一种可进行氮磷回收的超声三维电化学除藻应急治理系统的制作方法

本实用新型涉及的是水环境治理和污水处理技术领域，具体涉及一种可以进行氮、磷回收的超声三维电化学除藻应急治理系统。

背景技术：

随着我国经济的迅速发展，大量的氮、磷等污染物被排放至水体中，造成我国水资源的严重污染和水环境的恶化。根据2020年5月18日中国生态环保部公布的《中国环境公报》可以看出：开展营养状态监测的107个重要湖泊(水库)中，贫营养状态湖泊(水库)占9.3%，中营养状态占62.6%，轻度富营养状态占22.4%，中度富营养状态5.6%，其中滇池、太湖、巢湖等水体仍然存在不同程度的富营养化。水体富营养化的直观表象就是藻类爆发性生长，发生水华，导致水体水质恶化，严重危害水体自然生态环境。实际上藻类大量生长是对水体中的氮、磷等营养元素过量的一种应激现象，其生长过程中会吸收大量的氮、磷等营养元素，因此藻类中含有丰富的氮和磷。常规除藻技术，如混凝除藻、气浮除藻等，去除藻类过程中具有需要添加化学药剂易造成二次污染、去除效率相对较低等缺点；而新型除藻技术，如高级氧化除藻、电化学除藻等技术，去除藻类过程中又受到反应时间长和自然水体电导率低导致除藻效率受到制约，而且不论是常规除藻技术还是新型除藻技术对于藻类中相对丰富的氮、磷元素均无法处理，只能随之排放至环境，无法彻底解决水体水化问题，可能造会形成恶性循环。

为了解决除藻技术中存在的去除效率低、存在二次污染、反应时间长、水体电导率低导致除藻效率低以及水体中的营养元素无法完全去除造成恶性循环等问题，弥补藻类去除技术的不足，设计一种新型的可以进行氮、磷回收的超声三维电化学除藻应急治理系统尤为必要。

技术实现要素：

针对现有技术上存在的不足，本实用新型目的是在于提供一种可进行氮磷回收的超声三维电化学除藻应急治理系统，结构设计合理，去除效率高，清洁环保，实现藻类去除过程中对藻类中相对丰富的氮、磷等营养元素进行回收，避免水华重复形成的恶性循环，易于推广使用。

为了实现上述目的，本实用新型是通过如下的技术方案来实现：一种可进行氮磷回收的超声三维电化学除藻应急治理系统，包括三维超声电化学系统、活性炭加药及回收系统、过滤系统和氮磷回收系统，所述的三维超声电化学系统由进水系统、三维电化学系统和超声系统组成，所述的活性炭加药及回收系统由活性炭加药系统和活性炭回收系统组成，所述的氮磷回收系统由电渗析系统和鸟粪石生成系统组成；进水系统连接至三维电化学系统，活性炭加药系统与三维电化学系统相连接，将活性炭颗粒加入电化学系统中形成三维电化学系统，活性炭回收系统也与三维电化学系统相连接，将三维电化学系统排出的活性炭颗粒进行清洗、回收，活性炭回收系统还与活性炭加药系统相连接，其作用是将活性炭回收系统清洗、回收的活性炭颗粒输入活性炭加药系统进行二次使用；三维电化学系统与过滤系统相连接，所述的过滤系统由集水池、初级过滤系统和精密过滤系统组成，初级过滤系统连接至集水池的进水端，受污染水体经过三维超声电化学系统处理后，进入初级过滤系统，经过初级过滤系统过滤后进入集水池，集水池的出水端与精密过滤系统相连，精密过滤系统与电渗析系统相连接，受污染水体从集水池中进入精密过滤系统，经过精密过滤系统过滤后进入电渗析系统，电渗析系统与鸟粪石生成系统相连。

作为优选，所述的进水系统由格栅、进水泵、第一阀门、第一流量计组成，格栅放置在进水泵的前端进水侧，进水泵与三维电化学系统相连接，进水泵与三维电化学系统连接的管道上安装有用于调节和控制系统进水流量的第一阀门、第一流量计。

作为优选，所述的三维电化学系统包括有稳流器、第一搅拌器、三维电化学反应器、阴极板、阳极板，三维电化学反应器中安装有第一搅拌器，阴极板、阳极板交错排列，放置在三维电化学反应器中，相邻极板的间隔为1.5cm，稳流器的正极、负极分别与阳极板、阴极板相连接，所述的阴极板采用不锈钢阴极板，阳极板采用钛基铂电极阳极板。

作为优选，所述的活性炭加药系统包括有活性炭加药泵、第二搅拌器、活性炭加药桶、第二阀门、第二流量计，活性炭加药桶中安装有第二搅拌器，活性炭加药桶通过活性炭加药泵与三维电化学系统的三维电化学反应器相连通，活性炭加药泵与三维电化学反应器连接的管道上安装有第二阀门、第二流量计。

作为优选，所述的活性炭回收系统包括有第三阀门、活性炭回收泵、第三搅拌器、清洗池、活性炭循环泵、潜水泵、第四阀门，清洗池中安装有第三搅拌器，清洗池通过活性炭回收泵与三维电化学系统中三维电化学反应器的底部相连通，活性炭回收泵与三维电化学反应器连接的管道上安装有第三阀门，清洗池中放置有活性炭循环泵，通过活性炭循环泵与活性炭加药系统相连接，潜水泵放置在清水池中，清水池通过潜水泵与清洗池连通，潜水泵与清洗池连接的管道上安装有第四阀门。

作为优选，所述的超声系统包括有超声发生装置、第一换能器和第二换能器，第一换能器放置在三维电化学系统的三维电化学反应器内，通过超声波处理水体中的藻类，强化藻类及其释放物处理效果，第二换能器放置在活性炭回收系统中，用于清洗活性炭颗粒表面附着的杂质，第一换能器、第二换能器均连接至超声发生装置。

作为优选，所述的初级过滤系统由离心泵、第五阀门、第三流量计、石英砂过滤器、第六阀门、活性炭过滤器、第七阀门，离心泵的进端与三维电化学系统的三维电化学反应器相连接，离心泵的出口依次通过石英砂过滤器、活性炭过滤器连接至集水池，所述的离心泵与石英砂过滤器连接的管道上安装有第五阀门、第三流量计，石英砂过滤器与活性炭过滤器连接的管道上安装有第六阀门，活性炭过滤器与集水池连接的管道上安装有第七阀门。

作为优选，所述的精密过滤系统由第八阀门、第四流量计、增压泵和精密过滤器组成，增压泵的进端与集水池相连接，增压泵与集水池连接的管道上安装有控制进水流量的第八阀门、第四流量计，增压泵的出口通过精密过滤器接至电渗析系统中的电渗析反应器。

作为优选，所述的电渗析系统包括有稳压器、电渗析反应器、第九阀门、第五流量计、第十阀门，电渗析反应器与稳压器相连，电渗析反应器与清水池相连通，电渗析反应器与清水池连接的管道上安装有控制流量的第九阀门、第五流量计，电渗析反应器产生的去离子水通过管道进入清水池进行回用或排放；电渗析反应器还与鸟粪石生成系统中的鸟粪石反应器相连通，电渗析反应器与鸟粪石反应器连接的管道上安装有第十阀门。

作为优选，所述的鸟粪石生成系统包括有第四搅拌器、鸟粪石反应器、氯化镁加药桶、氯化镁加药泵、第十一阀门、第六流量计，鸟粪石反应器上安装有第四搅拌器，氯化镁加药桶通过氯化镁加药泵与鸟粪石反应器相连通，氯化镁加药泵与鸟粪石反应器连接的管道上安装有控制氯化镁溶液加药量的第十一阀门、第六流量计，电渗析反应器产生的浓水直接排入鸟粪石反应器，与加入的氯化镁溶液在合适的条件下生成鸟粪石；所述的鸟粪石反应器通过离子上清液回流泵与三维电化学系统中的三维电化学反应器相连通，鸟粪石反应器与离子上清液回流泵连接的管道上安装有控制上清液回流量的第七流量计和第十二阀门。

本实用新型的有益效果：本系统实现藻类去除过程中对藻类中相对丰富的氮、磷等营养元素进行回收再利用，避免水华重复形成的恶性循环，有效弥补藻类去除技术的不足，去除效率高，清洁环保，废水零排放，保护水生态系统健康，应用前景广阔。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本实用新型；

图1为本实用新型三维超声电化学系统、活性炭加药及回收系统的连接示意图；

图2为本实用新型过滤系统的连接示意图；

图3为本实用新型氮磷回收系统的连接示意图；

图4为本实用新型的工艺流程图。

具体实施方式

为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。

参照图1-4，本具体实施方式采用以下技术方案：一种可进行氮磷回收的超声三维电化学除藻应急治理系统，包括三维超声电化学系统、活性炭加药及回收系统、过滤系统6和氮磷回收系统，所述的三维超声电化学系统由进水系统1、三维电化学系统3和超声系统5组成，所述的活性炭加药及回收系统由活性炭加药系统2和活性炭回收系统4组成，所述的氮磷回收系统由电渗析系统9和鸟粪石生成系统10组成。

进水系统1连接至三维电化学系统3，活性炭加药系统2与三维电化学系统3相连接，用于向三维超声电化学系统中添加活性炭,将活性炭颗粒加入电化学系统中形成三维电化学系统，活性炭回收系统4也与三维电化学系统3相连接，用于回收三维电化学系统3中排出的活性炭,将三维电化学系统排出的活性炭颗粒进行清洗、回收，活性炭回收系统4还与活性炭加药系统2相连接，其作用是将活性炭回收系统4清洗、回收的活性炭颗粒输入活性炭加药系统2中，进行二次重新使用,可有效降低运行费用；三维电化学系统3与过滤系统6相连接，所述的过滤系统6由集水池6-1、初级过滤系统7和精密过滤系统8组成，初级过滤系统7连接至集水池6-1的进水端，受污染水体经过三维超声电化学系统处理后，进入初级过滤系统7，经过初级过滤系统7过滤后进入集水池6-1，集水池6-1的出水端与精密过滤系统8相连，精密过滤系统8与电渗析系统9相连接，受污染水体从集水池6-1中进入精密过滤系统8，经过精密过滤系统8过滤后进入电渗析系统9，电渗析系统9与鸟粪石生成系统10相连。

具体地，各系统的组成结构如下：

(1)进水系统1由格栅1-1、进水泵1-2、第一阀门1-3、第一流量计1-4组成，格栅1-1放置在进水泵1-2的前端进水侧，格栅1-1用于隔离进水中较大的悬浮物，保证系统正常运行，进水泵1-2与三维电化学系统3相连接，含藻水体通过进水泵1-2进入三维电化学系统3，进水泵1-2与三维电化学系统3连接的管道上安装有用于调节和控制系统进水流量的第一阀门1-3、第一流量计1-4。

(2)三维电化学系统3包括有稳流器3-1、第一搅拌器3-2、三维电化学反应器3-3、阴极板3-4、阳极板3-5，三维电化学反应器3-3中安装有第一搅拌器3-2，阴极板3-4、阳极板3-5交错排列，放置在三维电化学反应器3-3中，相邻极板的间隔为1.5cm，稳流器3-1的正极、负极分别与阳极板3-5、阴极板3-4相连接，通过稳流器3-1向三维电化学系统3提供稳定电流，所述的阴极板3-4采用不锈钢阴极板，阳极板3-5采用钛基铂电极阳极板，水体中藻类及藻类释放物等有机物(包括藻毒素、蛋白质、脂肪以及多糖等有机质)在阳极板3-5上直接发生氧化作用，同时在溶液中的氯离子生成的次氯酸根作用下发生间接氧化作用。

(3)活性炭加药系统2包括有活性炭加药泵2-1、第二搅拌器2-2、活性炭加药桶2-3、第二阀门2-4、第二流量计2-5，活性炭加药桶2-3中安装有第二搅拌器2-2，活性炭加药桶2-3通过活性炭加药泵2-1与三维电化学系统3的三维电化学反应器3-3相连通，向三维电化学系统3添加活性炭，活性炭加药泵2-1与三维电化学反应器3-3连接的管道上安装有第二阀门2-4、第二流量计2-5。

(4)活性炭回收系统4包括有第三阀门4-1、活性炭回收泵4-2、第三搅拌器4-3、清洗池4-4、活性炭循环泵4-5、潜水泵4-6、第四阀门4-7，清洗池4-4中安装有第三搅拌器4-3，清洗池4-4通过活性炭回收泵4-2与三维电化学系统3中三维电化学反应器3-3的底部相连通，用于将三维电化学反应器3-3中的活性炭回收到活性炭回收系统4中，活性炭回收泵4-2与三维电化学反应器3-3连接的管道上安装有第三阀门4-1，清洗池4-4中放置有活性炭循环泵4-5，通过活性炭循环泵4-5与活性炭加药系统2相连接，用于将清洗后的活性炭重新泵入活性炭加药系统2，将活性炭清洗后，重新利用；潜水泵4-6放置在清水池11中，清水池11通过潜水泵4-6与清洗池4-4连通，潜水泵4-6与清洗池4-4连接的管道上安装有第四阀门4-7。

(5)超声系统5包括有超声发生装置5-1、第一换能器5-2和第二换能器5-3，第一换能器5-2、第二换能器5-3均连接至超声发生装置5-1，第一换能器5-2放置在三维电化学系统3的三维电化学反应器3-3内，用于在超声三维电化学系统中产生超声波，处理进入三维电化学系统3的藻类，破坏其细胞结构，去除部分藻类及藻类释放有机物，通过超声波处理水体中的藻类，强化藻类及其释放物处理效果，第二换能器5-3放置在活性炭回收系统4中，用于向活性炭回收系统提供超声波，清洗活性炭颗粒表面附着的杂质，清洗后重新利用。

(6)初级过滤系统7由离心泵7-1、第五阀门7-2、第三流量计7-3、石英砂过滤器7-4、第六阀门7-5、活性炭过滤器7-6、第七阀门7-7，离心泵7-1的进端与三维电化学系统3的三维电化学反应器3-3相连接，离心泵7-1的出口依次通过石英砂过滤器7-4、活性炭过滤器7-6连接至集水池6-1，所述的离心泵7-1与石英砂过滤器7-4连接的管道上安装有第五阀门7-2、第三流量计7-3，石英砂过滤器7-4与活性炭过滤器7-6连接的管道上安装有第六阀门7-5，活性炭过滤器7-6与集水池6-1连接的管道上安装有第七阀门7-7。

(7)精密过滤系统8由第八阀门8-1、第四流量计8-2、增压泵8-3和精密过滤器8-4组成，增压泵8-3的进端与集水池6-1相连接，增压泵8-3与集水池6-1连接的管道上安装有控制进水流量的第八阀门8-1、第四流量计8-2，增压泵8-3的出口通过精密过滤器8-4接至电渗析系统9中的电渗析反应器9-2。

(8)电渗析系统9包括有稳压器9-1、电渗析反应器9-2、第九阀门9-3、第五流量计9-4、第十阀门9-5，电渗析反应器9-2与稳压器9-1相连，电渗析反应器9-2与清水池11相连通，电渗析系统9产生的去离子水进入清水池11，电渗析反应器9-2与清水池11连接的管道上安装有控制流量的第九阀门9-3、第五流量计9-4，电渗析反应器9-2产生的去离子水通过管道进入清水池11进行回用或排放，清水池11通过潜水泵4-6与清洗池4-4连通，产生的去离子水用于活性炭清洗或外排；电渗析反应器9-2还与鸟粪石生成系统10中的鸟粪石反应器10-2相连通，电渗析系统9产生的浓水进入鸟粪石反应器10-2，电渗析反应器9-2与鸟粪石反应器10-2连接的管道上安装有第十阀门9-5。

(9)鸟粪石生成系统10包括有第四搅拌器10-1、鸟粪石反应器10-2、氯化镁加药桶10-3、氯化镁加药泵10-4、第十一阀门10-5、第六流量计10-6，鸟粪石反应器10-2上安装有第四搅拌器10-1，氯化镁加药桶10-3通过氯化镁加药泵10-4与鸟粪石反应器10-2相连通，通过氯化镁加药泵10-4向鸟粪石反应器10-2中加入氯化镁溶液，用于生成鸟粪石，氯化镁加药泵10-4与鸟粪石反应器10-2连接的管道上安装有控制氯化镁溶液加药量的第十一阀门10-5、第六流量计10-6，电渗析反应器9-2产生的浓水直接排入鸟粪石反应器10-2，浓水中含有大量的铵根离子等阳离子和磷酸根离子等阴离子，与加入的氯化镁溶液在合适的条件下生成鸟粪石；所述的鸟粪石反应器10-2通过离子上清液回流泵3-6与三维电化学系统3中的三维电化学反应器3-3相连通，通过离子上清液回流泵3-6将鸟粪石生成后的上清液泵入三维电化学系统3，鸟粪石反应器10-2与离子上清液回流泵3-6连接的管道上安装有控制上清液回流量的第七流量计3-7和第十二阀门3-8，鸟粪石生成系统10中溶液生成鸟粪石后，仍含有大量氯离子以及其他的离子上清液进入三维电化学系统3，提高受污染水体导电率，提高电流利用效率，强化三维电催化氧化处理效果。

本具体实施方式还提供了一种可进行氮磷回收的超声三维电化学除藻应急治理系统方法，其步骤为：

①含藻水体进入三维超声电化学系统，在超声波和三维电化学催化氧化的共同作用下去除水体中的藻类及藻类释放物：超声波与水体相互作用产生共振效应、高温裂解效应、自由基氧化效应及机械剪切效应，会破坏藻细胞的细胞壁和细胞膜结构，导致藻细胞破裂，从而使藻细胞内的有机物(包括藻毒素、蛋白质、脂肪、多糖等有机质)释放到水体中，导致水体中的藻毒素等有机物含量升高，超声波和水作用产生的高温裂解和自由基氧化会去除藻类释放到水体中的部分有机物，但是不能完全去除；剩余藻类及藻类释放物一部分在三维电化学系统阳极表面被氧化，另一部分被三维电化学系统中产生的羟基自由基、次氯酸根氧化，最终将含碳、氮、磷的有机物氧化成二氧化碳、水、氮气和磷酸盐，可以有效去除藻类及藻类释放物，净化水质，避免因超声波破坏藻类结构释放到水体中的藻毒素危害水生态安全；

②含藻水体经过超声三维电化学系统处理后，进入过滤系统，首先经过石英砂过滤，去除水中较大的悬浮物颗粒；然后经过活性炭过滤，通过吸附作用去除水体中较小的悬浮物和可溶性胶体；然后经过加压精密机械过滤，进一步去除水体中的悬浮物和细菌；

③受污染水体经过过滤系统处理，进入氮磷回收系统：受污染水体首先经过电渗析系统，去除水体中的铵根等阳离子和磷酸根等阴离子，去离子水排入集水池，然后排入自然水体或回用，阴极室和阳极室中的浓水进入鸟粪石生成系统，由于浓水中含有大量的铵根离子和磷酸根离子，只需向鸟粪石反应器中加入适量的含镁离子溶液，在合适条件下即可快速生成鸟粪石，完成对藻类去除后对水体中的氮、磷等营养元素的回收利用。

值得注意的是，所述的步骤①中的三维超声电化学系统中所用的活性炭颗粒可以进行回收，使用后的活性炭颗粒进入活性炭回收系统，通过超声和电渗析系统产生的去离子水清洗附着在活性炭表面的杂质，然后将多次清洗后的活性炭颗粒重新进入活性炭加药系统回用。

此外，所述的步骤③中鸟粪石生成系统形成鸟粪石后的上清液会进入步骤①中的三维超声电化学系统，由于生成鸟粪石后的上清液仍是含有较高浓度的离子溶液，如果直排入自然水体中会污染环境，因此本系统将上清液回排至超声电化学系统增加系统离子浓度，可以有效增强超声电化学系统的导电能力，提高电能利用效率，强化污染物去除效果，同时实现了污染物的零排放和降低吨水处理费用的双重强化效果。

本具体实施方式有效解决藻技术中存在的去除效率低、二次污染、反应时间长、电化学除藻过程中水体电导率低导致除藻效率低以及水体中的营养元素无法完全去除及利用的问题，其技术优势在于：

(1)高效除藻：采用超声与三维电化学技术相结合，技术优势互补，高效去除藻类及释放有机物(包括藻毒素、蛋白质、脂肪、多糖等有机质)，避免藻毒素释放到水体中，保护水生态系统健康。

(2)清洁环保、废水零排放：电渗析产生的浓水可以进入三维超声电化学系统进行回用，强化污水处理效果，充分利用系统废水进行，实现了废水的零排放。

(3)氮、磷回收资源化利用：本技术高效去除藻类的过程中，同时将藻类吸收的大量的氮、磷等营养元素合成鸟粪石，可作为一种优质缓释肥进行回收利用。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。