水处理装置
阅读说明：本技术 水处理装置 (Water treatment device ) 是由 井芹宁 郝爱民 黄先锋 小林草平 夏冬 刘冰 赵晗彬 陈剑鹰 赵敏 于 2021-05-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种水处理装置,其包括：具备设置有阴极的阴极室和设置有阳极的阳极室的电解槽、用于向阴极室和阳极室导入原水的原水导入部、用于排出酸性电解水的酸性电解水排出部、用于排出碱性电解水的碱性电解水排出部、用于排出阴极室内所产生的气体的阴极排气口、以及用于排出阳极室内所产生的气体的阳极排气口,其中,阴极和阳极均形成为中空柱形。通过上述水处理装置,不仅可以在去除蓝藻时不破坏细胞壁,还可以有效抑制蓝藻的生长,而且,也可以抑制蓝藻毒素、蓝藻异味物质的产生。(The present invention provides a water treatment apparatus, comprising: the electrolytic cell comprises a cathode chamber provided with a cathode and an anode chamber provided with an anode, a raw water inlet for introducing raw water into the cathode chamber and the anode chamber, an acidic electrolyzed water outlet for discharging acidic electrolyzed water, an alkaline electrolyzed water outlet for discharging alkaline electrolyzed water, a cathode exhaust port for discharging gas generated in the cathode chamber, and an anode exhaust port for discharging gas generated in the anode chamber, wherein the cathode and the anode are both formed in hollow cylindrical shapes. By the water treatment device, the cell wall is not damaged when the blue algae is removed, the growth of the blue algae can be effectively inhibited, and the generation of blue algae toxin and blue algae peculiar smell substances can be inhibited.)
技术领域
本发明涉及水处理装置，尤其涉及防止和去除水库、湖泊或河流等中的蓝藻、蓝藻毒素、蓝藻异味物质的水处理装置。
背景技术
目前，水体富营养化已成为一个严重影响水质的环境问题，能够引起水质污染，破坏生态环境。其中，蓝藻水华是水体富营养化的一个重要特征。蓝藻也称为蓝细菌(Cyanobacteria)，蓝藻能产生一系列毒性很强的天然毒素(蓝藻毒素，cyanotoxin)和异味物质危及人类的健康。当水库、湖泊或河流中蓝藻大量繁殖而形成水华时，给人类带来很大危害。
现有的去除蓝藻的技术主要分为物理处理技术和化学处理技术，物理去除蓝藻技术主要是通过从喷嘴喷射加压的水来进行物理处理，化学去除蓝藻技术主要是通过将化学物质溶解于水中并使其与蓝藻发生作用。
发明内容
当通过上述的现有技术来去除蓝藻时，蓝藻的细胞壁容易破裂，导致蓝藻的细胞内的毒素(例如，微囊藻毒素)流出，不仅给水体带来二次污染，也无法成为其他水生动物的食物。
此外，许多藻类利用二氧化碳(CO2)作为光合作用的碳源。除了二氧化碳气体之外，蓝藻还可以利用碳酸氢离子(HCO3 -)。如果在水库、湖泊或河流等的表层蓝藻异常增殖，则pH上升，二氧化碳气体成为碳酸氢离子或碳酸离子(CO3 2-)，蓝藻以外的藻类不能利用二氧化碳作为碳营养盐，因此蓝藻以外的藻类的增殖受到抑制。由于蓝藻的竞争藻类的增殖受到抑制，因此导致仅蓝藻优势性增殖。
下述式1表示二氧化碳在水中的反应。
[式1]
上述式1中，左侧是酸性环境，右侧是碱性环境。
如果利用酸性离子水降低pH，使上述公式向左侧移动，以增加碳酸气体的比例，则可以促进作为蓝藻的竞争藻类的绿藻类、硅藻类及其他光合藻类的增殖，进而可以防止蓝藻的优先增殖。
进一步地，如果能够改善成为蓝藻产生的原因的水底层的贫氧化，则可以有效抑制蓝藻的生长。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种水处理装置，其不仅可以在去除蓝藻时不破坏细胞壁，还可以有效抑制蓝藻的生长，而且，也可以抑制蓝藻毒素、蓝藻异味物质的产生。
本发明提供一种水处理装置，其包括：电解槽，包括阴极室和阳极室，所述阴极室内设置有阴极，所述阳极室内设置有阳极；原水导入部，分别与所述阴极室和阳极室相连，向所述阴极室和所述阳极室导入原水；碱性电解水排出部，与所述阴极室相连，用于排出碱性电解水；酸性电解水排出部，与所述阳极室相连，用于排出酸性电解水，阴极排气口，设置于所述阴极室的上部，用于排出所述阴极室内所产生的气体；以及阳极排气口，设置于所述阳极室的上部，用于排出所述阳极室内所产生的气体，其中，所述阴极和所述阳极均形成为中空柱形。
可选的是，所述阴极和所述阳极的截面形状是圆形、椭圆形或多边形。
可选的是，所述阴极和所述阳极是表面上涂布有导电性材料的多层结构、或者由导电性材料构成的单层结构，所述导电性材料是石墨、超导碳、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯、碳纳米、钛、锌、锡、锂、银、钯、铂、金中的至少一种。
可选的是，所述原水是含有蓝藻、蓝藻毒素、蓝藻异味物质中至少一种的液体。
通过上述水处理装置，可以充分电解原水中的电解质成分，以生成酸性电解水和碱性电解水。所生成的酸性电解水可以直接排出到水库、湖泊或河流等的表层的蓝藻，以不破坏细胞壁的方式杀灭蓝藻，可以有效抑制蓝藻的生长，还可以抑制蓝藻毒素、蓝藻异味物质法人产生。而且，上述水处理装置还可以将水分子分解成氢气和氧气，氢气可以作为原料来回收使用，氧气可以混入到成为在还原环境下磷酸等被离子化并给蓝藻带来营养的原因的底层贫氧水域的曝气空气中，因此与现有的曝气技术相比，可以有效提供氧气，以更好抑制蓝藻的生长。
可选的是，上述水处理装置还可以包括：阴极导水板，设置在阴极室内，并形成为围绕所述中空柱形的阴极，用于使所述阴极室内的液体沿着所述阴极导水板而上下回流；以及阳极导水板，设置在阳极室内，并形成为围绕所述中空柱形的阳极，用于使所述阳极室内的液体沿着所述阳极导水板而上下回流。
可选的是，所述阴极导水板的形状与所述阴极的形状相对应，所述阳极导水板的形状与所述阳极的形状相对应。
通过上述水处理装置的导水板，可以在阴极室或阳极室内形成上下方向的回流，以进一步充分电解阴极室或阳极室内的电解质成分和水分子，并可以将阴极或阳极附近产生的气体更有效地引导到阴极室或阳极室的上方。
可选的是，上述水处理装置还可以包括：阴极气液分离板，设置在所述阴极室内的所述阴极的上方与所述阴极排气口之间，阻挡向所述阴极排气口流动的气液并使其分离为液体和气体；以及阳极气液分离板，设置在所述阳极室内的所述阳极的上方与所述阳极排气口之间，阻挡向所述阳极排气口流动的气液并使其分离为液体和气体。
可选的是，所述阴极气液分离板设置在所述阴极导水板的上方与所述阴极排气口之间，并形成为其垂直投影覆盖所述阴极导水板的垂直投影范围，所述阳极气液分离板设置在所述阳极导水板的上方与所述阳极排气口之间，并形成为其垂直投影覆盖所述阳极导水板的垂直投影范围。
可选的是，所述阴极气液分离板与所述阳极气液分离板是分体形状或彼此相连的一体形状。
通过上述水处理装置的气液分离板，不仅可以与导水板一同形成上下方向的回流，还可以有效地进行气液分离，以更有效地回收分别在阴极室或阳极室内生成的气体。
可选的是，在上述水处理装置中，在所述电解槽内，在所述阴极室与阳极室之间设置有隔膜，所述隔膜允许离子在所述阴极室与所述阳极室之间流动，而不允许水分子在所述阴极室与所述阳极室之间流动。
通过上述隔膜，可以在阴极室和阳极室内分别形成一个独立的回流系统。这样，不仅可以在阴极室和阳极室内电解生成更多的碱性和酸性电解水，还可以更好地回收阴极附近产生的氢气和阳极附近产生的氧气。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的水处理装置的结构示意图；
图2是本发明的第一实施方式的阴极和阳极的截面结构的一个示例；
图3是本发明的第二实施方式的水处理装置的结构示意图；
图4是本发明的第二实施方式的阴极导水板和阳极导水板的截面结构的一个示例；
图5是本发明的第三实施方式的水处理装置的结构示意图；
图6是本发明的第四实施方式的水处理装置的结构示意图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。此外，在以下的说明中，以本实施方式涉及的水处理装置用于水库、湖泊或河流等为例进行说明，但本发明不限于此。例如，可以应用于沼泽地、海水、汽水(又称为半海水)、污水等各种水类。另外，本发明不受以下实施方式的限定。
以下，参照图1和图2，对本发明的第一实施方式进行说明。图1是本发明的第一实施方式的水处理装置的结构示意图。
如图1所示，第一实施方式的水处理装置具备电解槽10、原水导入部20、碱性电解水排出部30、酸性电解水排出部40、阴极排气口50和阳极排气口60。电解槽10具有阴极室110和阳极室120，在阴极室110内设置有阴极111，在阳极室120内设置有阳极121。
原水导入部20的一端通过如泵等而与外部连接，以从外部向电解槽10内导入原水，另一端通过分支结构而分别与阴极室110和阳极室120连接，以将原水分别导入到阴极室110和阳极室120内。原水导入部20可以设置在电解槽10的壁部的任何位置，只要能够将外部的原水导入到阴极室110和阳极室120即可。作为一个示例，原水导入部20可以设置在电解槽10的下方。此时，原水可以在电解槽10内上下方向流动，容易流动到阴极与阳极之间，因此可以对原水中所含的电解质进行有效电解。这样，可以从原水得到酸性电解水和碱性电解水。
碱性电解水排出部30的一端与阴极室110连接，另一端与如导管等排水装置相连。用户可以通过碱性电解水排出部30，将碱性电解水排出到表层水域下方的低层水域中，以中和水库、湖泊或河流等的底部区域的容易溶出磷酸根离子等的低pH值，由此可以将pH值提高到中性附近，例如6～7，并且可以提供将磷酸固定化的阳离子，由此可以抑制磷酸盐的溶出，阻挡微囊藻属的浮游生物的增殖，从而达到水净化的目的。
酸性电解水排出部40的一端与阳极室120连接，另一端与导管等排水装置相连。用户可以通过酸性电解水排出部40，将酸性电解水排出到蓝藻容易生长的水库、湖泊或河流等的表层，以杀灭蓝藻。而且，由于酸性电解水可以降低pH值，可以使前述式1向左侧移动，增加碳酸气体的比例，可以促进作为蓝藻的竞争藻类的绿藻类、硅藻类及其他光合藻类的增殖，进而可以有效防止蓝藻的优先增殖，进而也可以防止蓝藻毒素、蓝藻异味物质的产生。
在本实施方式中，阴极111和阳极121均形成为中空柱形，其截面形状是圆形、椭圆形或多边形，优选的是，所述多边形是圆形或正多边形。阴极111和阳极121可以是一体形成的电极，也可以是由多个电极片构成电极片组。阴极111和阳极121的截面形状可以相同，也可以不同。阴极111和阳极121的高度可以相同，也可以不同。阴极111和阳极121的材料可以相同，也可以不同。
图2示出了阴极111和阳极121均由四个电极片构成的示例。由于阴极111和阳极121均采用中空柱形，可以在阴极室110内容易从水分子生成氢气，并且可以在阳极室120内容易从水分子生成氧气。
阴极室110内所生成的氢气向上方移动，通过设置于阴极室110上部的阴极排气口50排出到外部。这些氢气可以作为燃料电池等的燃料而回收利用。
阳极室120内所生成的氧气向上方移动，通过设置于阳极室120上部的阳极排气口60排出到外部。具体地，这些氧气可以混入到成为在还原环境下磷酸等被离子化并给蓝藻带来营养的原因的底层贫氧水域的曝气空气中，因此与现有的曝气技术相比，可以有效提供氧气，以更好抑制蓝藻的生长，进而可以抑制蓝藻毒素、蓝藻异味物质的产生。
接着，参照图3和图4，对本发明的第二实施方式进行说明。在第二实施方式的水处理装置的结构中，与第一实施方式的水处理装置的结构相同的内容省略说明。
图3是本发明的第二实施方式的水处理装置的结构示意图。第二实施方式的水处理装置与第一实施方式的水处理装置的不同点在于，还可以包括阴极导水板112和阳极导水板122。
如图3所示，阴极导水板112设置在阴极室110内，并形成为围绕所述中空柱形的阴极111，阳极导水板122设置在阳极室120内，并形成为围绕所述中空柱形的阳极121。
在阴极室110内，液体可以沿着阴极导水板112而上下回流，具体地，可以在阴极导水板112内将液体从下往上引导，引导至阴极导水板112的上方之后，在阴极导水板112的外部，从上往下流动。通过这个回流，更多的电解质流动到阴极111与阳极121之间，进而，可以更充分有效地分解电解质。而且，由于阴极导水板112设置在阴极111的外部、且引导阴极导水板112内的液体从下往上流动，因此可以更有效地将阴极111附近生成的氢气带到阴极室110的上方，从而更有利于有效回收阴极室110内生成的氢气。
同样，在阳极室120内，液体可以沿着阳极导水板122而上下回流，具体地，可以在阳极导水板122内将液体从下往上引导，引导至阳极导水板122的上方之后，在阳极导水板122的外部，从上往下流动。通过这个回流，更多的电解质流动到阴极111与阳极121之间，进而，可以更充分有效地分解电解质。而且，由于阳极导水板122设置在阳极121的外部、且引导阳极导水板122内的液体从下往上流动，因此可以更有效地将阳极121附近生成氧气带到阳极室120的上方，从而更有利于有效回收阳极室120内生成的氧气。
阴极导水板112和阳极导水板122的截面形状可以是任意形状，可以相同，也可以不相同。优选的是，阴极导水板112的截面形状与阴极111的截面形状相对应，阳极导水板122的截面形状与阳极112的截面形状相对应。图4示出了阴极导水板112和阳极导水板122的截面形状分别与阴极111和阳极112的截面形状相对应的一个示例。
阴极导水板112和阳极导水板122的高度可以相同，也可以不相同。阴极导水板112与阴极111的高度可以相同，也可以不相同，但优选的是阴极导水板112与阴极111的高度大致相同。阳极导水板122与阳极121的高度可以相同，也可以不相同，但优选的是阳极导水板122与阳极121的高度大致相同。
优选的是，阴极导水板112的形状与阴极111的形状相对应，阳极导水板122的形状与阳极121的形状相对应。通过这样的结构，可以更好地进行包含阴极111内液体的阴极导水板112内液体的回流，也可以更好地进行包含阳极121内液体的阳极导水板122内液体的回流，从而可以更充分有效地分解电解质，并将所生成的气体分别带到阴极室110和阳极室120的上方。
接着，参照图5，对本发明的第三实施方式进行说明。在第三实施方式的水处理装置的结构中，与第二实施方式的水处理装置的结构相同的内容省略说明。
图5是本发明的第三实施方式的水处理装置的结构示意图。第三实施方式的水处理装置与第二实施方式的水处理装置的不同点在于，还可以包括阴极气液分离板113和阳极气液分离板123。
如图5所示，阴极气液分离板113设置在阴极室110内的阴极111的上方与阴极排气口50之间，阻挡向阴极排气口50流动的气液并使其分离为液体和气体。阳极气液分离板123设置在阳极室120内的阳极121的上方与阳极排气口60之间，阻挡向阳极排气口60流动的气液并使其分离为液体和气体。
在本实施方式中，对于阴极气液分离板113和阳极气液分离板123的形状没有特别限制，可以是任何形状。但优选的是，阴极气液分离板113设置在阴极导水板112的上方与阴极排气口50之间，并形成为其垂直投影覆盖阴极导水板112的垂直投影范围；阳极气液分离板123设置在阳极导水板122的上方与阳极排气口60之间，并形成为其垂直投影覆盖阳极导水板122的垂直投影范围。
在阴极室110内，包含阴极111内液体的阴极导水板112内液体可以沿着阴极导水板112而从下往上流动，并在阴极气液分离板113处向周围扩散，并沿着阴极室110的壁部从上往下流动，由此可以更好地形成回流。一方面，通过这样的回流，更多的电解质会被引导至阴极111与阳极121之间，可以分解生成更多的碱性电解水，以用于中和水库、湖泊或河流等的底部区域的容易溶出磷酸根离子等的低pH值，由此可以将pH值提高到中性附近，从而抑制磷酸盐的溶出，阻挡微囊藻属的浮游生物的增殖，从而达到水净化的目的。另一方面，通过这样的回流，阴极111附近产生的氢气会被更好地引导至阴极气液分离板113的附近，并沿着阴极气液分离板113的壁部而移动到阴极排气口50，并通过阴极排气口50排出到外部，可以作为燃料电池等的燃料而回收利用。
同样，在阳极室120内，包含阳极121内液体的阳极导水板122内液体可以沿着阳极导水板122而从下往上流动，并在阳极气液分离板123处向周围扩散，并沿着阳极室120的壁部从上往下流动，由此可以更好地形成回流。一方面，通过这样的回流，更多的电解质会被引导至阴极111与阳极121之间，可以分解生成更多的酸性电解水，以杀灭蓝藻，并且，由于酸性电解水可以降低pH值，可以增加碳酸气体的比例，可以促进作为蓝藻的竞争藻类的绿藻类、硅藻类及其他光合藻类的增殖，进而可以有效防止蓝藻的优先增殖，还可以抑制蓝藻毒素、蓝藻异味物质法人产生。另一方面，通过这样的回流，阳极121附近产生的氧气会被更好地引导至阳极气液分离板123的附近，并沿着阳极气液分离板123的壁部而移动到阳极排气口60，并通过阳极排气口60排出到外部，具体地，这些氧气可以混入到成为在还原环境下磷酸等被离子化并给蓝藻带来营养的原因的底层贫氧水域的曝气空气中，以更好抑制蓝藻的生长，进而抑制蓝藻毒素、蓝藻异味物质的产生。
阴极气液分离板113与阳极气液分离板123可以是分体形状或彼此相连的一体形状，可以根据需要设计。
接着，参照图6，对本发明的第四实施方式进行说明。在第四实施方式的水处理装置的结构中，与第三实施方式的水处理装置的结构相同的内容省略说明。
图6是本发明的第四实施方式的水处理装置的结构示意图。第四实施方式的水处理装置与第三实施方式的水处理装置的不同点在于，还可以在阴极室110与阳极室120之间具有隔膜130。
在本发明中，电解槽10内的阴极室110和阳极室120可以是连通的，也可以是不连通的。图6示出了电解槽10内的阴极室110与阳极室120之间设置有隔膜130的一个示例。该隔膜130可以是透水膜，以在阴极室110与阳极室120之间仅仅交换离子，而不交换水。
通过这样的结构，可以在阴极室110和阳极室120内分别形成一个独立的回流系统。这样，一方面，可以在阴极室110内电解生成更多的碱性电解水，以用于中和水库、湖泊或河流等的底部区域的容易溶出磷酸根离子等的低pH值；另一方面，可以更好地回收阴极111附近产生的氢气。同样，一方面，可以在阳极室120内电解生成更多的酸性电解水，以杀灭蓝藻；另一方面，可以更好地回收阳极121附近产生的氧气。
为了更好地说明本发明的效果，本申请的发明人使用本发明的第四实施方式的水处理装置进行了温州市污染河流的净化。
首先，将来自温州市污染河流的水放入500毫升的烧杯中，并在烧杯中安装一个设备，以监测处理前后的变化。该设备使用兆鑫公司制造的KPS-3005D充电设备，两个电极均使用3厘米见方的钛电极，两个电极之间的距离设置为5厘米，在电极的中部使用2毫米压力纤维水流膜。电极制成正极和负极，并在侧面分为处理水区域。过电压是在20V和0.14A的条件下处理的。
然后，在25℃下，将本实验中所生成的氧气混入到曝气空气中，并测量混入上述实验中所生成的氧气的混入前后的测试结果。实验中，曝气量是1L/分，水量为10L。表1表示曝气0、5、10分钟后的水中含氧量，单位是mg/L。
[表1]
为了表明本申请技术的蓝藻抑制效果，向蓝藻、绿藻和硅藻混合10L水中，以1mL/min的流量向该水面添加30分钟的本申请中生成的酸性电解水。每天进行一次添加。比较5天后每种藻类的比例。此时，蓝藻、绿藻和硅藻的培养条件均为在3000Lux 24hr、20℃。表2是其实验结果。
[表2]
上述表1和表2表明，本发明的水处理装置可以充分电解原水中的电解质成分，以生成酸性电解水和碱性电解水，所生成的酸性电解水不仅可以以不破坏细胞壁的方式杀灭蓝藻，还可以有效抑制蓝藻的生长。而且，上述水处理装置还可以将水分子分解成氢气和氧气，氢气可以作为原料来回收使用，氧气可以混入到成为在还原环境下磷酸等被离子化并给蓝藻带来营养的原因的底层贫氧水域的曝气空气中，因此与现有的曝气技术相比，可以有效提供氧气，以更好抑制蓝藻的生长。
在上述的第一至第四实施方式中，阴极111和阳极121可以是表面上层涂布有导电性材料的多层结构、或者由导电性材料构成的单层结构，所述导电性材料是石墨、超导碳、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯、碳纳米、钛、锌、锡、锂、银、钯、铂、金中的至少一种。
此外，在上述的第一至第四实施方式中，还可以在阴极室110和阳极室120中的至少一个中设置pH传感器。可以预先设定阴极室110和/或阳极室120的碱性和/或酸性的pH阈值，当阴极室110和/或阳极室120的pH值超过阈值时，将电解水排出到外部。
进一步地，在上述的第一至第四实施方式中，还可以在阴极室110和阳极室120中的至少一个中设置水位传感器。通过设置水位传感器，不仅可以监测阴极室110和/或阳极室120的水位，还可以监测阴极室110和/或阳极室120内的液体是否流入到阴极气液分离板113和/或阳极气液分离板123上方，从而影响气液分离板的效果。
需要说明的是，在本发明的上述描述中，以一个电解槽具有一个阴极室和一个阳极室为例进行了说明，但可以是一个电解槽具有多个阴极室和一个阳极室，也可以是一个电解槽具有一个阴极室和多个阳极室，也可以是一个电解槽具有多个阴极室和多个阳极室。
另外，在本发明的描述中，以一个电解槽为例进行了说明，但可以并联、串联、并联和串联的结合来连接多个电解槽，以更有效进行电解质成分和水分子的电解。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“中央”、“上”、“下”、“前”、“后”、“上下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，本发明并不限于上述的实施方式，在不脱离主旨的范围内能够进行适当变更。上述的各个实施方式包含实质上相同的方式，也可以适当地组合。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。