一種黑臭地表水的處理系統的製作方法
2023-07-08 07:19:21 3
本發明創造創造涉及環保設備技術領域，特別涉及一種處理黑臭地表水技術。
技術背景
工業化的深入以及人口數量的幾何增長，地表水水質汙染情況比較嚴重，這不僅對社會經濟的發展產生嚴重影響，還對人體健康產生嚴重危害。水利部對中國700餘條河流、約10萬公裡河長水資源進行調查，其結果是：46.5％的河長受到汙染，水質只達到IV類、V類；10.6％的河長嚴重汙染，水質為劣V類，水體已喪失使用價值；90％以上的城市水域汙染嚴重。
目前，黑臭地表水的處理主要採用人工溼地、穩定塘、土壤滲濾以及淨化沼氣池等以工程措施為主的生態植物處理技術，在一定程度上對控制水體汙染起到了作用，但是存在著有機物去除率低、治理效果不穩定、佔地面積太大、選擇性較強、後期維護繁瑣等缺點。
因此，亟需開發一種能夠高效治理而且不會造成二次汙染的地表水處理技術。
技術實現要素：
本發明創造提出了一種具有電催化氧化功能和增加水體溶解氧功能的地表水處理技術。具體如下：
一種處理黑臭地表水的方法，其特徵是步驟包括：
1)對待處理地表水進行阻垢：在待處理地表水的管道施加電磁波，誘發水分子產生共振；所述電磁波由通電的線圈繞在管道上產生；線圈兩端連接在脈衝電源上；脈衝電源的輸出功率為660瓦，佔空比為10％～90％，頻率為1.75kHz；
2)對經步驟1)處理的水進行過濾；
3)在封閉罐體中對步驟2)處理得到的水進行增加水中溶解氧和電催化氧化處理；
3.1)增加水中溶解氧的步驟包括：
3.1.1)首先製得氧氣，把氧氣通入封閉罐體中；
3.1.2)在封閉罐體內的水中，槳葉高速旋轉，形成負壓區；槳葉上設有通孔，槳葉內設有空腔，空腔與通孔連通；步驟3.1.1)得到的氧氣進入槳葉的空腔內，並通過通孔進入負壓區；槳葉帶動水高速旋轉，高速旋轉的液體將氧氣均勻切割成小氣泡；
所述負壓區的壓強為0.25Mpa～0.35Mpa(優選0.30Mpa)；
壓強大小決定吸入氧氣時的負壓，在0.30Mpa壓強下，增加DO效果更佳。
3.1.3)由高速旋轉的槳葉再對小氣泡加壓，得到納米級微氣泡，並使微氣泡保持高速動能；
槳葉的轉速為1420r/m，再對小氣泡加壓的壓強為0.4～0.43Mpa(優選為0.423Mpa)；
壓強越大，氧氣的溶解性越強；考慮到實際工況選取0.423Mpa，水中DO值最佳。
微氣泡的速度為160～320m/s；
3.2)電催化氧化處理：
通過電極的催化氧化過程產生大量活性基團，這些基團包括超氧自由基、羥基自由基和H2O2；
H2O——H++OH-
MOx+H2O→MOx(·OH)+H++e-
MOx(·OH)→MOx+1+H++e-
R+MOx(·OH)z→ROz+MOx+z H++ze-
R+MOx+1→RO+MOx
O2+e-——O2-
O3+e-——O3-
OH-+H2O——H3O2-
2NH3+H2O2+O2——N2+4H2O
其中：MOx：金屬氧化物；MOx+1：金屬過氧化物；R代表有機汙染物；MOx(·OH)：吸附·OH的金屬氧化物；RO：被氧化的有機汙染物；O2-：氧陰離子；O3-：臭氧陰離子；H3O2-：水合氫氧根；
4)對步驟3)處理得到的水，進行生化處理：
4.1)先採用生物汙泥對步驟3)處理得到水進行處理：
生物汙泥包括細菌和原生動物兩類；細菌包括游離菌、菌膠團和/或絲狀細菌；原生動物類型包括肉足類、鞭毛類、纖毛類和/或吸管類；這些菌體控制菌膠團和/或絲狀細菌數量不超過20％；超過20％時活性汙泥中的絲狀菌會大量繁殖，產生膨脹，無法有效分解有機物，且大量的汙泥存在時易被水流衝走。
水的PH值為6.5～8.0，處理時間平均為24h；水溫維持在25℃±3℃，生物汙泥的投加量為2500mg/L；投加頻率為3個月時間投加1次；
4.2)再用有益菌對經步驟4.1)處理得到的水進行處理：
所述有益菌種為枯草芽孢桿菌、光合細菌、乳酸菌、酵母菌、硝化細菌和/或蛭弧菌；
含量較高的是枯草芽孢桿菌、光合細菌和乳酸菌，它們的質量比例控制在2：1：1；還有少量的酵母菌、蛭弧菌、硝化細菌和/或硫細菌等。
水溫控制在25℃～35℃，處理時間為10min±2min；
5)經過步驟4)處理得到的水即為最終得到的淨水。
所述步驟2)中，利用200目自清洗過濾器截留水中的大顆粒、降低濁度、淨化水質；過濾器的筒體使用碳鋼，濾網材質採用316L不鏽鋼；濾網共3組，每組12隻；
自清洗過濾器內設有壓差變送器，當濾網兩端的壓差達到設定值時，電機開始運轉並帶動刷子在內部旋轉對濾網進行刷洗；壓差的設定值，根據原水的濁度來確定，濁度越大，設定的壓力值越小。
所述步驟3.1.1)中，制氧的方法是利用分子篩吸附法分離空氣，進行氮氧分離過程製得氧氣，並用一個儲罐進行緩衝存儲。
所述步驟3.2)中，由3～5組電極用於反應；這些電極的正負極進行轉換；正負極轉換的時機是由水的電導率決定，一旦電導率超過閾值，則轉換正負極；
在每組電極之間安裝有填料；每組電極之間的距離≤15mm，所述填料層的厚度為10mm；填料採用含鐵量大於70％的鐵錳填料，或者含鐵量大於70％的鐵碳填料。
一種上述方法的地表水處理系統，包括由管道依次連接的提升泵、阻垢裝置、自清洗過濾裝置、氧氣發生與存儲裝置、氣液混合室、電解處理裝置、活性氧反應室和反應緩衝室；還包括上位工控機；提升泵的進水口極為本系統的原水進口，反應緩衝室的出水口即為本系統的淨水出口；
A、所述阻垢裝置包括脈衝電源、管道和絕緣導線，絕緣導線繞在管道外，導線的兩端分別連接脈衝電源輸出的「+」和「-」極端；脈衝電源的控制信號輸入端通過PLC連接上位工控機；
B、所述自清洗過濾器是全自動刷式自清洗過濾器；全自動刷式自清洗過濾器內的濾網兩側設有壓差變送器；全自動刷式自清洗過濾器的清洗刷的運行控制端通過PLC連接上位工控機，壓差變送器的輸出端同PLC連接上位工控機；
C、所述氧氣發生與存儲裝置包括分離空氣裝置和氧氣儲罐，分離空氣裝置的氧氣出口連接氧氣儲罐；氧氣儲罐的氧氣出口連接氣液混合室的氧氣入口；
D、所述電解處理裝置與氣液混合室共用同一金屬材質的罐體；在金屬罐體內裝有內筒；內筒第一端連接在罐體的第一端面內；內筒的第二端為開口端；所述進水口設在罐體的第一端面上，且與內筒圍成的空腔連通；所述出水口設在罐體的第一端面上，內筒外壁與罐體內壁圍成的空腔與出水口連通；
還設有氧氣管，氧氣管的出氣端在罐體內，進氣端在罐體外；氧氣管的出氣端伸入內筒內的空腔；
罐體外設有電機，電機的轉子通過轉軸連接有曝氣葉輪，曝氣葉輪在罐體內，且位於內筒內的空腔；氧氣管的出氣端與曝氣葉輪的位置對應；所述曝氣葉輪的槳葉是中空的，槳葉上開有出氣孔；槳葉的中空與氧氣管的出氣端連通；電機通過PLC連接上位工控機；
在內筒內設有電極板，電極板的外緣形狀與內筒的內緣形狀對應；電極板是網孔狀；兩款電極板成對裝在內筒內，且電極板都與內筒的軸線垂直；電極板通過PLC連接上位工控機；
每對電極板的外邊緣固定著一圈硬樹脂，在該對電極板之間的空間內裝有填料；電極板的網孔孔徑小於顆粒狀填料的粒徑；該對電極板之間的填料為疏鬆狀態；
E、所述活性氧反應室內裝有生物汙泥；所述反應緩衝室內裝有有益菌。
所述導線是絕緣銅線；銅線採用漆包線，銅線粗2mm；
絕緣導線在管道外壁緊密排列，相鄰匝線圈與線圈之間的間隔為1mm，300～400匝。線圈纏繞完成後為保證安全，用絕緣材料包裹好。
全自動刷式自清洗過濾器是用200目自清洗過濾器，該過濾器的筒體使用碳鋼；濾網共3組，每組12隻，濾網材質採用316L不鏽鋼。
所述活性氧反應室的底部裝有排汙口，排汙口裝有電控閥門，電控閥門通過PLC連接上位工控機；排汙口每隔12天打開一次，清理沉澱的汙泥。
附圖說明
圖1是本系統的各個組成部分連接原理示意圖；
圖2是阻垢裝置示意圖；
圖3是電解處理裝置與氣液混合室示意圖；
圖中：1地表水；2提升泵；3電磁阻垢儀；4自清洗過濾器；5氣液混合室；6電解處理設備；7活性氧反應室；8反應緩衝室；9分離空氣裝置；10氧氣儲罐，11計量泵；
2-1脈衝電源、2-2管道、2-3絕緣導線；
3-1罐體、3-2內筒、3-3出水口、3-4氧氣管、3-5電機、3-6曝氣葉輪、3-7電極板、3-8進水口、3-9出氣孔。
具體實施方式
在具體實施時候，本技術方案可以實現如下：
一種處理黑臭地表水的方法，包括以下步驟：
1)對待處理地表水進行阻垢：在待處理地表水的管道施加特定的電磁信號，誘水分子產生共振；
採用脈衝電源，電壓220V，電流恆定為3A，佔空比為10％～90％。當電磁信號頻率為1.75kHz，DN50的UPVC管道內側最高可達5600mT，中心也有620mT；DN50的碳鋼管道內側最高可達4500mT，中心最高為300mT。一般安裝在DN100以下的管道上，管道越小內部磁場越大，效果越好。
2)對經步驟1)處理的水進行過濾；
3)在封閉罐體中對步驟2)處理得到的水進行增加水中溶解氧和電催化氧化處理；
3.1)增加水中溶解氧的步驟包括：
3.1.1)首先製得氧氣；
3.1.2)接著利用曝氣頭內部的曝氣室高速旋轉，形成負壓區，壓為0.25Mpa～0.35Mpa，一般為0.30Mpa，使氧氣進入負壓區，由高速旋轉的液體將氧氣均勻切割成小氣泡；
3.1.3)再通過高速旋轉加壓。轉速為1420r/m，壓力可達0.42Mpa，高壓旋轉形成類似真空區域，從而加壓形成納米級微氣泡，並使微氣泡保持高速動能，微氣泡的速度最高可達160～320m/s；
3.2)電催化氧化處理：
通過電極的催化氧化過程產生大量活性基團，這些基團包括超氧自由基、羥基自由基和H2O2；
H2O——H++OH-
MOx+H2O→MOx(·OH)+H++e-
MOx(·OH)→MOx+1+H++e-
R+MOx(·OH)z→ROz+MOx+z H++ze-
R+MOx+1→RO+MOx
O2+e-——O2-
O3+e-——O3-
OH-+H2O——H3O2-
2NH3+H2O2+O2——N2+4H2O
(MOx：金屬氧化物，MOx+1：金屬過氧化物；R代表有機汙染物；MOx(·OH)：吸附·OH的金屬氧化物；RO：被氧化的有機汙染物；O2-：氧陰離子；O3-：臭氧陰離子；H3O2-：水合氫氧根)
4)對步驟3)處理的水，進行生化處理：
4.1)先採用生物汙泥對步驟3)處理得到水進行處理。
生物汙泥最重要的是細菌和原生動物兩類，細菌分為游離菌、菌膠團和絲狀細菌三種，原生動物類型有肉足類、鞭毛類、纖毛類、吸管類等。PH值約為6.5～8.0，處理時間與電催化氧化效率有關，效率越高，處理時間越短，平均24h左右。好氧過程，溫度維持在25℃左右。投加量為2500mg/L，投加一次後會有至少3個月時間不用投加，具體情況以運行情況為標準。
4.2)再用有益菌對經步驟4.1)處理得到的水進行處理。
有益菌種為在光合細菌、芽孢、乳酸菌、酵母菌、硝化細菌、蛭弧菌等天然水體中會大量存在的菌種，不會破壞水體。一般溫度控制在25℃～35℃之間，停留時間10min即可。由於此類菌種的投加處理後立馬返回原來的河道，採用選擇時間投加，在陽光明媚、溫度適宜的情況效果最後。
5)經過步驟4)處理得到的水即為所得淨水。
所述步驟2)中，利用200目自清洗過濾器截留水中的大顆粒、降低濁度、淨化水質；過濾器通體使用碳鋼，濾網採用316L材質；濾網共3組，每組12隻。
所述步驟3.1.1)中，制氧的方法是利用分子篩吸附法分離空氣，進行氮氧分離過程製得氧氣，並用一個儲罐進行緩衝。
所述步驟3.1.2)中，採用連續多口出氣裝置；對罐體而言，內部還有一個筒體。
所述步驟3.2)中，由3～5組電極用於反應；這些電極的正負極進行轉換，正負極轉換的時機是由水電導率決定，一旦電導率超過閾值，則轉換正負極。的電導率
所述步驟3.2)中，在每組電極之間安裝有填料。為保證電解效率電極之間的距離≤15mm，取10mm，填料採用含鐵量大於70％的鐵錳填料，或者鐵碳填料
所述步驟4)的生化反應室底部沉澱的汙泥每隔一段時間(間隔時間大約是12天)清理一次；罐體底部存在一個排汙口，上面安裝由電動磁閥控制的門，由自動化控制系統控制排汙。
一種實現所述方法的地表水處理系統，包括由管道依次連接的提升泵、阻垢裝置、自清洗過濾裝置、氣液混合室、電解處理裝置、活性氧反應室和反應緩衝室；還包括自動化控制系統；反應緩衝室的出水口即為本系統的出水口；
所述氣液混合室通過進氣管連接分離空氣裝置；分離空氣裝置與氣液混合室之間連接有氧氣存儲罐。
阻垢裝置絕緣銅線在管外壁緊密排列，線圈與線圈之間的間隔為1mm，約300～400匝。銅線採用漆包線，銅線粗2mm。線圈纏繞完成後為保證安全，用絕緣材料包裹好。
自清洗過濾器採用的是全自動刷式自清洗過濾器，設有壓差變送器，當壓差達到設定值時，電機自動開始運轉帶動刷子在內部旋轉。具體設定壓差值，應根據原水的濁度來確定，濁度越大，設定的壓力值越小。
氣液混合室內和電解處理裝置是放在一個金屬罐體裡的，氣液混合時產生的微納米氣泡因具有很高的能量，停留時間很短，因此，需迅速通過電解處理裝置轉化為活性氧自由基。進水口與出水口設計在同一側是為了保證進水停留時間的延長，更好的降解COD。
下面結合附圖1～3與具體實施方式對本技術方案進一步說明：
本實施例的處理黑臭河道地表水方法，包括以下步驟：
1)進水端的主管道上，安裝電磁阻垢設備，此設備可發出特定的頻率信號，誘導管道內水分子產生共振；
(一方面阻止溶液中可溶性鈣離子與碳酸離子結合生成水垢，另一方面分子共振打斷了液體水化物中的氫鍵，從而釋放了大量的水分子，自由水分子的出現意味著水溶解能力的增大，使水垢溶解度提高)
2)利用200目自清洗過濾器截留水中的大顆粒、降低濁度、淨化水質。過濾器通體使用碳鋼，濾網採用316L材質。
為保證去除效果，濾網共3組，36隻。
3)從自清洗過濾器流出水進入罐體，本罐體是採用圓柱形臥式放置，在罐體中完成增加水中溶解氧和電催化氧化兩個過程。
對於增加水中溶解氧的過程：
首先利用分子篩吸附法分離空氣，進行氮氧分離過程製得氧氣，用一個儲罐進行緩衝；
緊接著利用曝氣頭在曝氣室高速旋轉，形成負壓區，使氧氣進入負壓區，由高速旋轉的液體將氧氣均勻切割成小氣泡，再通過高速旋轉加壓形成微氣泡，並使微氣泡保持高速動能輸出。
微納米氣泡不受氧氣在水中溶解度的影響，不受溫度、壓力等外部條件限制，可以在水體中長時間停留。微納米氣泡高速進入水體後，通過物理作用方式產生非常複雜的化學變化，產生大量的活性氧自由基，這些活性氧自由基的能量能夠打破水分子之間的共價鍵、水分子與汙染物之間的共價鍵、汙染物內部的化學鍵連接，使活性氧以分子態和離子態快速溶解於水中成為溶解氧，同時多種活性氧自由基快速氧化降解汙染物。此過程可降解COD(化學需氧量)，利於下一步降解。
電催化氧化過程：水體中溶解氧濃度增加，通過電極的催化氧化過程產生大量活性基團(主要有超氧自由基、羥基自由基、H2O2)，活性基團的強氧化性可以殺菌滅藻、降解COD。
H2O——H++OH-
MOx+H2O→MOx(·OH)+H++e-
MOx(·OH)→MOx+1+H++e-
R+MOx(·OH)z→ROz+MOx+z H++ze-
R+MOx+1→RO+MOx
O2+e-——O2-
O3+e-——O3-
OH-+H2O——H3O2-
2NH3+H2O2+O2——N2+4H2O
對於電化學過程，為保證效果設備內部安裝了3到5組電極，並且可定時轉化正負極，避免陰極板表面結垢而降低工作效率。
為加強產生活性氧基團的效率，在每組電極間安裝有填料。轉換正負極則是採用電導率檢測裝置，一旦電導率超過某一個值便自動轉化。對增加溶解氧(DO)過程，採用連續多口出氣裝置，極大的增強了氧氣與水的接觸面積。
對罐體而言，內部還有一個筒體，可實現進水口與出水口在一端，極大的延長了水在設備中的停留時間，增強了曝氣效果和電化學催化效果。
罐體出水進入一個生化反應室，設備配備有一個計量泵，通過控制櫃控制自動往裡面加入特製的活性有益菌種，一方面用以進一步降解水中的有機物，消除水域中的汙染源；另一方面也可以增加水中的有益菌種使水體恢復自淨能力，從根本上恢復水體的自淨能力。
反應室底部的汙泥每隔一段時間自動清理一次，保障反應室內效果。罐體底部存在一個排汙口，上面安裝有電動磁閥，由控制櫃控制排汙過程。
整體設備採用全自動化控制，安裝後可自動運行，無需值守。設備會每隔12天自動排汙一次，保證設備運行效果。同時，根據水質情況可隨時做出調整，操作簡單方便，而且根據水量可以多臺聯用以保證水體的治理效果。
一種具有電催化氧化功能和增加水體溶解氧功能的地表水處理系統，包括：提升泵、自清洗過濾器、電磁阻垢儀、罐體、氣液混合器、生化反應室、電極裝置以及直流穩壓換相電源、控制櫃等部分組合而成。
提升泵、自清洗過濾器、罐體、生化反應室都設有進水口、出水口，採用串接方式連接起來。提升泵的進水口位於中部，提升泵的出水口與自清洗過濾器的進水口相連，自清洗過濾器的出水口與罐體進水口相連，罐體出水與反應室進水口相連，反應室的出水口在河道中。
自清洗過濾器為吸汙式，水由入口進入，首先經過粗濾網濾掉較大顆粒的雜質，然後到達細濾網。在過濾過程中，細濾網逐漸累積水中的髒物、雜質，形成過濾雜質層，由於雜質層堆積在細濾網的內側，在細濾網的內、外兩側就形成了一個壓差。當過濾器的壓差達到過濾器預設值時，將開始自動清洗過程，待整個濾網內表面完全清洗乾淨後，過濾器開始準備下一個衝洗周期。自清洗過濾器則將水體中絕大多數的懸浮物截留下來，避免因懸浮物過多對增加DO值產生不利影響。
在罐體中對水體進行增加DO值和電催化氧化後，進入生化反應室的水質較好，有助於投加菌種。在生化反應室中投加的有益菌種對環境不僅沒有汙染，恰恰對環境是有益的；而且每個一段時間更換一種菌種會對設備的應用帶來更加顯著的效果。生化反應室的大小根據實際情況而定，原則上要保證水體能夠在反應室中停留5到10秒，實現菌種與水體的充分混合，降解剩餘有機物。
如圖1中，1、地表水是指被汙染水體；2、提升泵是將水引入系統中，從而進行後續的處理過程；3、電磁阻垢儀是利用電磁原理，防止陰極表面結垢，對電解過程產生不利的影響；4、自清洗過濾器用於過濾水體中的懸浮物，防止因懸浮物過多影響電解；5、氣液混合時主要用於將氧氣和水充分混合，提高水體中的溶解氧濃度；6、電解水處理設備用來將增加了溶解氧的水體電解產生一些強氧化性的物質，從而達到殺菌滅藻的作用；7、活性氧反應室是通過加入一些生物汙泥，將水體進一步處理；8、反應緩衝室一方面延長水體被處理時間，另一方面加入有益菌種，恢復水體的自淨能力；9、分離空氣裝置用於實現氮氧分離，得到濃度較高的氧氣；10、氧氣緩衝儲罐用於有效控制壓力；11、計量泵會根據水量大小以及水中菌藻的數量計量投加，投加方式採用連續式投加。
採用本地表水處理技術的實驗數據
2016年7月15日採用本技術於南京某大型河道進行試驗，間隔一段時間分析檢測有關數據，數據結果如下表1：
表1，設備運行檢測數據
經過為期兩個月的使用，CODcr由232mg/L降為31mg/L、DO由0.81mg/L增加到5.29mg/L、BOD5由45mg/L降為13mg/L，各數值符合地表水III類水質標準。