一种多功能电化学耦合生态浮床

技术领域

本发明属于水污染控制领域，具体涉及一种多功能电化学耦合生态浮床。

背景技术

目前，我国黑臭水体的治理通常采用控源截污、强化净化等手段，来削减水体中引起黑臭的污染物浓度，从而达到消除水体黑臭的效果。但是，水体中除这些常规污染物外，还存在硫醚、土臭素等嗅味物质，其嗅味阈值低，给水体周边居民造成不好的感官体验。

生态浮床因其使用方便、成本低廉、景观效果好，在地表水体强化净化和生态修复工程中得到了广泛的使用。传统的生态浮床主要通过水生植物的根系吸附、植物吸收、植物表面生物膜附着等方式，来实现常规污染物的去除，但对水中典型的嗅味物质去除效率很低。并且，受浮床结构、植物功能等要素制约，生态浮床系统对水中浊度控制效果不佳，对COD、氮、磷等常规污染物的去除速率也不高。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种多功能电化学耦合生态浮床。该生态浮床围绕引起水体黑臭的典型感官性状指标，通过耦合铁碳微电解、仿生增氧、活性炭吸附、硫自养反硝化、斜管沉淀工艺单元，形成组合工艺流程，达到有效消除水体黑臭的目的。

为了实现上述目的，本发明提供了一种多功能电化学耦合生态浮床，包括从上至下通过中心轴连接的好氧床层、缺氧床层和空腔；所述缺氧床层的外围设有过滤池，空腔的外围设有沉淀池，过滤池和沉淀池连通；所述空腔中设有水泵；

所述好氧床层内部填充有混合填料A，其内部设有环形导流墙，并通过导流墙与缺氧床层相连；

所述缺氧床层内部填充有混合填料B，同时还设有导流墙，导流墙与缺氧床层上下壁间安装短管竹炭a，缺氧床层底部与沉淀池连通的开口，开口处设置铁网b；

所述过滤池底部设有铁网a并通过铁网a和沉淀池分隔连通，过滤池中放置短管竹炭b，并通过铁网a固定。

进一步地，所述水泵一端与穿过中心轴中空部位的水泵压水管连接，水泵压水管顶部管口与中心轴之间封闭隔水，水泵另一端与水泵吸水管的一端连接，所述水泵吸水管的另一端穿过空腔底部抽水口。

进一步地，所述生态浮床为陀螺式结构。

进一步地，所述中心轴两端为对称结构，压水管顶部中心轴顶部设有锥形导流顶盖。

进一步地，所述好氧床层分为三层，从上至下依次为顶层好氧床，第二层好氧床和第三层好氧床；所述顶层好氧床，第二层好氧床和第三层好氧床为圆柱形结构，直径由上至下依次增加，构成好氧床层的塔型结构；所述好氧床层露天位置种植有水生植物。

进一步地，所述导流墙在顶层好氧床，第二层好氧床、第三层好氧床和缺氧床层之间通过高度差形成虹吸效应。

进一步地，所述混合填料A包括塑料花球和铁碳颗粒；所述塑料花球和铁碳填料的体积比为10:1。

进一步地，所述混合填料B包括塑料花球和黄铁矿颗粒；所述塑料花球和黄铁矿颗粒的体积比为10:1。

进一步地，所述过滤池和沉淀池构成斗型结构；所述沉淀池为可拆卸结构。

进一步地，所述过滤池中短管竹炭b倾斜60°放置。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

（1）本发明中，应用了物理、生物、电化学等学科中的多重原理，设计出消除水体黑臭的多功能电化学耦合生态浮床，通过耦合铁碳微电解、仿生增氧、活性炭吸附、硫自养反硝化、斜管沉淀等工艺单元，形成组合工艺流程，能够有效去除水中嗅味物质。

（2）本发明中将好氧、缺氧环境和填料组合，辅以沉淀和过滤单元，极大程度上降低了水体富营养化程度。本发明中使用硫铁矿基填料黄铁矿，在水中产生了Fe

（3）带有吸附作用的斜管过滤单元中利用短管竹炭对嗅味物质和其他污染物的强吸附性，高效降低出水浊度、色度，使河水清澈宜人。

（4）浮床出水为跌流出水，增加河水溶解氧浓度，提高河流的后续自净能力，同时形成小型瀑布景观。

附图说明

图1为本发明所述生态浮床结构示意图。

图2为生态浮床剖面示意图。

图3为生态浮床内部水流示意图。

图4为使用不同填料的生态浮床对水中土臭素的吸附处理情况。

图5为使用不同填料的生态浮床对水中二甲基异茨醇的吸附处理情况。

图6为使用不同填料的生态浮床对水中氨氮的吸附处理情况。

图7为使用不同填料的生态浮床对水中总磷的吸附处理情况。

图8为使用不同填料的生态浮床对水中土臭素的吸附处理情况。

图中，1a-顶层好氧床；1b-第二层好氧床；1c-第三层好氧床；2-缺氧床层；3-过滤池；4-空腔；5-沉淀池；6-中心轴；7-水生植物；8-导流墙；9-短管竹炭a；10-短管竹炭b；11-铁网a；12-水泵吸水管；13-抽水口；14-水泵压水管；15-导流顶盖；16-水泵；17-铁网b。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。本发明实施例中提及的混合填料A为体积比为10:1的塑料花球和铁碳颗粒，混合填料B为体积比为10:1的塑料花球和黄铁矿颗粒；普通填料为纯塑料花球。

实施例1：

图1~2是本发明所述生态浮床的结构示意图和剖面示意图，图3为本发明所述生态浮床右半部分的水流方向示意图，左半部分水流方向与右半部分相同。从图中可以看出，本发明所述消除水体黑臭的多功能电化学耦合生态浮床呈陀螺式结构，围绕中心轴6从上至下设有圆柱形的好氧床层、缺氧床层2和空腔4，在缺氧床层2和空腔4的外围分别设有相互连通的过滤池3和沉淀池5。

生态浮床的空腔4位于底部中心，内部封闭干燥，为浮床提供浮力，使其悬浮于河流、湖泊中。空腔4内部设置有一个水泵16，水泵16一端连接有水泵吸水管12，水泵吸水管12穿过生态浮床底部的抽水口13，水泵另一端连接有水泵压水管14，所述水泵压水管14穿过中心轴6。水泵16将河流中的水由水泵吸水管12从抽水口13中抽出，再由水泵压水管14经过中心轴6输送至浮床顶端，高速水流撞击中心轴6顶部的锥形导流顶盖15后向四周散开，曝气后进入顶层好氧床1a。

顶层好氧床1a、第二层好氧床1b、第三层好氧床1c和缺氧床层2中内部均设有导流墙8，且通过导流墙8连通不同层，不同层之间的导流墙8产生虹吸效应来实现河水的转移，如顶层好氧床1a内填充有混合填料A，当顶层好氧床1a水面上升至淹没填料A时，通过顶层好氧床1a和第二层好氧床1b之间的导流墙8的虹吸效应将河水转移至第二层好氧床1b中。

在顶层好氧床1a、第二层好氧床1b、第三层好氧床1c的露天位置种植有水生植物7，水流高速流动时挟气富氧，而顶层好氧床1a内的填料A和水生植物7根系因露出水面得以接触氧气，实现高效率曝气。

缺氧床层2内，水流从中部进入缺氧床后经过多道导流墙8，导流墙8墙与上下壁间横向安装短管竹炭a 9，既可与缺氧床中的混合填料B充分接触，还可以避免短流。缺氧床层2出水从沉淀池5进入，自下而上经过过滤池3中的铁网a11和60°斜放的短管竹炭b 10，河水中的胶体和悬浮物质沿短管竹炭b 10沉降进入沉淀池5，净水从过滤池3顶部溢出跌入河流中，再次曝气，并在水面形成一个小瀑布景观。沉淀池5为可拆卸结构，便于定期排泥。

实施例2

本实施例从消除水体黑臭的角度对本发明所述生态浮床进行进一步的说明：

水泵16将河水中的污水输送至顶层好氧床1a中，污水再经由导流墙进入第二层好氧床1b和第三层好氧床1c。在好氧环境下，好氧床层中混合填料A与水生植物7根系表面附着有大量生物膜，硝化细菌可将氨氮转化为硝酸盐氮。并且混合填料A中铁为阳极，碳为阴极构成原电池，产生微电流来刺激好样微生物的新陈代谢活动，利用微生物的氧化、还原和合成等生命活动来降解水中的嗅味物质。

同时，铁填料反应生成高活性Fe

虹吸效应将上层河水转移至下层时，高速水流挟气富氧，进入下一层好氧床进行反应，同时本层好氧床的填料露出水面，填料表面的水膜与空气接触，模仿生物肺部，一呼一吸间实现氧气的交换，依据双模理论，实现氧气由气相向液相的高效率转移。

在好氧床层中初步除污的河水通过导流墙8转移至缺氧床层2，缺氧床层2中的导流墙8与上下壁之间放置有横向的短管竹炭a 9，利用其对嗅味物质的强吸附性，在水流的必经之路上吸附水体中的嗅味物质。同时，缺氧床层2填充的混合填料B中黄铁矿富集了脱氮硫杆菌，其利用二价铁作为电子供体，消耗水体中硝氮反应生成氮气，同时产酸，实现水体深度脱氮，并对填料进行酸洗，避免铁碳钝化。

进一步处理后的河水从缺氧床层2中转移至沉淀池5，河水由下至上漫道过滤池3，利用过滤池3中的短管竹炭b 10的强吸附作用，进一步吸附嗅味物质、水中胶体和悬浮物质，并沿短管竹炭b 10沉降至沉淀池，降低水的浊度和色度。

处理结束的净水从过滤池3顶部溢出跌入河流中，再次曝气，并在水面形成一个小瀑布景观。

实施例3

本实施例中将采用普通填料的生态浮床作为对照组，本发明中多功能电化学耦合生态浮床为试验组，考察了本发明所述的多功能电化学耦合生态浮床对水中土臭素、二甲基异茨醇、氨氮和总磷的吸附降解效果。

取同一河流的水样，测定水样中的土臭素、二甲基异崁醇、氨氮和总磷含量。然后即将水样分别使用传统生态浮床和本发明所述的生态浮床进行处理，对处理24h后的得到的水样同样进行土臭素、二甲基异茨醇、氨氮和总磷的测定，比较进水前和出水后水样中四种污染物的含量。其中土臭素、二甲基异茨醇通过 GC-MS进行测定，氨氮通过纳氏试剂光度法进行测定，总磷通过钼酸铵分光光度法进行测定。

图4~7为本实施例中对照组和本发明所述多功能电化学耦合生态浮床进水和出水时四种污染物的含量图。由图可知，两组装置在起始时间水样的嗅味物质、氮磷浓度均相近，但在一个周期（24h）后，铁碳复合填料相比普通填料，对污染物的去除具有显著优势，其对土臭素的去除效率为27.00%，对二甲基异崁醇的去除效率为51.43%，对氨氮的去除效率为56.43%，对总磷的去除效率最高，为71.17%。

实施例4：

本实施例中将使用普通填料的生态浮床作为对照组，本发明中多功能电化学耦合生态浮床为试验组，每3h测定一次水中土臭素的浓度，来考察了本发明所述多功能电化学耦合生态浮床对水中土臭素的处理效率。

图8为对照组和本发明所述多功能电化学耦合生态浮床在处理后水样中土臭素的含量图，从图中可以看出，起始时土臭素浓度相近，均高于其嗅阈值（6~42ng/L），能够明显闻到令人厌恶的土霉味。经过添加了铁碳填料的实验装置，耦合仿生增氧处理，12h后土臭素处理效率达到20.5%，24h后土臭素处理效率高达27%。而普通填料组合下，土臭素12h处理率仅为6.7%，甚至在周期末还出现了回升。通过实验结果可以看出，本发明所述多功能电化学耦合生态浮床对水体嗅味物质的去除净化效果显著，同时对常规污染物氮磷和浊度均有较强的去除能力。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。