一种基于弱电场快速回收磷酸盐的装置及方法与流程

1.本发明涉及有机污染物处理技术领域，尤其涉及一种基于弱电场快速回 收磷酸盐的装置及方法。


背景技术：

2.水体的富营养化造成水中藻类大量繁殖，溶解氧锐减，严重破坏了水体 的生态环境，威胁水生生物的生存和人类的健康。水体富营养化污染已成为 目前世界各国所共同面临的重大问题。富营养化污染的主要原因是由于排入 水体中的有机物、氮磷等营养物质过多所致。研究表明，多数富营养化水体 的控制因素为磷，因此，受污染水体中对磷的去除尤为重要。
3.通常除磷的方法主要包括化学法和生物法。生物法除磷是基于聚磷菌在 好氧及厌氧条件下，摄取和释放磷的原理，通过好氧和厌氧的交替运行来实 现除磷。水体中的磷被聚磷菌摄取后，以剩余活性污泥的形式沉淀在水底， 然后通过排出剩余活性污泥形成固废再处理。化学除磷主要是指应用铁盐、 铝盐和石灰等产生的金属离子与磷酸根生产难溶的磷酸盐沉淀物的方法来 去除水体中的磷。但是不论是采用生物除磷还是化学处理，都是形成沉淀物 然后再对沉淀物进行处理，这个在污水处理厂或者专门的污水处理设施中能 很容易做到，但在自然水体、受污染的河道、湖泊、景观水体等自然生态水 体是很难做到的，尤其是像污水处理厂运行方式的生物法。现在常用的做法 就是采用清淤的方式，或者先采用化学沉淀法沉淀后，再作清淤处理，这种 方法从某一程度来讲也是可以的，但是该过程是一个“沉淀—溶解”的平衡反 应，一方面，水体中的碱度造成部分金属氢氧化物沉淀，消耗一部分化学试 剂；另一方面，为达到较低的磷离子浓度，必须保持水体中较高的金属离子 浓度。由于微小沉淀颗粒准平衡现象，造成表观溶度积大大提高真实溶度积， 为了达到磷酸盐沉淀的形成的条件，需要投加的金属离子沉淀剂的浓度往往 大于正常溶度积1～2个数量级，因此产生的费用很高，施工周期长，施工过 程中对周边的环境影响也很大，采用的化学药剂也会产生二次污染，水体中 残留的金属离子浓度(如铁离子)也较高，超标的金属离子浓度可能还会对 水体中的生物产生慢性毒害作用，如果不及时进行清淤处理，那么沉淀下来 的磷化合物会“脱稳”现象，再次溶解于水体中，造成恶性循环。因此，各地 方都严格禁止向自然生态水体中投加化学试剂。
4.河道、胡泊、景观水体、鱼塘等自然水体中磷元素在水体中以正磷酸盐、 聚磷酸盐和有机磷的形式存在，在水体中的聚磷酸盐和有机磷也会在微生物 的作用下逐渐转化为正磷酸盐的形式存在。在对富营养化的污染水体进行治 理时，水体中的有机物在微生物的生命活动和代谢的作用下进行降解，以 co2的形式进行释放，氮元素则在微生物的作用下以n2的形式从水体中释 放，唯有磷元素不能以气体的方式从受污染的水体中释放出去。目前比较常 用的办法就是采用种植水生植物，饲养水生动物如鱼类等进行逐步削减，所 耗费的时间较长，而且还和气温、季节等因素密切相关。因此，要想快速治 理好受污染水体，恢复水生态环境，就需要快速削减受污染水体中磷的含量。
5.生物法和化学法各有有缺点，但是不适合用于河道、湖泊、水库、景观 水体等具有自然水体生态性质水体中，更不能进行磷元素的回收。而吸附法 除磷，从一定程度上弥补了以上方法不不足。吸附法作为一种从低浓度溶液 中去除特定溶质的高效低耗方法，特别适用于废水中有害物质的去除。利用
ꢀ“
吸附—解吸”方法可以达到消除磷污染和回收磷的双重目的。
6.利用吸附剂提供大比表面积，通过磷在吸附剂表面的附着吸附、离子交 换或表面沉淀过程，实现磷从水体中的分离，进一步通过解吸处理就可以回 收磷资源，变废为宝。现有的吸附剂主要有：
①
粘土矿物、天然材料及废渣， 如高岭土、天然沸石、粉煤灰等；
②
活性金属氧化物及其改性物质，如多孔 性氧化铝；
③
硅基介孔分子筛；
④
离子交换树脂等。这些吸附剂各有优点， 但是使用方法类似如：
①
建立吸附装置，需要安装管道、架设管道等吸附基 础建设；
②
需要将受污染的水采用动力设备输送到所建设的基础设备内进行 吸附；
③
需要在不同地点架设抽水管道进行抽水；
④
需要将需处理的水体的 污水逐步抽至吸附设施中处理，等等。
7.可见，无论是生物法、化学法，还是吸附法，都具有一定的缺陷。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种基于弱电场快速回收磷酸盐的装置及方法， 以弥补现有技术的不足。
9.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
10.本发明提供了一种基于弱电场快速回收磷酸盐的装置，包含电源、阴极、 阳极、粗过滤层、细过滤层、吸附层和吸附设备；
11.所述阳极位于吸附设备内部，所述吸附层与吸附设备外壁接触，所述细 过滤层位于粗过滤层和吸附层之间。
12.优选的，所述阳极与电源的阳极相连，所述阴极包含两个，与电源的阴 极相连。
13.优选的，所述粗过滤层的过滤精度为100～150μm，所述细过滤层的过 滤精度为30～50μm，所述吸附层中包含粘土矿物、高岭土、天然沸石、粉 煤灰、多孔性氧化铝、硅基介孔分子筛和离子交换树脂中的一种或几种。
14.优选的，所述阴极为石墨电极、钛电极、包覆钌铱涂层的电极、铁电极 或铝电极，所述阳极为石墨电极、钛电极或包覆钌铱涂层的电极。
15.优选的，所述阳极为中空且多孔的结构。
16.本发明还提供了利用所述装置基于弱电场快速回收磷酸盐的方法，包含 如下步骤：
17.将装置组装完毕后，通电，进行磷酸盐的回收。
18.优选的，所述阴极与吸附设备之间的距离为0.5～5米。
19.优选的，所述通电的电压为5～12v，电流为10～30ma。
20.本发明的原理为：
21.开启电源后，水体中的h2po
4-、hpo
42-等阴离子就会向阳极移动，此时 必然穿过吸附层，则h2po
4-、hpo
42-就会被吸附到吸附层所填充的吸附材料 中，水体中其他区域的h2po
4-、hpo
42-会随着处理区域离子浓度的降低，扩 散至处理区域中，因此可以实现不移动
处理。同时阳离子也会向阴极移动， 在阴阳两极发生其他电化学反应：
22.阳极：2oh-→
2[o] 2e
→
o2↑
2e
[0023]
阴极：2h

2e
→
2[h]
→
h2↑
[0024]
在阳极产生的活性氧和阴极产生的活性氢都能氧化水体中的有机物，对 水体中的有机物进一步的降解。
[0025]
本发明提供的装置可以直接放在水体中，通上电流调整好电压和电流就 可以，可以实现24小时处理，还能实现无人值守。若现场无法连接电源， 可以采用太阳能供电系统，直接在现有设备上加上即可，即经济又环保。
[0026]
待吸附材料饱和后，可用再生剂对吸附材料进行解析，水体中的磷酸根 离子就会解析出来回收利用，吸附材料可再次使用。
附图说明
[0027]
图1为基于弱电场快速回收磷酸盐的装置的俯视图；
[0028]
图2为基于弱电场快速回收磷酸盐的装置的剖视图；
[0029]
其中，1-粗过滤层；2-细过滤层；3-吸附层；4-吸附设备。
具体实施方式
[0030]
本发明提供了一种基于弱电场快速回收磷酸盐的装置，包含电源、阴极、 阳极、粗过滤层、细过滤层、吸附层和吸附设备；
[0031]
所述阳极位于吸附设备内部，所述吸附层与吸附设备外壁接触，所述细 过滤层位于粗过滤层和吸附层之间。
[0032]
在本发明中，所述阳极与电源的阳极相连，所述阴极包含两个，与电源 的阴极相连；所述电源为恒流电源。
[0033]
在本发明中，所述粗过滤层主要是阻挡水体中细小的悬浮物，过滤精度 为100～150μm，优选为120～130μm；所述细过滤层主要是阻挡水体中的较 大的胶体类的物质，过滤精度为30～50μm，优选为35～45μm；所述吸附层 中包含粘土矿物、高岭土、天然沸石、粉煤灰、多孔性氧化铝、硅基介孔分 子筛和离子交换树脂中的一种或几种，优选为大孔径强碱性阴离子交换树 脂。
[0034]
在本发明中，所述阴极为石墨电极、钛电极、包覆钌铱涂层的电极、铁 电极或铝电极，所述阳极为石墨电极、钛电极或包覆钌铱涂层的电极。
[0035]
在本发明中，所述阳极为中空且多孔的结构；若需要对水体进行更加快 速处理，尤其是河道、胡泊等水域面积比较宽广的区域的处理，可将该装置 放入两只小船之间，随着小船缓慢移，增加处理的水域。另外还可以把阳极 做成中空，并在阳极不同位置的表面钻上小孔，使穿过吸附层的水能流入阳 极内部，在阳极内部设置抽水管道，将阳极内部的水不断抽出，此时，处理 的水就不断穿过吸附层，加强了水体的流动性，同时加强对磷酸根的吸附速 率。
[0036]
本发明还提供了利用所述装置基于弱电场快速回收磷酸盐的方法，包含 如下步骤：
[0037]
将装置组装完毕后，通电，进行磷酸盐的回收。
[0038]
在本发明中，所述阴极与吸附设备之间的距离为0.5～5米，优选为2～3 米。
[0039]
在本发明中，所述通电的电压为5～12v，优选为8～10v；电流为 10～30ma，优选为15～25ma。
[0040]
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把 它们理解为对本发明保护范围的限定。
[0041]
实施例1
[0042]
在两个1m3容器中，各加入800l鱼塘水，分别放入图1所示设备，吸 附材料选用大孔径强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，其中不通电的为对照 组，通电的为快速处理装置，将通电装置的电压调至5v，电流控制在10ma， 每2小时测一次数据，原水数据为codcr为58.43mg/l，总磷为12.91mg/l 数据如下表1所示：
[0043]
表1：水处理过程物质含量变化表
[0044][0045]
由表1可知，在通电情况下，利用本实施例所述方法对磷的吸附效果明 显高于对照组，而且codcr也不断的降低。
[0046]
实施例2
[0047]
在一水体总量约260m3的闭合景观水体中，放置处理量为20m3/d的该 小型快速处理设备。将通电装置的电压调至6v，电流控制在12ma，每3 天测一次数据，原水数据为codcr为75.66mg/l，总磷为5.72mg/l数据如 下表2所示：
[0048]
表2：闭合景观水体处理过程物质含量变化表
[0049]
时间codcr(mg/l)总磷(以p计，mg/l)第3天67.384.51第6天62.143.28第9天54.902.03第12天47.310.95
[0050]
由表2的数据可知，在使用12之后，闭合景观水体中codcr去除率达 到37.47％，总磷去除率达到83.39％，去除效率特别很明显，防止景观水体 发臭、发黑的现象出现。
[0051]
实施例3
[0052]
在一1.5亩的鱼塘中放置处理量处理量为30m3/d的快速处理装置。将通 电装置的电压调至10v，电流控制在20ma。鱼塘的水量约1200m3，因鱼塘 每日需要投喂饲料，在处理前对鱼塘进行每隔2天采样一次，连续采样5次， 观察codcr和总磷的变化，数据如表3所示：
[0053]
表3：鱼塘处理前后水质变化情况
[0054][0055][0056]
由表3所示，因每日投加饲料喂鱼导致鱼塘中的codcr和总磷缓慢上升， 因鱼塘中具备曝气设施，因此codcr上升较为缓慢。放置该快速处理装置后， codcr和总磷出现下降的趋势，尤其是总磷的下降幅度，经过12天的处理，去 除率达到25.18％，这还是在不断投加饲料喂鱼的情况下，鱼饲料中含有一定比 例的磷元素，因此实际效果更明显。通过该装置对养鱼鱼塘进行处理，可以明 显削减总磷的产生量，对该地区河道、湖泊、水库等自然水体的保护是起到举 足轻重的作用。
[0057]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润 饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。