一种面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统及使用方法

文档序号:9902603阅读:430来源:国知局
一种面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统及使用方法
【技术领域】
[0001]本发明设及一种稻田排水净化系统,具体而言,是一种结合了太阳能和光催化的 面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统及使用方法。
【背景技术】
[000^ 稻田排水
[0003] 近年来由于施肥过量、施肥结构不合理,使得大量氮元素输入江、河、湖泊,引起日 益严重的农业面源污染问题,导致水质恶化、加剧了水体富营养化。湖泊中氮来源有50% W 上来自于农业面源污染,如太湖地区,农业面源排放氮量占入湖总氮量的77%。稻作期农田 渗漏液中氮素流失主要W氨氮为主,约占渗漏水氮素流失量的70% W上,降低稻田排水中 的氨氮含量对降低农业面源污染有重要意义。由于稻田排水具有总量大、分布分散、间歇排 放等特点,对农村生态环境和民众健康构成潜在威胁。本发明针对的稻田排水,相比点源污 染、未处理的生活污水等污染源,其氮憐等含量较低,但由于分布广泛、产生量高,对水体环 境的负面影响也非常显著。稻田排水使用工程化措施处理经济性不高,特别是在排放较为 分散的农村地区,难W实现深度净化处理。因此,有必要针对稻田排水设置低成本的、易维 护的、环境友好的净化系统,W降低其氨氮含量,使稻田排水达到或接近地表水排放标准, 实现良好的生态与经济效益。
[0004] 光催化技术
[0005] 光催化是指光触媒在外界光的作用下发生催化作用。据报道,在适宜条件下,光催 化技术几乎能将所有类型的有机污染物矿化为C〇2,也OW及其他简单低分子物质。因此光催 化技术是一种绿色、高效、低能耗的水处理技术,对去除水中氨氮具有十分重要的意义。但 目前光催化技术在稻田排水中还少有应用,主要原因是成本和效率。光催化反应需要紫外 光进行作用,而太阳光的紫外线效率偏低,人造紫外灯需要额外的电力输入,田间通电困难 且成本较高。光催化技术存在光响应范围窄、量子转换效率低和光催化剂难W粉末化等限 审IJ,一定程度上影响了该技术的推广。

【发明内容】

[0006] 为了克服现有技术中存在的不足,本发明提供一种面向稻田排水低浓度氨氮减排 的光催化系统及使用方法,结合太阳能技术和光催化技术,实现对稻田排水中的氨氮进行 绿色、高效的净化。通过本发明的面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统,可W实现绿色能 源转化、降低面源污染等目标,具有成本较低(一次性投入)、环境友好、应用面广泛等特点。
[0007] 为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
[0008] -种面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统,利用太阳能发电系统将太阳能 转化为电能,转化的电能为光催化反应器系统供能,使用特定纳米催化材料在紫外照射条 件下将水体中的锭态氮转化为氮气;该系统分为=个子系统:基于太阳能的发电和电能储 存系统、稻田排水预处理系统和基于特定催化材料的光催化反应器系统;所述的特定纳米 催化材料由生物炭负载Ti化纳米材料制成;纳米二氧化铁在生物炭负载纳米二氧化铁催化 材料中的质量比为1 % -20 %。
[0009] 第一个子系统为基于太阳能的发电和电能储存系统,包括太阳能发电系统和太阳 能电能储存系统;
[0010] 第二个子系统为稻田排水预处理系统,在其前端设置格栅,格删后端连接稻田排 水预处理的容器,预处理的容器高于光催化反应器系统;在预处理的容器底部添加工程改 良生物炭包,所述的工程改良生物炭包为负载了金属元素。6、111、1邑、化、1^曰元素中的一种或 多种元素的生物炭;
[0011] 第=个子系统为基于特定纳米催化材料的光催化反应器系统,该系统分为光催化 系统、揽拌系统和进出水系统;光催化系统包括所述的紫外灯和特定纳米催化材料;紫外灯 由石英玻璃进行包裹,光催化反应器内壁采用反光材料或镜面材料;揽拌系统的揽拌速度 和紫外灯强度均为可调。
[0012] 更具体地,发电和电能储存系统为光催化反应器系统提供洁净和持续的能源,稻 田排水预处理系统去除影响光催化反应的植物残体和泥沙等,光催化反应器系统作为主要 反应系统完成对稻田排水中氨氮的去除。
[0013] 第一个子系统通过太阳能电池板,将太阳能转化为电能,可直接驱动光催化反应 器系统,同时匹配电能储存系统(裡电池或铅蓄电池),对富余电能进行储存,在太阳光照不 足时(阴雨或夜晚),可继续为光催化反应器系统提供电源。所述太阳能发电系统,其太阳能 电池板面积0.1-lm 2,太阳能电池板功率50-500W,工作电压5-80V,工作电流1-20A。所述太 阳能电能储存系统,采用裡电池或铅蓄电池,容量10-200Ah。
[0014] 第二个子系统的格栅,用于阻挡植物残体和大颗粒固体物质,格栅孔隙间隔为2-20mm;稻田排水预处理的容器可将稻田排水中的泥沙颗粒物等进行沉淀,避免泥沙进入后 面的光催化系统,影响光催化效果,预处理的容器体积为1〇-1〇〇化,容器高于光催化反应器 系统50-150cm。工程改良生物炭包,用于吸附和络合排水中的憐酸根等多种离子,降低稻田 排水中离子对光催化效果产生的影响。改良生物炭应负载了金属元素化、Mn、MgXa、La元素 中的一种或多种元素,W强化其对于阴离子的硝酸根和憐酸根的吸附去除效果。优选的,运 里使用Mg改良生物炭装入炭包,作为吸附和促沉材料。
[0015] 第=个子系统中,光催化系统的核屯、部分是由紫外灯和特定纳米催化材料对稻田 排水中的氨氮进行催化消除。所述紫外灯的紫外线强度可根据稻田排水中氨氮浓度进行自 动控制调整,通过自动控制器,设定施肥后l-7d内的紫外线强度分别为100% (l-3d) ,80% (4-5d),60% (6-7d)。紫外线强度范围为:50-1000iiW/cm2。光催化系统设有水位测定器,可 W根据水位变化情况确定紫外灯的亮灯个数:在低水位的时候自动打开部分紫外灯;在高 水位(即排水流量较高)时自动打开全部的紫外灯。所述紫外灯采用石英玻璃进行包裹,石 英玻璃厚度5-lOOmm,石英玻璃需具备较好的透光能力,紫外线透过率70-100%。所述催化 反应器内壁采用涂布反光材料或镜面材料,包括内侧安装反光镜、使用镜面不诱钢材料、贝占 镜面金属纸锥、喷涂反光油漆等,反光率30%-100%。
[0016] 作为优选方案,所述太阳能发电系统采用的太阳能电池板功率150W,工作电压 17.6¥,工作电流8.5八。
[0017] 作为优选方案,所述太阳能电能储存系统采用裡电池,其电能储存能力可维持光 催化系统运行6小时。
[0018] 作为优选方案,所述稻田排水预处理系统采用格栅对稻田排水进行过滤,格栅间 隔为10mm。
[0019] 作为优选方案,所述光催化系统中选取Ti化作为纳米催化材料,生物炭负载二氧 化铁材料构成的特定纳米催化材料的加入量为0.5-10g/L,优选为l.Og ? [1。加入量为生物 炭负载二氧化铁后的材料占反应液的质量体积比。
[0020] 作为优选方案,所述光催化系统紫外灯的紫外线强度为200yW/cm2。
[0021] 作为优选方案,所述揽拌系统由太阳能发电和电能储存系统驱动,转速可手动调 节,转速为GOr/min。
[0022] 作为优选方案,所述反应器内壁采用不诱钢材料,反光率为60%。
[0023] 前述的面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统的使用方法,稻田排水进入该系统 后,先由稻田排水预处理系统完成过滤、沉淀和吸附过程;然后进入基于特定纳米催化材料 的光催化反应器系统,根据进水量和水质情况,调节揽拌器转速,紫外灯的数量和紫外光强 度,对水体中的氨氮进行催化降解;待稻田排水氨氮含量下降后通过排水阀排出,同时根据 进水量调节排水阀,最终实现降低稻田排水中氨氮含量,减轻面源污染风险;所述的特定纳 米催化材料由生物炭负载Ti化纳米材料制成。
[0024] 在光催化反应器系统中,特定纳米催化材料的加入量为0.5-10g/L,光催化反应器 系统的反应液溫度为10-50摄氏度。
[0025] 本发明提供了一种基于太阳能的面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统,结合了 太阳能技术和光催化技术,达到了环保、高效的稻田氨氮污染水净化效果。具体而言,本发 明实现W下有益效果:
[0026] 1)充分利用太阳能运种绿色能源,通过太阳能电池板,将太阳能转化为电能,可直 接驱动光催化反应器系统,同时匹配电能储存系统(裡电池或铅蓄电池),对富余电能进行 储存,在太阳光照不足时(阴雨或夜晚),可继续为光催化反应器系统提供电源。既解决了传 统稻田排水氨氮处理方法成本高的问题,也解决了光催化处理方法能源输入的问题,在不 增加额外成本、造成环境负效应的前提下完成对稻田排水中氨氮的处理。
[0027] 2)本发明使用的稻田排水预处理系统,集成了过滤、沉淀和吸附=种方法,对稻田 排水进行预处理,通过低成本、无公害的方法提高了后续光催化处理的效率。
[0028] 3)本发明使用的光催化处理方法,具有高效、低能耗的特点,匹配太阳能供电系统 后,可W达到一次投入,终身使用的效果。本发明通过降低稻田排水的氨氮浓度,将其转化 为无害的氮气,为农业环境治理提供一种值得推广的系统。
[0029] 4)本发明使用系统可调控,可针对水量大小和水质好坏调节揽拌器转速和紫外灯 强度,提高太阳能的使用效率,最大化氨氮去除效果。
[0030] 5)生物炭具有比表面积较大、表面官能团丰富、耐热耐酸碱、稳定性强等优点,且 成本较低、环境友好,与光催化材料结合形成的复合材料,将大大提高光催化效率。
[0031] 综上,本发明提出的一种新型的面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统,实 现了利用绿色能源降低污染,符合可持续发展的理念。
【附图说明】
[0032] 图I为面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统不同催化时间去除氨氮的效果;
[0033] 图2为面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统中催化剂浓度对氨氮去除效果的影 响;
[0034] 图3为面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统中反应液溫度对氨氮去除效果的影 响;
[0035] 图4为面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统中反应液抑值对氨氮去除效果的影 响;
[0036] 图5为面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统对不同氨氮浓度反应液中氨氮的去 除效果;
[0037] 图6为本发明的系统示意图。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
[0039] -种面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统,结合太阳能和光催化,实现稻 田排水绿色、高效净化。通过本发明的面向稻田
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