚度约5mm-1cm。电解过程中，阳极11不断消耗并释放出Al3+或Fe3+，阴极12电解水生成OH-，二者之间形成具有絮凝作用的Al(OH)3或Fe(OH)3，快速絮凝水体中的藻类、氮磷等营养物质。与此同时，电解过程中还能产生一些具有氧化作用的活性物质如H2O2、O3、˙OH、˙O2 -等，能够快速杀灭藻类。出于节能和确保电絮凝效率考虑，每对阳极11与阴极12的间距不大于1.5cm，电絮凝时间一般在3分钟以内。
4.为防止电絮凝过程中沉淀在电极表面附着，污损电极和影响电絮凝效率，采用了双重防电极钝化老化措施。一是借助絮凝反应区2内的曝气，增强电解活性物质、磁种18以及进水中的藻类、氮磷等营养物质的接触，提高混凝性能，减少电极表面的沉淀生成和附着。二是在阳极11和阴极12表面，安装自清洁橡胶刮片13，定期清除附着在电极表面的污浊，缓解电极老化和钝化，提高电絮凝效率，延长电极使用寿命。自清洁橡胶刮片13与阳极11和阴极12等宽，厚度约0.5mm。
5.充分掺混电解活性物质、磁种18与进水的混合液，通过絮凝反应区2上方两侧的出水口16进入沉淀分离区3。出水口16下方安装有向下倾斜设置的絮凝混合液导流隔板17，以便实现清污分离。在沉淀分离区2，掺混了磁种18的絮凝体借助自身重力作用和安装在污泥沉降区4两侧的强力磁铁19的磁力作用，快速进行泥水分离。泥水分离后的上清液通过浮筒上部两侧的排水口20外排，含有磁种18的污泥则进入污泥沉降区4。排水口20的位置比待处理水域水面高0.2m以上，以免外部水体倒灌进入浮筒1。
6.污泥沉降区4的两侧倒锥形表面安装强力磁铁19，厚度约2-5cm，含有磁种18的污泥通过污泥沉降区4时，磁种18依靠自身的磁性被分离富集并固定于强力磁铁19表面，与磁种18分离后的污泥，在污泥沉降区4底部堆积，形成浓缩污泥21。
7.污泥沉降区4中，富集于强力磁铁19表面的磁种18定期回收，进入磁种投加器8再利用；浓缩污泥21则通过污泥泵6定期外排用作肥料。
8.污水泵5、污泥泵6、蓄电池9、空压机7、磁种投加器8位于絮凝反应区2的上方，蓄电池9一方面与太阳能电池板10相连，用于储蓄电能，另一方面与污水泵5和污泥泵6相连，用于浮筒1进水和排泥。此外，蓄电池9还与空压机7和磁种投加器8连接，用于给穿孔曝气管14提供压缩空气和为絮凝反应区2提供磁种18。
9.具体实施时，可采取单个浮筒1在某一水域长期运行，也可采用多个浮筒1集中短期同时运行。为了减少浮筒1净化后的出水对浮筒1周边水域的稀释，还可以将待处理水域设置围隔，把浮筒1排水输送至围隔外排放。另外，为缩短处理周期或应对光照不足，还可利用岸边电源为浮筒1中的蓄电池9供电。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种富营养化水体原位电磁耦合絮凝沉淀装置，包括蓄电池(9)、太阳能电池板(10)及与太阳能电池板(10)相连的浮筒(1)，太阳能电池板(10)与蓄电池(9)连接，其特征在于：浮筒(1)上部设有污水泵(5)、污泥泵(6)、蓄电池(9)、空压机(7)和磁种投加器(8)，污水泵(5)、污泥泵(6)、空压机(7)和磁种投加器(8)分别与蓄电池(9)连接，浮筒中部设有絮凝反应区(2)，絮凝反应区(2)下部为污泥沉降区(4)，污泥沉降区(4)两旁为沉淀分离区(3)，浮筒(1)外的富营养化水体通过污水泵(5)抽入絮凝反应区(2)，絮凝反应区(2)设有多对电絮凝用的阳极(11)和阴极(12)，阳极(11)和阴极(12)的下方安装有与空压机(7)连接的穿孔曝气管(14)，絮凝反应区(2)的上方两侧设有与沉淀分离区(3)连通的出水口(16)，磁种投加器(8)用于投加磁种(18)进入絮凝反应区(2)，污泥沉降区(4)的两侧倒锥形表面安装有强力磁铁(19)，在污泥沉降区(4)底部堆积的浓缩污泥(21)通过污泥泵(6)定期外排用作肥料。
2.如权利要求1所述的富营养化水体原位电磁耦合絮凝沉淀装置，其特征在于：出水口(16)下侧设有向下倾斜设置的絮凝混合液导流隔板(17)，以便实现清污分离。
3.如权利要求1所述的富营养化水体原位电磁耦合絮凝沉淀装置，其特征在于：磁种(18)为Fe3O4颗粒。
4.如权利要求1或3所述的富营养化水体原位电磁耦合絮凝沉淀装置，其特征在于：磁种(18)的粒径不小于0.5mm。
5.如权利要求1所述的富营养化水体原位电磁耦合絮凝沉淀装置，其特征在于：穿孔曝气管(14)曝气过程中气水比为10:1～15:1。
6.如权利要求1所述的富营养化水体原位电磁耦合絮凝沉淀装置，其特征在于：穿孔曝气管(14)具有分布均匀、孔口朝上的曝气孔(15)。
7.如权利要求1所述的富营养化水体原位电磁耦合絮凝沉淀装置，其特征在于：每对(11)和阴极(12)的间距不大于1.5cm。
8.如权利要求1所述的富营养化水体原位电磁耦合絮凝沉淀装置，其特征在于：阳极(11)和阴极(12)表面安装自清洁橡胶刮片(13)，用于定期清除附着在电极表面的污浊，缓解电极老化和钝化。
9.如权利要求8所述的富营养化水体原位电磁耦合絮凝沉淀装置，其特征在于：自清洁橡胶刮片(13)与阳极(11)和阴极(12)等宽。
10.如权利要求1所述的富营养化水体原位电磁耦合絮凝沉淀装置，其特征在于：阳极(11)采用铝板或铁板制成，阴极(12采用不锈钢材质制成。
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