光催化氧化与生态修复相结合的一体化水体修复装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种光催化氧化与生态修复相结合的一体化水体修复装置，该装置的中间水平位置设置有强浮力载体(5)，太阳能电池板(1)设置在强浮力载体(5)上面的中央部位，并与气泵(4)相连接，气泵(4)的出气口与曝气管(7)相连接，曝气管(7)垂直穿过强浮力载体(5)与水平设置在该装置下面的布气管(8)相连通；其周围设置有挺水植物(2)；挺水植物(2)与强浮力载体(5)构成生态浮床系统；强浮力载体(5)的四周设置有透明塑料板，透明塑料板上粘有二氧化钛可见光催化剂薄膜，构成可见光催化氧化系统；强浮力载体(5)下方垂直悬挂填料串。本实用新型对难降解污染物的去除率达50％以上，增强了生态修复的效果。
【专利说明】光催化氧化与生态修复相结合的一体化水体修复装置
【技术领域】
[0001]本实用新型是关于城市河道水污染治理的，特别涉及一种光催化氧化与生态修复相结合一体化的水体修复装置。
【背景技术】
[0002]城市河道在城市的发展、建设及生态环境中有着非常重要的作用。然而，随着经济社会的发展，城市河道污染也在逐步加剧，并且由于长期疏于管理，河道脏、乱、黑、臭等现象普遍存在，严重束缚了城市的发展，破坏了城市环境，对水生动植物的生存也构成了威胁。因此，城市河道的生态治理已迫在眉睫。
[0003]光催化氧化废水处理技术利用光能激活半导体光催化剂价带上的光生空穴，在废水中形成氧化能力极强的羟基自由基，氧化难生物降解的有机污染物，降解过程可在常温下进行，对污染物无选择性，无二次污染，这应经成为当前废水处理领域国内外的研究前沿和开发热点。在光催化反应废水处理中，通常采用紫外灯作为激发光源，因为一般的光催化剂在紫外光下具有催化活性。然而应用紫外灯处理废水过程中，高耗电及灯管寿命短等问题严重的制约着紫外光催化氧化的应用。采用太阳光作为光催化氧化废水处理技术体系的光源，应用在可见光下具有催化活性的催化剂处理废水，不仅能大幅提高废水处理的效果，而且具有很好的经济效益和低碳环保的社会效益。
[0004]目前，河道生态治理技术已有较多的组合形式，如胡孟春(CN 102491586 A)设计了一套包括漂浮式风光电能供给设施、漂浮式曝气生物滤池、絮凝剂喷洒剂在内的黑臭河道水的净化处理设施，该方法综合利用絮凝、过滤、微生物处理等工艺，处理净化黑臭河道的水质。发明专利(CN 103508638 A)中提及了一种可见光催化与固定化微生物联合处理废水的方法及联合反应器，其工作原理为废水经过光催化降解处理后，流入固定化微生物流化床进行后续生化处理，对废水中的污染物进行进一步降解去除，经过生化处理的废水再反复进行联合处理，实现对废水进行多次循环深度处理。付德刚等(CN 102603041 A)设计了一种微生物燃料电池水处理方法，该方法中对难降解废水经过可见光活性的T12在可见光或太阳光下催化后，再与易生化废水混合共同作为微生物燃料电池的碳源，使难降解废水的降解效率得到提高。本 申请人:的2013107564655专利申请，提供了一种太阳能曝气增氧-植物床载带生物膜装置，是一种植物床载带生物膜的水处理方法，能够直接利用太阳能向水体内曝气增氧，并且结合植物和填料的双重作用，净化水体水质。但是这些方法存在着一定局限和不足:主要针对于含工业废水的黑臭水体，应用范围窄；不能应用于天然河道或人工湖泊等地，需要人工操作才能正常运转，设备维护管理麻烦；只能降解常规污染物，而对难降解污染物去除效果差等问题。
[0005]综上所述，对城市河道的水质生态改善缺乏一种治理效果全面、应用范围广并且易于操作的处理方法。
【发明内容】
[0006]本实用新型针对现有技术的缺点和不足，在现有技术的基础上主要增加了可见光催化氧化系统；提供一种用于河道或湖泊受污染水体的水质净化与恢复、改善水体水质、逐步恢复水体自净能力、治理效果全面、易于操作的一种复合型的太阳能曝气增氧-植物床载带生物膜-可见光催化氧化一体化的处理装置。
[0007]本实用新型通过如下技术方案予以实现。
[0008]一种光催化氧化与生态修复相结合的一体化水体修复装置，包括太阳能电池板、气泵、曝气管和布气管，其特征在于，该装置的中间水平位置设置有强浮力载体5，强浮力载体5为长方形，浮于水面之上；太阳能电池板I设置在强浮力载体5上面的中央部位，并通过其下面的支撑连接装置3与气泵4相连接，气泵4的出气口与曝气管7相连接，曝气管7垂直穿过强浮力载体5与水平设置在该装置下面的布气管8相连通，用于均匀布气；所述太阳能电池板1、支撑连接装置3、气泵4、曝气管7和布气管8构成曝气增氧系统；
[0009]在太阳能电池板1、支撑连接装置3与气泵4的周围设置有挺水植物2 ；
[0010]挺水植物2与强浮力载体5构成生态浮床系统；
[0011]强浮力载体5的四周设置有透明塑料板，透明塑料板上粘有二氧化钛可见光催化剂薄膜，所述透明塑料板与二氧化钛可见光催化剂薄膜构成可见光催化氧化系统10 ；
[0012]在强浮力载体5的下面垂直设置有填料6，填料6连接成串，均匀悬挂于强浮力载体5的下面；强浮力载体5下面的中心位置还设置有锚定物9，以保证装置的稳定性。
[0013]所述的强浮力载体5的长宽比为2-5，其宽度为河道断面宽度的1/5?1/4，一般最大不超过2米；
[0014]所述太阳能电池板I为3?5块，排布成折线形，方位朝南，并与水平方位夹角10?20度。
[0015]所述透明塑料板为矩形，连接在强浮力载体四周，其宽度为20-40cm。
[0016]所述填料6的成串长度在满足填料所受浮力的情况下，设定为河道水深的1/3?1/2，但不超过1.2米，填料串上的相邻填料间距离为5?8cm，填料串密度为40?60串/m2。
[0017]该装置在河道中设置为10?30个,每两相邻装置的间距为15?20米。
[0018]本实用新型的创新之处在于将可见光催化氧化与太阳能曝气增氧、植物床载带生物膜技术联合应用，组成一体化的生态水质净化装置。可见光催化氧化系统由透明塑料板和复合二氧化钛可见光催化剂薄膜组成。复合二氧化钛可见光催化剂薄膜具有可见光催化活性，能够利用太阳光进行光催化氧化反应，降解水中难降解污染物，对难降解污染物的去除率可达50%以上。可见光催化氧化系统与植物、填料共同作用，对水中污染物的降解更加综合全面，可提高水体的可生化性。可见光催化氧化系统能充分利用太阳能，经济环保，同时太阳能曝气增氧系统能够促进水体的局部循环，使光催化氧化作用更全面。本实用新型将可将光催化氧化系统、太阳能曝气增氧系统和生态浮床、填料结合在一起，组合成一体式装置，以简化工艺，对水体进行全面治理，提高了水体生态修复的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本实用新型光催化与生态修复相结合一体化的水体修复装置的结构示意图；
[0020]图2是图1的俯视图。
[0021]1-太阳能电池板2-挺水植物
[0022]3-支撑连接装置4-气泵
[0023]5-强浮力载体6-填料
[0024]7-曝气管8-布气管
[0025]9-锚定物。10-可见光催化氧化系统
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0027]本实用新型的光催化与生态修复相结合一体化的水体修复装置，如图1所示，其中间水平位置设置有强浮力载体5，强浮力载体5为长方形，浮于水面之上，其长宽比为2-5，宽度视河道断面宽度而定，设置为河道断面宽度的1/5?1/4，但一般最大不超过2米；太阳能电池板I设置在强浮力载体5上面的中央部位，并通过其下面的支撑连接装置3与气泵4相连接，并通过其下面的支撑连接装置3与气泵4相连接，太阳能电池板I为3?5块，排布成折线形，方位朝南，并与水平方位夹角10?20度；气泵4的出气口与曝气管7相连接，曝气管7垂直穿过强浮力载体5与水平设置在该装置下面的布气管8相连通，用于均勻布气；
[0028]所述太阳能电池板1、支撑连接装置3、气泵4、曝气管7和布气管8构成曝气增氧系统。
[0029]通过该系统，将太阳能不断转化为电能，用于曝气机的曝气增氧，使水中的溶解氧含量能够满足植物、微生物的呼吸、降解作用，维持水中的溶解氧水平，并且能促进水体的局部循环，使净化效果更加全面。
[0030]在太阳能电池板1、支撑连接装置3与气泵4的周围设置有挺水植物2，参见图2 ；强浮力载体5与挺水植物2构成生态浮床系统；挺水植物利用植物根系的筛滤、吸收和吸附作用，去除水中的污染物质，并富集和转化重金属；可去除的水中的污染物质为氮、磷或者有机碳营养元素。
[0031]所述挺水植物为具有良好水体净化效果及景观效果的挺水植物，如黄花鸢尾、美人蕉、芦苇、水葱、香蒲等，挺水植物的栽种密度为2?10株/m2。
[0032]水中的难降解污染物包括天然有机物如微囊藻毒素、富里酸等，和人工合成有机物如酚类、脂类、醛类、羧酸类等及其衍生物。
[0033]强浮力载体5的四周设置有透明塑料板(市售纳米强化高透明板)，二者粘连在一起，透明塑料板上粘有二氧化钛可见光催化剂薄膜(采用专利CN103611518A中所述方法制备)，所述透明塑料板与二氧化钛可见光催化剂薄膜构成可见光催化氧化系统10 ;所述透明塑料板为矩形，连接在强浮力载体四周，其宽度为20-40cm。该系统通过催化降解水中难降解污染物，提高水体可生化性，对水体进行全面综合的治理。
[0034]在强浮力载体5的下面垂直设置有填料6，填料6连接成串，均匀悬挂于强浮力载体5的下面；强浮力载体5下面的中心位置还设置有锚定物9，以保证装置的稳定性。
[0035]微生物菌群、浮游植物、原生动物、微型后生动物附着、寄居在填料6表面，构建具有高效快速净化污染物的生物膜，以主要去除河道水体中的COD ;填料6上特别培养好氧反硝化菌，可在水体溶解氧较高的条件下完成脱氮过程，有效降低水中总氮浓度；通过填料与植物结合的使用，植物根系的分泌物能够强化填料的生化降解作用；所述填料6连接成串的长度在充分考虑填料所受浮力的情况下，为河道水深的1/3?1/2，但一般不超过1.2米，填料串上的相邻填料间距为5?8cm ;所述填料6连接成串的密度为40?60串/m2。
[0036]填料6也可以选择组合填料，该填料是以硬质的纤维丝为骨架，以丝状纤维作为骨架中空部位的填充物，质量轻、组装方便、挂膜面积大，以利于治理污染情况比较严重的河道。
[0037]填料6也可以选择活性生物填料，此填料在高分子材料中融合了多种有利于微生物快速附着生长的微量元素，亲水性好，挂膜快，氧利用效率高，比表面积大，以利于治理富营养化严重的河道。
[0038]本实用新型将太阳能曝气增氧系统和生态浮床、填料结合在一起，组合成一体式装置。较之曝气增氧系统与生态浮床系统分开放置的方法来讲，本实用新型简化了工艺；将太阳能曝气增氧系统与生物生态治理方法结合在一起，改善了水体微生态环境，不仅水体溶解氧浓度提高，植物、微生物等生态治理也起到很大的作用，一体式装置提高了水体生态修复的效果，总体治理效果较两种单独工艺的效果更好，氮的去除率能达到或高于30%?60%,COD去除率能达到或高于40%?60%。将太阳能曝气-增氧一植物床载带生物膜系统与可见光催化氧化系统结合在一起，更为高效的利用了太阳能，提高了水中污染物的去除率，特别是水中难生物降解有机物的去除率，提高水体可生化性，对于天然河道的生态治理具有重要意义。同时，太阳能曝气增氧系统能够促进水体的局部循环，使光催化氧化作用更加全面。
[0039]太阳能电池板安装在支撑连接装置上，在天气良好的情况下将太阳能转化为电能，用于曝气增氧。由于晴朗天气时，太阳能电池板能将太阳能不断转化为电能，用于曝气机曝气增氧，所产生的氧气已使水中的溶解氧含量足够高，对于植物、微生物等的呼吸、降解作用所需的氧气足够。在阴雨天和晚上没有太阳光的情况下，水中溶解氧的含量在短期内并不会影响植物和微生物的生理活动。现有的曝气技术，无论是水下曝气还是表面曝气，均存在曝气设备电耗高、维护管理难度大等问题，特别是要求有配套的电力系统供给电能，这些问题严重缩小了曝气装置的应用范围，束缚了曝气增氧的应用。本实用新型将太阳能转化为电能，首先省去了要求配套的电力系统，大大扩大了应用范围、降低运行成本，降低了设备的操作管理难度；并且这种方法应用清洁能源一太阳能，大大降低了能耗，且符合环境保护的理念；同时，太阳能电池板的数量既要能满足曝气的需求，又不会面积太大而形成浪费，本实用新型设置3?5块太阳能电池板，太阳能电池板呈折线型排布，并倾斜一定角度，能够高效转化太阳能为电能，满足曝气充氧的电能需求，维持装置的正常运行。气泵和布气管的选用与太阳能电池板相匹配即可，曝气的目的在于恢复水中溶解氧水平，同时提高填料生物膜的降解活性，曝气管长度设定为比填料串长10?15cm，可以同时实现这两种效果。
[0040]可见光催化氧化系统是本实用新型的创新之处。可见光催化氧化法的反应条件温和，一般为常温常压状态，易操作并且无二次污染，适合应用于废水处理。系统中透明塑料板选择浮力大、自重轻的材料制成，不仅能浮于水面，而且透光性好。复合二氧化钛可见光催化剂薄膜能有效利用太阳光，在可见光照射下具有催化活性，降解水中难生物降解有机污染物，与挺水植物和填料降解常规污染物结合，能够对天然河道进行全面综合的生态治理。由于在晴朗天气时，复合二氧化钛可见光催化剂薄膜已经催化氧化水中绝大部分难降解有机物，所以阴雨天没有太阳光照射时，虽然该系统不发挥作用，但是也不会对整个装置的处理效果构成影响。可见光催化氧化系统与太阳能曝气系统的联用，可以更为高效的利用太阳能，低碳、经济、环保。同时，太阳能曝气增氧系统能够促进水体的局部循环，使光催化氧化作用更加全面。可见光催化氧化系统能够作用的难降解有机物主要包括天然有机物如微囊藻毒素、富里酸等，和人工合成有机物如酚类、脂类、醛类、羧酸类等及其衍生物，对于这些污染物的去除率均能达到50%以上。可见光催化氧化系统与植物、填料的共同作用下，可以去除水中难降解有机物，COD等常规污染物，及N、P等营养元素，三者相辅相成，对于水质的净化处理更加全面。
[0041]在强浮力载体上栽种适宜的挺水植物，可以利用植物根系的筛滤、吸收和吸附等作用，去除水中的污染物质，如氮、磷等营养元素，并富集和转化重金属等，同时，挺水植物的种植可以美化河道环境。水中氮素的去除需要好氧与厌氧环境交替发生，而太阳能曝气增氧使水中溶解氧充足，抑制了反硝化菌的生长代谢，不能有效地去除氮素；微生物虽然可以在好氧条件下聚磷，但是若没有及时将微生物导出水体，磷元素并未从水中根本去除，还会存在于水体中或在一定条件下被释放到水体中。而只有通过植物根系的吸收作用，才能快速有效的去除河道中氮、磷等营养物质，所以植物的设置必不可少。可以根据所要处理河道水体的水质，有针对性的选择挺水植物的种类。例如对于富营养化严重的河道，可以选择黄花鸢尾、美人蕉、芦苇、水葱、香蒲等挺水植物；黄花鸢尾可以抑制藻类爆发、去除水中溶解性氮、磷，改善水体透明度，抑制PH值增加等；美人蕉根系比较发达，对固体物质、胶体物质及MV-N等有一定的沉降、拦截和吸附作用；芦苇、水葱和香蒲对氮磷等营养物质也具有较好的去除效果。植物的栽种密度要充分考虑到植物的生长空间、不发生倒伏等因素，栽种密度可设定为2?10株/m2。
[0042]填料是本实用新型的重要组成部分，填料能够提供较大的比表面积，使微生物的生存密度最高，同时能使浮游生物附着其上，牧食水中营养物质。填料的使用，能在有限的空间内富集巨大的生物量，使微生物高速降解污染物，能够在相对短的时间内达到较好的处理效果。并且，填料与植物结合使用，植物根系的分泌物能够强化填料的生化降解作用，这样就使填料的作用更加突出、处理效果更明显。本方法中特别在填料上培养好氧反硝化菌，这类菌种生长速度快，产量高，环境适应性强，反硝化速度快且彻底，大多具有同步异样硝化及代谢难降解有机物的能力，可在水体溶解氧较高的条件下完成脱氮过程，快速有效的降低河道内水中总氮浓度。可以根据所要处理河道水体的水质，有针对性的选择填料的种类。例如治理污染情况较严重的河道时，可以选择组合填料，该填料是以硬质的纤维丝为骨架，以丝状纤维作为骨架中空部位的填充物，具有质量轻、组装方便、挂膜面积大、与植物根系契合度较高等优点。填料中丝状纤维缠绕出细小的空隙，以便于保护附着其上的浮游生物，同时又提供了较高的比表面积，使浮游动物和微生物能以较高的密度生存。另外还可以选择活性生物填料，这种填料在高分子材料中融合了多种类有利于微生物快速附着生长的微量元素，亲水性好挂模快，氧利用效率高，比表面积大，比重适当、流化效果好，使用寿命长。
[0043]本实用新型应用于河道水体净化时，可以根据河道具体情况来确定整个装置的大小。将装置置于河道中心或靠近岸边的位置，安置时既要不阻碍河道行洪等功能，又要起到净化水质、改善生态环境的作用。强浮力载体的面积可以根据河流断面的长度、河道两岸的生态环境、河流行洪等因素确定，河道中相邻两装置的间距设置为15?20米。
【权利要求】
1.一种光催化氧化与生态修复相结合的一体化水体修复装置，包括太阳能电池板、气泵、曝气管和布气管，其特征在于，该装置的中间水平位置设置有强浮力载体(5)，强浮力载体(5)为长方形，浮于水面之上；太阳能电池板(I)设置在强浮力载体(5)上面的中央部位，并通过其下面的支撑连接装置(3)与气泵(4)相连接，气泵(4)的出气口与曝气管(7)相连接，曝气管(7)垂直穿过强浮力载体(5)与水平设置在该装置下面的布气管(8)相连通，用于均匀布气；所述太阳能电池板(I)、支撑连接装置(3)、气泵(4)、曝气管(7)和布气管(8)构成曝气增氧系统； 在太阳能电池板(I)、支撑连接装置(3)与气泵(4)的周围设置有挺水植物(2); 挺水植物(2)与强浮力载体(5)构成生态浮床系统； 强浮力载体(5)的四周设置有透明塑料板，透明塑料板上粘有二氧化钛可见光催化剂薄膜，所述透明塑料板与二氧化钛可见光催化剂薄膜构成可见光催化氧化系统(10)； 在强浮力载体(5)的下面垂直设置有填料￠)，填料(6)连接成串，均匀悬挂于强浮力载体(5)的下面；强浮力载体(5)下面的中心位置还设置有锚定物(9)，以保证装置的稳定性。
2.根据权利要求1所述的光催化氧化与生态修复相结合的一体化水体修复装置，其特征在于，所述的强浮力载体(5)的长宽比为2-5，其宽度为河道断面宽度的1/5?1/4，一般最大不超过2米；
3.根据权利要求1所述的光催化氧化与生态修复相结合的一体化水体修复装置，其特征在于，所述太阳能电池板(I)为3?5块，排布成折线形，方位朝南，并与水平方位夹角10?20度。
4.根据权利要求1所述的光催化氧化与生态修复相结合的一体化水体修复装置，其特征在于，所述透明塑料板为矩形，连接在强浮力载体四周，其宽度为20-40cm。
5.根据权利要求1所述的光催化氧化与生态修复相结合的一体化水体修复装置，其特征在于，所述填料(6)的成串长度在满足填料所受浮力的情况下，设定为河道水深的1/3?1/2，但不超过1.2米，填料串上的相邻填料间距离为5?8cm，填料串密度为40?60串/m2。
6.根据权利要求1所述的光催化氧化与生态修复相结合的一体化水体修复装置，其特征在于，该装置在河道中设置为10?30个，每两相邻装置的间距为15?20米。
【文档编号】C02F9/14GK204058195SQ201420496859
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】孙井梅, 杨晓杰, 李檬, 吴卿 申请人:天津大学