一种电化学强化人工湿地装置及其处理受污染水体方法与流程

1.本发明涉及人工湿地水体治理领域，更具体地说是一种电化学强化人工湿地装置及其处理受污染水体方法。


背景技术：

2.我国城市受污染的黑臭水体具有较为明显的地域特征，以“黑河腾冲线”为分界线，集中分布于我国的东南部，并且其密集程度与经济发展程度呈正相关，在环渤海经济圈、长三角经济圈、珠三角经济圈分布尤为显著，特别是经济发达且水系较多的中南地区和华东地区，城市黑臭水体的比例高达71％。城市黑臭水体不仅破坏河流生态系统、损害城市景观，而且也会影响居民生活、危害人体健康，是目前较为突出的一种城市环境问题。
3.目前黑臭水体的治理的三个方面为外源阻断、内源控制、水质净化，其中水质净化又是黑臭水体治理的关键阶段，主要包括物理技术、化学技术、生物—生态修复技术、生物膜技术、生物浮床技术等。然而以上技术的应用往往受限于技术成本高、产生二次污染、处理效率低等因素限制。例如，目前构建水面水生植物净化系统、投放水生生物是最常用的生物-生态修复技术。
4.人工湿地技术是利用土壤—微生物—植物生态系统对黑臭水体中有机物、营养盐进行去除的技术，主要由基质(土壤、细砂、砾石)、植物、微生物等组成。通过人为地在有一定长宽比和底面坡度的洼地上用土壤和填料混合组成填料床，使污水在床体的填料缝隙中流动或在床体表面流动，并在床体表面种植具有性能好，成活率高，抗水性强，生长周期长，美观及具有经济价值的水生植物(如芦苇，蒲草等)，从而形成一个独特的动植物生态体系。人工湿地技术充分利用物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解等作用来实现对污水的高度净化。
5.人工湿地技术基于填料-植物根系-微生物的多界面作用过程可实现对河道或流域中cod、氨氮、磷等污染物净化。但因植物根系-微生物作用受气候影响较大，如在冬季低温条件下，水流粘度增加，传质扩散速率下降，植物的生长受限，微生物的数量和活性骤降，这些影响较大地限制了植物-微生物生态修复系统除有机物、脱氮除磷的能力。此外，植物-微生物的生态修复系统在运行一定时间下，基质填料吸附能力趋于饱和后，处理能力也大大下降。因此，采用单一的植物-微生物生态修复过程治理受污河道或流域往往无法取得长期稳定的良好处理效果。这也是目前河道或流域治理过程中水质常反复波动的根源所在。因此减少植物-微生物系统受温度的依赖性、加速基质填料吸附-降解界面作用是实现植物-微生物生态修复系统高效治理受污水体的关键。
6.经检索，中国专利申请公布号cn113023838a，公布日2021.06.25，公开了一种电化学耦合硫铁矿强化人工湿地深度脱氮除磷的装置和方法。在人工湿地不同深度处有着自然形成的好氧和厌氧区域，该发明在不同位置添加的硫铁矿发生不同程度的好氧氧化和厌氧氧化分别对除磷和脱氮有着巨大作用，又通过布置在湿地环境中的阳极上产氧，阴极上产氢的电化学作用直接或间接地促进硫铁矿的好氧氧化和厌氧氧化地的发生，形成了电化学
耦合硫铁矿体系，对于废水的脱氮除磷产生了“1 1》2”的效果。该发明需要在人工湿地不同位置添加硫铁矿，电化学反应后容易产生新的污染源。


技术实现要素：

7.1.发明要解决的技术问题
8.针对上述现有技术人工湿地技术的植物根系-微生物作用受气候影响较大，较大地限制了植物-微生物生态修复系统除有机物、脱氮除磷的能力的问题，本发明设计了一种电化学强化人工湿地装置及其处理受污染水体方法，本发明通过接通直流电源的电化学阳极ⅰ、电化学阴极以及电化学阳极ⅱ的配合作用产生电化学反应，并在电流的协同作用下，实现电场加强基质填料表面对污染物的吸附-降解的界面作用，实现填料的连续吸附-降解循环过程，使人工湿地技术可免受季节性、昼夜温度变化的影响。
9.2.技术方案
10.为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
11.一种电化学强化人工湿地装置，应用于处理人工湿地富含cl-的受污染水体，尤其是富含cod、氨氮、磷等污染物的黑臭水体，包括接通直流电源的电化学阳极ⅰ、电化学阴极以及电化学阳极ⅱ，还包括人工湿地中散布的填料。通过电化学阳极ⅰ的电化学过程实现cl-向次clo-的转化，电化学阳极ⅰ可以是钛或钌钛氧化物，比如tio2或ru/tio2等为阳极的电化学过程，能够有效实现cl-向次氯酸根(clo-)的转化；电化学阴极，也可以钛电极作阴极，在电流作用下可直接将硝态氮还原为氮气或一氧化二氮等，电化学阳极ⅱ，比如铁阳极，可以在原位产聚铁的絮凝剂来除磷，电场加强基质填料表面对污染物的吸附-降解的界面作用，实现基质填料的连续吸附-降解循环过程，使人工湿地对污染物净化技术可免受季节性、昼夜温度变化的影响。
12.进一步的技术方案，电化学阳极ⅰ、电化学阳极ⅱ和电化学阴极的排布方式包括但不仅限于竖排垂直河面悬浮排列、横向平行河面排列或三个电极围成三角形排列，其中三个电极竖向平行排列为最佳排列方式，每三个电极形成一组，可以在人工湿地上均匀布置多组，形成多组阵列式双阳极/单阴极电化学协同强化景观式生物-生态处理系统，各组之间互相协调式配合，对受污染水体的处理更加均匀彻底。
13.进一步的技术方案，电化学阳极ⅰ、电化学阳极ⅱ与电化学阴极的形状包括但不仅限于板状、片状、棒状或网状，其中网状电极为最佳形状，网状电极保证了污水的顺利通过，降低了污水流动的阻力，增加了污水中离子与电极板的接触面积和时间，使电化学反应过程更加充分。
14.进一步的技术方案，电化学阳极ⅰ和电化学阴极分别为钛阳极和钛阴极，均由内层钛基电极板和其表面的涂层材料紧密粘合而成，网状结构更适于钛基电极板和其表面涂层材料的紧密粘合。
15.进一步的技术方案，内层钛基电极板的形状为穿孔的网状，网孔直径为5～10mm，孔隙度范围为20％～50％，有利于液体与电极网板的接触，进而提高电子的转化效率，过小或过大会影响处理效果或增加处理能耗。
16.进一步的技术方案，电化学阳极ⅱ为铁阳极，呈实芯板或穿孔板状，由铁与不锈钢、钌、铱、镍、铜或铂中的一种或几种复合而成，电极板的复合材料优先采用不锈钢或铜等
轻质金属制成，可以极大减轻电极的重量，方便电极的拆装更换，减少成本。
17.进一步的技术方案，填料选用活性炭、石英砂、天然沸石、离子交换树脂、蜂房线绕式滤芯、pp熔喷式滤芯、折叠式滤芯、epp、多面空心球和陶瓷填料中的一种或多种搭配。填料优先选择epp(聚丙烯发泡粒子)，其具有较强的吸附能力，材质稳定，耐酸碱、耐老化，使用寿命长，材质轻，耐冲击，并且是一种环境友好材料。
18.进一步的技术方案，直流电源通过太阳能、风力或水力发电提供，可以充分利用广阔的人工湿地的户外环境，安装相应的太阳能、风力或水力发电设施给直流电源充电，以提高整个装置的持续稳定性和使用寿命。
19.一种电化学强化人工湿地装置处理受污染水体的方法，步骤为：
20.s1、通过电化学阳极ⅰ的电化学过程实现cl-向次clo-的转化；
21.s2、电化学阳极ⅰ和电化学阴极协同作用并产生电流的作用下clo-直接将硝态氮还原为氮气或一氧化二氮；
22.s3、利用电化学阳极ⅱ的阳极材料在电解过程中原位生成并溶出高活性多形态聚铁絮凝剂直接除磷。
23.3.有益效果
24.采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
25.(1)本发明的一种电化学强化人工湿地装置及其处理受污染水体方法，应用范围广，可处理水质较差、污染较为严重，cod、氨氮、tn、tp等指标严重超标的河流水体；多组阵列式双阳极/单阴极电化学协同强化景观式生物-生态处理系统处理受污染河水的协同强化效果显著(cod去除率》62％，氨氮去除率》80％，tn去除率》59％，tp去除率》65％)，处理系统出水指标达到地表
ⅴ
类水限值(gb3838-2002)；
26.(2)本发明的一种电化学强化人工湿地装置及其处理受污染水体方法，可有效解决现有的生物-生态修复系统处理效果不稳定的问题，并可以有效避免气候、温度等外界环境因素的影响，实现对受污水体高效、长期稳定的处理；
27.(3)本发明的一种电化学强化人工湿地装置及其处理受污染水体方法，可有效规避高管网建设成本、收集过程中污水的渗漏、剩余活性污泥的处理与处置等问题，具有景观效果好、投资省、运行与维护成本低等特点，在海绵城市和美丽农村建设中有望得到进一步的推广应用；
28.(4)本发明的一种电化学强化人工湿地装置及其处理受污染水体方法，可针对河网密布、且多数受生活污水、工业废水的污染的城市，为这些城市受污水体处理提供理论依据和技术参考。
附图说明
29.图1为本发明的结构示意图。
30.图2为实施例一污水处理效率图。
31.图3为实施例二污水处理效率图。
32.图中：1-电化学阳极ⅰ；2-电化学阳极ⅱ；3-电化学阴极；4-填料；5-直流电源；6-湿地水生植被。
具体实施方式
33.为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。
34.经发明人多年对沿海地区河道的水体的追踪式检测表明，沿海地区河道的水体含盐量极高，主要以离子状态存在，包括ca
2
、mg
2
、na

、k

、so
42-、cl-、hco
3-、侵蚀性co2、ph值，含量最多的是氯化物，几乎占总盐分的90％，其次是so
42-、mg
2
、ca
2
、hco-、na

、k

、ph值。
35.仅以江苏沿海三市的水质调查数据为例，分析结果如下表：
[0036][0037][0038]
对此表的水质分析结果可以看出，沿海地区河流水体中cl-含量极高，为电化学法提供了条件，而且，通过电化学作用可有效实现cl-向次氯酸根(clo-)转化，产生的次氯酸根可以强化人工湿地去污能力。
[0039]
实施例1
[0040]
本实施例的电化学强化人工湿地装置，应用于处理人工湿地富含cl-的受污染水体，尤其是富含cod、氨氮、磷等污染物的黑臭水体，包括接通直流电源5的电化学阳极ⅰ、电化学阴极以及电化学阳极ⅱ，还包括人工湿地中散布的填料4，填料4中种植有湿地水生植被6，形成景观式生物-生态处理系统。电化学阳极ⅰ、电化学阳极ⅱ和电化学阴极形状包括但不仅限于板状、片状、棒状或网状，它们的排布方式包括但不仅限于竖排垂直河面悬浮排列、横向平行河面排列或三个电极围成三角形排列，尤其是这三个电极竖向围成三角形排列为最佳排列方式，每三个电极形成一组，可以在大范围的人工湿地工作面上均匀分布多组，形成多组阵列式双阳极/单阴极电化学协同强化景观式生物-生态处理系统，各组之间互相协调式配合，对受污染水体的处理更加均匀彻底，其中的双阳极/单阴极优先选用钛铁双阳极/钛阴极，组成钛铁双阳极/钛阴极电化学协同强化景观式生物-生态处理装置，如图1所示，包括在反应池内竖向悬浮排列，并接通直流电的电化学钛阳极、电化学钛阴极和铁阳极，还包括在反应池底部散布的填料。电化学阳极ⅰ和电化学阴极分别为钛阳极和钛阴极，均由内层钛基电极板和其表面的涂层材料紧密粘合而成，网状结构的钛阳极和钛阴极更适于钛基电极板和其表面涂层材料的紧密粘合，网状电极也保证了污水的顺利通过，降低了污水流动的阻力，增加了污水中离子与电极板的接触面积和时间，使电化学反应过程更加充分。内层钛基电极板由ti元素或其对应的氧化物构成，其形状为穿孔的网状，网孔直径为5～10mm，孔隙度范围为20％～50％，有利于液体与电极网板的接触，进而提高电子的转化效率，过小或过大会影响处理效果或增加处理能耗。表面的涂层材料的厚度为0.5～5mm，其涂层材料为以下材料之一：二氧化铱、二氧化钌、二氧化铅或二氧化锡等，以提高电极催化效率。电化学阳极ⅱ为铁阳极，呈实芯板或穿孔板状，由铁与不锈钢、钌、铱、镍、铜或铂中的一种或几种复合而成；水中的填料4可以选用以下材料中的一种或多种搭配：活性炭、石英砂、天然沸石、epp、离子交换树脂、蜂房线绕式滤芯、pp熔喷式滤芯、折叠式滤芯、多面空心球、陶瓷填料等，加大提高净化效率。此装置的直流电源5提供电极所需要的电能，通过太阳能、风力或水力发电提供，可以充分利用广阔的人工湿地的户外环境，安装相应的太阳能、风力或水力发电设施给直流电源5充电，以提高整个装置的持续稳定性和使用寿命，并可以节约能源。
[0041]
本实施例选用以钛或钌钛氧化物tio2或ru/tio2等为阳极ⅰ的电化学过程可有效实现cl-向次氯酸根clo-转化，钛电极作阴极，在电流作用下可直接将硝态氮还原为氮气或一氧化二氮等，铁阳极原位产聚铁的絮凝剂来除磷。
[0042]
本实施例的钛铁双阳极/钛阴极电化学协同强化景观式生物-生态处理的方法，步骤为：城内河污水因含有较高浓度的cl-》80mg/l及其他离子如so
42-而具有一定的导电性能，为电化学联合景观式生物-生态耦合系统提供的必要条件。以钛或钌钛氧化物tio2或ru/tio2等为阳极的电化学过程可有效实现cl-向次氯酸根clo-转化，钛电极也是常用作阴极，其在电流作用下可直接将硝态氮还原为氮气或一氧化二氮等。钛阳极电化学利用城内河污水富含cl-原位产clo-可协同强化景观式生物-生态耦合系统去除cod、氨氮等污染物，钛阴极电化学过程有望起到协同强化景观式生物-生态耦合系统脱氮的作用。钛铁双阳极/钛阴极电化学可协同强化景观式生物-生态耦合系统对cod、氨氮、硝态氮、磷的去除，利用铁阳极ⅱ材料在电解过程中溶出原位生成高活性的多形态聚铁絮凝剂，可达到除磷的效
果。
[0043]
经检测，本实施案例a河流污水中，cod的浓度为34mg/l，nh
3-n的浓度为2.2mg/l，tn的浓度为4.0mg/l，tp的浓度为1.3mg/l。污水ph为7.2，电化学阳极ⅰ和电化学阴极材料为tio2，涂层材料为二氧化铱，电化学阳极ⅱ为fe，水中的填料为epp。
[0044]
如图2所示，反应时间2小时后，本实施案例cod去除率达到62％，nh
3-n去除率达到80％，tn去除率达到59％，tp去除率达到65％。
[0045]
实施例2
[0046]
本实施例的钛铁双阳极/钛阴极电化学协同强化景观式生物-生态处理的装置同实施例1，不同之处在于：本实施案例b河流污水中，cod的浓度为45mg/l，nh
3-n的浓度为3.2mg/l，tn的浓度为5.2mg/l，tp的浓度为2.0mg/l。污水ph为8.0，电化学阳极ⅰ和电化学阴极材料为tio2，涂层材料为二氧化铱，电化学阳极ⅱ为fe，水中的填料为石英砂和天然沸石。
[0047]
如图2所示，反应时间2小时后，经检测，本实施案例cod去除率达到65％，nh
3-n去除率达到75％，tn去除率达到55％，tp去除率达到77％。
[0048]
实施例3
[0049]
本实施例的钛铁双阳极/钛阴极电化学协同强化景观式生物-生态处理的装置同实施例1，不同之处在于：本实施案例c河流污水中，cod的浓度为40mg/l，nh
3-n的浓度为3.9mg/l，tn的浓度为4.5mg/l，tp的浓度为1.9mg/l。污水ph为8.0，电化学阳极ⅰ和电化学阴极材料为tio2，涂层材料为二氧化铱，电化学阳极ⅱ为fe，水中的填料为epp和天然沸石。
[0050]
经检测，本实施案例cod去除率达到57％，nh
3-n去除率达到83％，tn去除率达到65％，tp去除率达到73％。
[0051]
实施例4
[0052]
本实施例的钛铁双阳极/钛阴极电化学协同强化景观式生物-生态处理的装置同实施例1，不同之处在于：本实施案例d河流污水中，cod的浓度为39mg/l，nh
3-n的浓度为2.8mg/l，tn的浓度为3.9mg/l，tp的浓度为1.9mg/l。污水ph为9.0，电化学阳极ⅰ和电化学阴极材料为tio2，涂层材料为二氧化钌，电化学阳极ⅱ为fe，水中的填料为活性炭。
[0053]
经检测，本实施案例cod去除率达到69％，nh
3-n去除率达到79％，tn去除率达到60％，tp去除率达到70％。
[0054]
实施例5
[0055]
本实施例的钛铁双阳极/钛阴极电化学协同强化景观式生物-生态处理的装置同实施例1，不同之处在于：本实施案例e河流污水中，cod的浓度为45mg/l，nh
3-n的浓度为3.5mg/l，tn的浓度为4.2mg/l，tp的浓度为1.5mg/l。污水ph为7.6，电化学阳极ⅰ和电化学阴极材料为tio2，涂层材料为二氧化钌，电化学阳极ⅱ为fe，水中的填料为离子交换树脂。
[0056]
经检测，本实施案例cod去除率达到65％，nh
3-n去除率达到85％，tn去除率达到62％，tp去除率达到68％。
[0057]
实施例6
[0058]
本实施例的钛铁双阳极/钛阴极电化学协同强化景观式生物-生态处理的装置同实施例1，不同之处在于：本实施案例f河流污水中，cod的浓度为31mg/l，nh
3-n的浓度为2.9mg/l，tn的浓度为4.9mg/l，tp的浓度为2.1mg/l。污水ph为9.1，电化学阳极ⅰ和电化学阴
极为tio2，涂层材料为二氧化钌，电化学阳极ⅱ为fe，水中的填料为多面空心球。
[0059]
经检测，本实施案例cod去除率达到63％，nh
3-n去除率达到82％，tn去除率达到63％，tp去除率达到76％。
[0060]
实施例7
[0061]
本实施例的钛铁双阳极/钛阴极电化学协同强化景观式生物-生态处理的装置同实施例1，不同之处在于：本实施案例g河流污水中，cod的浓度为42mg/l，nh
3-n的浓度为1.9mg/l，tn的浓度为3.7mg/l，tp的浓度为1.8mg/l。污水ph为8.3，电化学阳极ⅰ和电化学阴极材料为tio2，涂层材料为二氧化铅，电化学阳极ⅱ为fe，水中的填料为石英砂和epp(聚丙烯发泡粒子)，可按重量比1：1搭配。epp具有较强的吸附能力，石英砂耐冲击，两者协同式配合，材质稳定，耐酸碱、耐老化，使用寿命长，材质轻，耐冲击，并且是一组环境友好材料。
[0062]
经检测，本实施案例cod去除率达到66％，nh
3-n去除率达到75％，tn去除率达到60％，tp去除率达到69％。
[0063]
实施例8
[0064]
本实施例的钛铁双阳极/钛阴极电化学协同强化景观式生物-生态处理的装置同实施例1，不同之处在于：本实施案例h河流污水中，cod的浓度为29mg/l，nh
3-n的浓度为2.7mg/l，tn的浓度为6.1mg/l，tp的浓度为1.6mg/l。污水ph为7.9，电化学阳极ⅰ和电化学阴极材料为tio2，涂层材料为二氧化铅，电化学阳极ⅱ为fe，水中的填料为陶瓷填料。
[0065]
经检测，本实施案例cod去除率达到59％，nh
3-n去除率达到81％，tn去除率达到75％，tp去除率达到65％。
[0066]
实施例9
[0067]
本实施例的钛铁双阳极/钛阴极电化学协同强化景观式生物-生态处理的装置同实施例1，不同之处在于：本实施案例i河流污水中，cod的浓度为48mg/l，nh
3-n的浓度为3.1mg/l，tn的浓度为4.3mg/l，tp的浓度为2.3mg/l。污水ph为8.5，电化学阳极ⅰ和电化学阴极材料为tio2，涂层材料为二氧化锡，电化学阳极ⅱ为fe，水中的填料为epp和离子交换树脂。
[0068]
经检测，本实施案例cod去除率达到68％，nh
3-n去除率达到80％，tn去除率达到61％，tp去除率达到78％。
[0069]
实施例10
[0070]
本实施例的钛铁双阳极/钛阴极电化学协同强化景观式生物-生态处理的装置同实施例1，不同之处在于：本实施案例j河流污水中，cod的浓度为35mg/l，nh
3-n的浓度为2.4mg/l，tn的浓度为5.1mg/l，tp的浓度为1.9mg/l。污水ph为9.1，电化学阴极ⅱ与电化学阳极材料为tio2，涂层材料为二氧化锡，电化学阳极ⅱ为fe，水中的填料为活性炭和石英砂。
[0071]
经检测，本实施案例cod去除率达到64％，nh
3-n去除率达到82％，tn去除率达到59％，tp去除率达到72％。
[0072]
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。