CN109399803A - 一种曝气强化电化学耦合生态浮床 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种曝气强化电化学耦合生态浮床，包括浮体、基质填充袋、电化学耦合装置以及曝气机；所述基质填充袋悬挂在浮体的底部，内部填充有生物质炭；所述电化学耦合装置包括阳极棒、阴极棒和电源，阳极棒与阴极棒***在生物质炭内；所述曝气机位于浮体上方，其曝气管延伸至基质填充袋底部。通过在生态浮床内设置电化学耦合装置，实现污染水体中氨氮快速去除；同时利用浮床下方的曝气管对水体进行曝气，可以引起水力扰动，提高电化学耦合生态浮床的净化能力。
Description
技术领域
本发明属于水体生态修复领域，具体涉及一种曝气强化电化学耦合生态浮床。
背景技术
近几十年，快速的经济发展和急剧的人口膨胀，含有大量氮磷等污染物的污水排入到水体中，严重污染水体水质，破坏了原有的生态***，影响了自然景观，削弱了水体生态***的自我调节能力。生态浮床由于其造价低廉、易于操作、无二次污染，且可用于造景等优点而被广泛应用于城市水体的富营养化污染治理。
生态浮床指将高等水生植物或改良的陆生喜水植物种植在浮床载体上，浮于水面，通过植物根部对营养物质的吸收、基质吸附、微生物活动和物种竞争相克机理，削减富营养化水体中氮磷及有机物，从而达到净化水体水质的目的，恢复水体的自然属性，构建健康的水生态，同时也可营造水上景观。
但是生态浮床由于其根系可供微生物附着面积较小，植物对污染物的吸收能力有限，且受到植物生长状态的影响，尤其是在低温、光照不足的条件下，浮床净化效率低下。其次浮床如果大面积应用，植物和浮床框体的覆盖率过高，会妨碍到水体复氧，受溶解氧的影响，硝化菌和反硝化菌不能协同作用，浮床整体脱氮能力较弱。另外，传统浮床由于漂浮在水体表面，大多数重污染水体流动性差，浮床对深层水体净化效果有限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有传统浮床在水体净化的不足，提供一种利用曝气技术强化电化学耦合生态浮床，大幅提高生态浮床脱氮除磷的能力。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种曝气强化电化学耦合生态浮床，包括浮体、基质填充袋、电化学耦合装置以及曝气机；所述基质填充袋悬挂在浮体的底部，内部填充有生物质炭；所述电化学耦合装置包括阳极棒、阴极棒和电源，阳极棒与阴极棒***在生物质炭内；所述曝气机位于浮体上方，其曝气管延伸至基质填充袋底部。
优选地，所述阳极棒为镁铝合金棒，阴极棒为石墨棒，阳极棒与阴极棒之间间距为基质填充袋宽度的60～80％。
优选地，所述电源为直流稳压电源，连续供给直流电，电压在8～11V之间，电流密度为0.3～0.4mA/cm2。
优选地，所述基质填充袋内生物质炭的有效体积(基质填充袋中处于待处理水体水平面以下的生物质炭的体积)与待净化水体的体积比为0.02:1；。
优选地，所述阳极棒与阴极棒的有效体积(电极棒分布在生物质炭基质内的体积)与基质填充袋内生物质炭的有效体积之间的比值为0.03:1。
优选地，所述曝气机的出气量为1～2L/min。
进一步地，所述基质填充袋内的生物质炭上种植有水生植物。
有益效果：
本发明曝气强化电化学耦合生态浮床通过在生态浮床内设置电化学耦合装置，实现污染水体中氨氮快速去除；同时利用浮床下方的曝气管对水体进行曝气，可以引起水力扰动，提高电化学耦合生态浮床的净化能力。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是该曝气强化电化学耦合生态浮床的结构示意图；
图2是反应器中氨氮含量变化曲线；
图3是反应器中总氮含量变化曲线；
图4是反应器中总磷含量变化曲线；
图5是反应器中可溶性磷含量变化曲线。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。
说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，该曝气强化电化学耦合生态浮床包括浮体1、基质填充袋2、电化学耦合装置3以及曝气机4；基质填充袋1悬挂在浮体1的底部，内部填充有生物质炭21；所述电化学耦合装置3包括阳极棒31、阴极棒32和电源33，阳极棒31与阴极棒32***在生物质炭21内；所述曝气机4位于浮体1上方，其曝气管41延伸至基质填充袋1底部。
为了验证本装置的效果，发明人进行如下实验：
反应器(容积100L)中加入人工配置的重污染水体60L，将反应器编号为CK、T1、T2、T3。CK为空白对照，T1中只布设添加生物质炭的生态浮床；T2中布设电化学耦合生态浮床；T3中布设电化学耦合生态浮床，并在浮体上方安装小型曝气机，并将曝气管延伸至基质填充袋底部，每天定时曝气4h。各组装置区别如表1所示。
表1
| 装置名称 | 阴极 | 阳极 | 浮床 | 曝气 |
| CK | 无 | 无 | 无 | 无 |
| T1 | 无 | 无 | 有 | 无 |
| T2 | 石墨 | 镁铝电极 | 有 | 无 |
| T3 | 石墨 | 镁铝电极 | 有 | 有 |
三个反应器中浮床均为统一规格(33cm×33cm×5.5cm)，圆柱形基质填充袋(φ15cm*25cm)悬挂在浮体下部，其中放置1.2kg的生物质炭(竹炭1～3mm)作为基质，在基质中种植水生长势、大小相近的水生植物黄菖蒲，种植密度为50株/m2。T2、T3的浮床基质中布设一根镁铝合金棒(φ1.5cm*25cm)和一根石墨棒(φ1.5cm*25cm)分别作为阳极与阴极，电极间距为12cm。利用直流稳压电源连续供给直流电，电压在8～11V之间波动，保证电流密度大小设置为0.37mA/cm2。实验中电极棒的有效体积(电极棒分布在生物质炭基质内的体积)为35cm3，生物质炭的有效体积(基质填充袋中处于待处理水体水平面以下的生物质炭的体积)为1125cm3，两者的体积比为0.03:1。生物质炭的有效体积与待净化水体的体积比约为0.02:1。T3中曝气头的出气量约为1.5L/min。
待处理的试验污水为人工配置的富营养污水，PO4 3--P用磷酸二氢钾配置，浓度为8mg/L，NH3-N用氯化铵配置，浓度为10mg/L。COD利用无水乙酸钠配置，浓度为50mg/L。实验周期22天，每隔24h取样一次，测定水体中的营养盐指标与其他理化指标。
水体的理化指标采用哈希HQ30d测定，氨氮的浓度测定使用纳氏试剂光度法(GB7479－87)测定；硝态氮采用紫外分光光度法中的标准测定；总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB11894－89)；磷酸盐采用钼锑抗分光光度法(GB11893－89)；亚硝态氮采用N-(1-萘基)乙二胺光度法(GB7493－87)，参见《水和废水监测分析方法(第四版)》中的标准。各样品在经过标准程序处理后用紫外分光光度法(V1800，SHIMADZU)分析测定。连续处理22天后T3组相较于CK、T1、T2组中水质明显改善，图2～4分别为采用本实施运行的水质监测结果。
地表水中氨氮的去除主要是通过硝化细菌和反硝化细菌的常规生物化学过程去除，或是通过植物和微生物自身的吸收除去，以及基质的吸附等作用。通过对各试验组水体中各形态氮的测定发现，电化学耦合生物质炭浮床对氨氮的去除能力和转化能力较传统生物质炭浮床快。如图2和3所示，在装置运行22天后，T2中氨氮的去除率达到76％，而相比之下，T1传统生态浮床的氨氮去除率只有45％。实验周期结束后，T2中氨氮的含量为2.46mg/L，而利用曝气强化后的电解浮床装置中氨氮含量已降低为0.36mg/L。可见，利用曝气技术、电化学技术和生态浮床联用可以将重污染水体中氨氮快速去除。电化学技术去除氨氮主要包括氨氮在阳极被直接氧化，或通过电化学的间接氧化作用将其转变为N2。同时，阴极在电解的过程中产生微量的氢气，可以供生物质炭表面的微生物作为自养反硝化微生物的能源，可以防止硝态氮在水体中的积累。而利用曝气技术可以补充水体中溶解氧，起到高效去除氨氮的目的。
利用曝气技术及电化学技术强化后的生态浮床对磷酸盐也有明显的去除效果，见图4和图5。T2中TP的去除率达到90％，T3中去除率达到88％，主要是由于浮床***在运行时，供电***产生直流电，阳极在电解的过程中产生镁铝离子，和水体中的磷酸盐反应生成沉淀。镁离子被生物质炭吸附后也可以起到改性生物质炭的作用，可以提升生物质炭吸附磷酸盐的能力。当水体中磷浓度较高时，曝气可以引起水力扰动，提高电化学耦合生态浮床的净化能力，所以在反应前期磷酸盐去除的更快。
通过溶解氧的变化曲线可以看出，在装置运行初期，由于氨氮和有机物的存在，二者的氧化消耗大量溶解氧，导致水体中溶解氧含量迅速降低，而随着氨氮的逐步转化与去除，有机物也不断消耗，溶解氧含量逐步提升。但浮床***的应用会在一定程度上妨碍到水体的自然复氧，而添加了曝气***的T3中，溶解氧含量一直保持在较高的水平，有利于氨氮和有机物的去除。
与传统生态浮床相比，将曝气技术与电化学技术联用可大幅提高生物质炭生态浮床对氮磷的去除效率。以生物质炭作为基质原位吸附氮磷，可以间接降低电化学反应能耗。同时镁铝电极作为阳极，可以改性生物质炭，强化其吸附能力。另外阳极牺牲产生的镁铝离子也可以絮凝沉淀水体中的磷酸盐。通过曝气技术的应用，可以在水体和基质中形成较好的氧化环境，有利于水体中氨氮的去除，同时也可以有效改善基质的微环境，适合好氧微生物生长。从而弥补了传统浮床大面积应用带来的妨碍水体复氧问题。
本发明提供了一种曝气强化电化学耦合生态浮床的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (7)
1.一种曝气强化电化学耦合生态浮床，其特征在于，包括浮体(1)、基质填充袋(2)、电化学耦合装置(3)以及曝气机(4)；所述基质填充袋(1)悬挂在浮体(1)的底部，内部填充有生物质炭(21)；所述电化学耦合装置(3)包括阳极棒(31)、阴极棒(32)和电源(33)，阳极棒(31)与阴极棒(32)***在生物质炭(21)内；所述曝气机(4)位于浮体(1)上方，其曝气管(41)延伸至基质填充袋(1)底部。
2.根据权利要求1所述的曝气强化电化学耦合生态浮床，其特征在于，所述阳极棒(31)为镁铝合金棒，阴极棒(32)为石墨棒，阳极棒(31)与阴极棒(32)之间间距为基质填充袋(1)宽度的60～80％。
3.根据权利要求2所述的曝气强化电化学耦合生态浮床，其特征在于，所述电源(33)为直流稳压电源，连续供给直流电，电压在8～11V之间，电流密度为0.3～0.4mA/cm2。
4.根据权利要求1所述的曝气强化电化学耦合生态浮床，其特征在于，所述基质填充袋(1)内生物质炭(21)的有效体积与待净化水体的体积比为0.02:1。
5.根据权利要求4所述的曝气强化电化学耦合生态浮床，其特征在于，所述阳极棒(31)与阴极棒(32)的有效体积与基质填充袋(1)内生物质炭(21)的有效体积之间的比值为0.03:1。
6.根据权利要求1所述的曝气强化电化学耦合生态浮床，其特征在于，所述曝气机(4)的出气量为1～2L/min。
7.根据权利要求1所述的曝气强化电化学耦合生态浮床，其特征在于，所述基质填充袋(1)内的生物质炭(21)上种植有水生植物。
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