CN102633323A - 一种睡莲式自供电源的电解水体净化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种睡莲式自供电的电解水体净化装置，它包括睡莲式漂浮物、电解机、太阳能供电装置以及为电解机供水的进水泵。所述太阳能供电装置安装于睡莲式漂浮物的叶片上，电解机安装于浸没于水中的睡莲式漂浮物的管状茎内，所述电解机具有一出水口，该出水口上连接有布水器。本装置结合景观直接安装于湖泊、水库、池塘、海湾等封闭性或半封闭性水体中，不仅具有有效抑制流动性小的水体中藻类的生长，降低水中的总氮、总磷、COD和色度，除去臭味，改善水质、使得水生态系统结构和功能恢复的功能,而且带有可以美化水域的景观功能。此外，本发明的结构较为简单且制造成本较低，适于大规模推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种睡莲式自供电的电解水体净化装置，特别是指一种能有效对富营养化湖泊、水库、池塘、海湾等封闭性水体进行处理的电解水体净化装置。
背景技术
水体富营养化是指在人类活动的影响下，为生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、水库、静态水体和海湾等缓流水体，引起藻类及其他水生生物迅速繁殖，水体溶解氧下降，水质恶臭，鱼类及其他生物大量死亡的现象。 在自然条件下，随着河流夹带冲击物和水生生物残骸在湖底的不断沉降淤积，湖泊也会从贫营养湖过渡为富营养湖，进而演变为沼泽和陆地，不过这种自然过程极为缓慢。但由于人类活动影响的加剧，湖泊由贫营养向富营养的演化过程大大加快，往往只需几十年甚至更短的时间就能完成。
湖泊、水库等封闭性水体的富营养化已日益成为一个全球性的水环境污染问题。据统计，目前全球约有75%以上的封闭性水体存在富营养化问题。我国国土辽阔，湖泊众多，全国共有1km2以上的湖泊2759个，总面积达91019km2，占国土面积的0.95%。近年来，由于人口增长，工业化、城市化和现代农业的快速推进，大量营养元素（N、P等）及有机物排入湖泊中，致使藻类等水生生物过量繁殖，溶解氧减少，鱼类及其他生物大量死亡，透明度下降，湖泊水质迅速恶化。依据最近发布的《2010中国环境状况公报》，我国湖泊(水库)富营养化问题依然突出，在监测营养状态的26个湖泊(水库)中，富营养化状态的占42.3%。此外，近年来我国部分河流水域如汉江、珠江、葛洲坝水库的黄柏河也出现了“水华”等富营养化现象的报道。
湖泊富营养化会破坏水生态系统的生态平衡，使有机物生长速度远远超过消耗速度，水体中有机物迅速积累，其后果是：促进细菌类微生物繁殖，加上大量动植物的呼吸作用，使水体耗氧量大大增加；沉于水底的死亡有机体的厌氧分解促使厌氧菌繁殖，产生有毒气体。这样由富营养化而引起的有机体大量生长又造成相反的结果，藻类、植物及水生动物趋于死亡甚至绝迹，生物多样性降低，水产资源遭到严重破坏。藻类的异常生长可使水体生色，透明度降低，其分泌物又能引起水臭、水味。富营养化会给水处理造成困难，富营养化水体做饮用水源会严重影响水厂的工艺运行、腐蚀管网、恶化出水水质。水域富营养化对休闲渔业的发展极为不利。水体一旦富营养化，透明度下降，水体浑浊，有臭味等，就会使水域的旅游价值降低或消失，不利于人们休闲娱乐。我国一些有名的风景游览湖泊，如杭州西湖、武汉东湖、长春南湖、云南滇池等都面临这样一个问题。
综上所述，湖泊富营养化的发生导致湖泊生态系统结构和功能退化，蓝藻水华频繁暴发，水质性缺水日趋严重，并造成巨大经济损失。可见富营养化封闭性水体已成为我国水环境保护中最为重要的环境问题。一些水体，只削减污染源的输入就可使水体恢复到以前的状态，但在富营养化程度严重的情况下，由于整个湖的情况已经发生了变化，只控制污染源还不能从根本上治理富营养化，因此还需采用生态修复工程技术消除湖内污染物。目前，根据不同的污染情况，常用的生态修复工程技术包括机械清淤、水体深层曝气、引水冲污、在底泥表面敷设塑料以及生物-生态修复技术等方法。但是上述方法存在净化周期长、效果欠佳、运行成本高等缺陷。
发明内容
本发明提供了一种净化效率高、持续效果好、运行成本低，结合景观直接安装于湖泊、水库、池塘、海湾等封闭性或半封闭性水体中，适用于湖泊、水库、池塘、海湾等流动性小的水体的水质净化装置，其目的在于克服现有技术存在的净化周期长且效果欠佳的缺陷，改善水体水质，解决封闭性水体富营养化问题，恢复富营养化封闭性水体生态系统的结构和功能。
本发明的技术方案如下：
一种睡莲式自供电源的电解水体净化装置，它由睡莲式的漂浮物、太阳能供电装置、电解机以及为电解机供水的水泵构成；所述的睡莲式的漂浮物由中空的漂浮于水面的叶片状漂浮体和浸没于水中的管状漂浮体两部分组成；所述太阳能供电装置由太阳能板和蓄电池构成，太阳能板安装于漂浮于水面的叶片漂浮物表面，蓄电池安装于叶片状漂浮物的内腔里；电解机安装于浸没于水中的管状物下部，且电解机的进水口与漂浮物的进水口联接，电解机的出水口与漂浮物的出水口联接，漂浮物的出水口联接有布水器。
所述睡莲式的漂浮物由中空的漂浮于水面的叶片状漂浮体和浸没于水中的管状漂浮体两部分组成，其浸没于水中的管状漂浮体的下部有进水口和出水口,还有联接其固定在水面的锚,防止装置漂移。
所述的漂浮于水面的叶片状漂浮物表面四周还安装有供夜间美化环境的LED装饰带。
所述太阳能供电装置的还包括一个控制器，控制器安装于叶片状漂浮物的内腔里，至少具有一个光控开关或一个红外线控制开关。
所述布水器具有至少两个出水孔，所述出水孔均开设于布水器管道的侧面或底部。
所述的睡莲式的漂浮物由塑料、金属板材、橡胶或复合材料的一种经过机械加工制成或由塑料、金属、橡胶或复合材料经过注塑加工而成。
装置工作时，由太阳能供电装置提供电源,水经水泵输送至电解机，在电解机内电解,其主要工作原理是利用电解产生的强氧化性物质杀灭原水中的浮游生物、微生物、病毒，抑制厌氧反应；杀灭或抑制水体中藻类生长，并在电场的作用下使固体悬浮物、溶解在水中胶体物质、带电颗粒、藻类以及被杀灭细菌等形成更大颗粒沉淀；水中的重金属离子在电解机的阴极富集形成阴极泥沉淀，水中的农药残留、有色物质、油污等有机物被电解产生的强氧化性物质氧化分解。
水中的磷酸根向阴极极化层移动，与阴极表面的二价阳离子作用，形成磷酸盐沉淀去除。
阴极沉淀重金属离子、磷酸根离子和碳酸根离子的原理是：
1
浓差极化
在通电的时候，阴极上有大量的电子，这时由于库伦力的作用，水中的阳离子如H3O+,Na+，Ca2+，Mg2+,Pb2+,Cu2+……就会向阴极迁移，形成浓差极化。
双电层形成
在阴极表面阳离子的浓度就会显著上升。在其外层就会有阴离子存在，而形成双电层。在双电层的外层又聚集了如HPO4 2-、HCO3 -、Cl-……电荷相反的阴离子，这一层的离子称为“反离子”，如下所示：
3
酸碱效应
由于双电层的形成，在双电层中，HPO4 2-等浓度也相应大幅度提高，在阴极上，发生主要的化学反应：
H2O↔H++OH-
主要的电极反应是：2H++2e↔H2↑ （ 2H3O++2e↔H2↑+2H2O ）
由于H2的析出，在阴极附近，酸性降低，碱性上升。
沉淀反应
由于酸碱效应，致使HPO4 2-↔H++PO4 3-的平衡向右移动。又由于双电层效应，在阴极附近的[Ca2+]、[PO4 3-]显著增大，这样一来，就发生沉淀反应：
3Ca2++2PO4 3-→Ca3(PO4)2↓
同理，将发生如下沉淀反应：
生成的
……就沉积在阴极表面，从而形成阴极垢。
所述的电解机的工作电压为2V～48V，电流强度为1～100A。水中的浮游生物、微生物、病毒等被电解产生的强氧化性物质杀灭，悬浮物、胶体、带电微粒在电场作用下形成较大颗粒后沉淀使水净化。
采用睡莲式自供电源的电解水体净化装置对湖泊、水库、池塘、海湾等封闭性或半封闭性水体处理具有如下突出效果：
1
、淡水的净化消毒
（1）用电解产生的初生态的氧[O]和初生态的氯[Cl]杀灭原水中藻类、微生物、病毒、浮游生物，使原水中微生物活体下降到30个/mL以下，消除藻类和微生物的污染。
（2）氧化分解水中的有机物，农药残留，快速分解有色物质和降低CODCr。
（3）使水中的悬浮物、胶体、带电微粒在电场作用下凝聚形成较大颗粒沉淀使水净化。
（4）水中的重金属离子向电解机的阴极移动，在阴极形成沉淀，从而降低水中的重金属离子含量。
（5）水中的磷酸根离子被大量沉淀，水中缺少磷影响藻类DNA的复制，从而抑制水中藻类的生长和繁殖。
、海水、苦咸水或含氯化钠较多的咸水
（1）用电解产生的初生态的氯[Cl]杀灭原水中藻类、微生物、病毒、浮游生物，使原水中微生物活体下降到30个/mL以下，消除藻类、微生物的污染。
（2）氧化分解水中的有机物，农药残留，快速分解有钯物质等有机物和降低CODCr。
（3）使水中的悬浮物、溶解在水中的胶体、带电微粒在电场作用下凝聚形成较大颗粒沉淀使水净化水。
（4）水中的重金属离子向微电解罐的阴极移动，在阴极形成沉淀，从而降低水中的重金属离子含量。
（5）水中的磷酸根离子被大量沉淀，水中缺少磷影响藻类DNA的复制，从而抑制水中藻类的生长和繁殖。
采用睡莲式自供电源的电解水体净化装置对湖泊、水库、池塘、海湾等封闭性或半封闭性水体处理具有如下突出优点：
1、结合景观需要，整个装置直接安装在水面，不需要特意将水引至预定的构筑物中处理，不受场地空间限制，也几乎没有对环境进行改变，因此其对自然环境的影响很小，可以大面积使用，且具有景观效果；
2、自带电源，不需要电网供电；
3、通过电解能使湖泊、水库、池塘、海湾等封闭性水体中的大环化合物开环，长链断链，产生的游离基氧化分解有机物，快速降低COD；氧化分解水中的无机铵，氨氮的脱除率可达80～90%，并降低总氮指标，同时消除水中臭味；大幅度降低富营养化封闭性水体的色度，电解产生的氯[Cl]、羟基[OH]和氧[O]等强氧化性自由基可以氧化分解水中发色基团、助色基团，降低色度，达到脱色的目的；除臭，电解产生的多种游离基（氯[Cl]、羟基[OH]和氧[O]）氧化分解富营养化封闭性水体中的发臭基团，去除水中的恶臭；除藻，电解过程中会产生大量具有强氧化性的自由基，能快速氧化分解藻类细胞壁，破坏藻类的细胞结构，阻断藻类的DNA复制，抑制水中藻类生长。经过本装置处理后水水质符合GB3838-2002《地表水环境质量标准》的Ⅲ级水质标准。
4、通过布水器的设置可使电解后的水均匀扩散至大面积水域中，有效避免了由于电解出水分布不均匀而导致的局部处理效果不佳的问题。此外，布水器上的出水孔均开设于管道侧面或底部，这样电解出水便会从侧面或底部流出，加强水流的传质作用，从而有利于电解出水和水底污染物的充分接触并进一步促进污染物的降解。
附图说明
图1为睡莲式自供电源的电解水体净化在水中的分布示意图。
图2为睡莲式自供电源的电解水体净化漂浮于水中的结构示意图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的具体实施方式。
参照图1和图2，一种睡莲式自供电源的电解水体净化装置，它由睡莲式的漂浮物1、太阳能供电装置2、电解机3以及为电解机3供水的水泵4构成；参照图2,睡莲式自供电源的电解水体净化装置的漂浮物由中空的漂浮于水面的叶片状漂浮体11和浸没于水中的管状漂浮体12两部分组成；参照图1太阳能供电装置由太阳能板21和蓄电池22构成，太阳能板21安装于漂浮于水面的叶片漂浮物11表面，蓄电池22安装于叶片状漂浮物11的内腔里，蓄电池22为水泵4和电解机3供电；电解机3安装于浸没于水中的管状漂浮体12下部，且电解机3的进水口经水泵4与漂浮物1的进水口联接，电解机3的出水口与漂浮物1的出水口联接，漂浮物1的出水口联接有布水器5。此处，在浸没于水中的管状漂浮体12安装有一个锚6，从而将装置固定在水面，防止漂流。
继续参照图1和图2，电解机3的进水口经水泵4与漂浮物1的进水口联接，电解机3的出水口与漂浮物1的出水口联接，漂浮物1的出水口联接有布水器5。电解机3的出水口与漂浮物1的出水口联接，漂浮物1的出水口连接有一个布水器5（布水器5在本领域中较为常见），布水器5的管道侧面和底面都开设有出水孔51，电解后的水会从侧面或底面流出，加强水流的传质作用，从而有利于电解出水和水底污染物的充分接触并进一步促进污染物的降解。
其具体工作过程如下：首先由进水泵4将水抽入电解机3中，经过充分电解后，电解机3中的水再从布水器5的各个出水孔51流出。通过电解能使富营养化湖泊中的大环化合物开环，长链断链，产生的游离基氧化分解有机物，快速降低COD；氧化分解水中的无机铵，氨氮的脱除率可达80～90%，并降低总氮指标，同时消除水中臭味；大幅度降低富营养化湖泊的色度，电解产生的氯[Cl]、羟基[OH]和氧[O]等强氧化性自由基可以氧化分解水中发色基团、助色基团，降低色度，达到脱色的目的；除臭，电解产生的多种游离基（氯[Cl]、羟基[OH]和氧[O]）氧化分解富营养化湖泊中的发臭基团，去除水中的恶臭；除藻，电解过程中会产生大量具有强氧化性的自由基，能快速氧化分解藻类细胞壁，破坏藻类的细胞结构，阻断藻类的DNA复制，抑制水中藻类生长。
上述装置的数量可根据湖泊的实际蓄水量和面积进行设计确定。
处理前后湖泊1的水质情况见表1和表2。
表1 处理前湖泊的水质
| 序号 | 项 目 | 测定值 | 序号 | 项 目 | 测定值 |
| 1 | 臭和味 | 有异臭异味 | 6 | 叶绿素a（mg/L） | 0.4 |
| 2 | 总磷（mg/L） | 0.8 | 7 | 透明度（m）≤ | 1 |
| 3 | 总氮（mg/L） | 16.4 | 8 | 藻类（个/L） | 5.6×108 |
| 4 | 浑浊度（NTU） | 12 | 9 | 细菌总数（个/L） | 6.1×107 |
| 5 | CODCr（mg/L） | 55 | 10 | 色度（倍） | 15 |
表2 处理后湖泊的水质
| 序号 | 项 目 | 测定值 | 序号 | 项 目 | 测定值 |
| 1 | 臭和味 | 无异臭异味 | 6 | 叶绿素a（mg/L） | 0.003 |
| 2 | 总磷（mg/L） | 0.01 | 7 | 透明度（m）≥ | 4 |
| 3 | 总氮（mg/L） | 0.15 | 8 | 藻类（个/L）≤ | 7.2×103 |
| 4 | 浑浊度（NTU）≤ | 3 | 9 | 细菌总数（个/L）≤ | 3.5×103 |
| 5 | CODCr（mg/L） | 16 | 10 | 色度（倍） | 5 |
上述仅为发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (6)
1.一种睡莲式自供电源的电解水体净化装置，其特征在于：它由睡莲式的漂浮物、太阳能供电装置、电解机以及为电解机供水的水泵构成；所述的睡莲式的漂浮物由中空的漂浮于水面的叶片状漂浮体和浸没于水中的管状漂浮体两部分组成；所述太阳能供电装置由太阳能板和蓄电池构成，太阳能板安装于漂浮于水面的叶片漂浮物表面，蓄电池安装于叶片状漂浮物的内腔里；电解机安装于浸没于水中的管状下部，且电解机的进水口与漂浮物的进水口联接，电解机的出水口与漂浮物的出水口联接，漂浮物的出水口联接有布水器。
2.如权利要求1所述的一种睡莲式自供电的电解水体净化装置，其特征在于：所述睡莲式的漂浮物由中空的漂浮于水面的叶片状漂浮体和浸没于水中的管状漂浮体两部分组成，其浸没于水中的管状漂浮体的下部有进水口和出水口,还有联接其固定在水面的锚。
3.如权利要求1所述的一种睡莲式自供电的电解水体净化装置，其特征在于：所述的漂浮于水面的叶片状漂浮物表面四周还安装有供夜间美化环境的LED装饰带。
4.如权利要求1所述的一种睡莲式自供电的电解水体净化装置，其特征在于：所述太阳能供电装置的还包括一个控制器，控制器安装于叶片状漂浮物的内腔里，至少具有一个光控开关或一个红外线控制开关。
5.如权利要求1所述的一种睡莲式自供电的电解水体净化装置，其特征在于：所述布水器具有至少两个出水孔，所述出水孔均开设于布水器管道的侧面或底部。
6.如权利要求1所述的一种睡莲式自供电的电解水体净化装置，其特征在于：所述的睡莲式的漂浮物由塑料、金属板材、橡胶或复合材料的一种经过机械加工制成或由塑料、金属、橡胶或复合材料经过注塑加工而成。
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