一种面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统的制作方法

专利名称:一种面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统，属于稻田排水净化领域。该系统在不施加外部能源的条件下自行催化降解稻田排水中低浓度的氨氮，降低稻田排水造成的面源污染风险，包括三个子系统：基于太阳能的发电和电能储存系统、稻田排水预处理系统和光催化反应器系统。发电和电能储存系统为光催化反应器系统提供洁净和持续的能源，将太阳能最终转化为紫外光辐射；稻田氨氮排水先进入预处理系统，去除植物残体和泥沙等影响光催化反应的物质；然后再进入光催化反应器系统，根据水质情况和水量大小，调节搅拌器转速和紫外灯强度，待氨氮浓度下降后通过排水阀排出，形成绿色环保的稻田氨氮污染水处理方法。
【专利说明】
一种面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种稻田排水净化系统，具体而言，是一种结合了太阳能和光催 化的面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统。
【背景技术】 [0002] 稻田排水
[0003] 近年来由于施肥过量、施肥结构不合理，使得大量氮元素输入江、河、湖泊，引起日 益严重的农业面源污染问题，导致水质恶化、加剧了水体富营养化。湖泊中氮来源有50%以 上来自于农业面源污染，如太湖地区，农业面源排放氮量占入湖总氮量的77%。稻作期农田 渗漏液中氮素流失主要以氨氮为主，约占渗漏水氮素流失量的70%以上，降低稻田排水中 的氨氮含量对降低农业面源污染有重要意义。由于稻田排水具有总量大、分布分散、间歇排 放等特点，对农村生态环境和民众健康构成潜在威胁。本实用新型针对的稻田排水，相比点 源污染、未处理的生活污水等污染源，其氮磷等含量较低，但由于分布广泛、产生量高，对水 体环境的负面影响也非常显著。稻田排水使用工程化措施处理经济性不高，特别是在排放 较为分散的农村地区，难以实现深度净化处理。因此，有必要针对稻田排水设置低成本的、 易维护的、环境友好的净化系统，以降低其氨氮含量，使稻田排水达到或接近地表水排放标 准，实现良好的生态与经济效益。
[0004] 光催化技术
[0005] 光催化是指光触媒在外界光的作用下发生催化作用。据报道，在适宜条件下，光催 化技术几乎能将所有类型的有机污染物矿化为C0 2，H20以及其他简单低分子物质。因此光催 化技术是一种绿色、高效、低能耗的水处理技术，对去除水中氨氮具有十分重要的意义。但 目前光催化技术在稻田排水中还少有应用，主要原因是成本和效率。光催化反应需要紫外 光进行作用，而太阳光的紫外线效率偏低，人造紫外灯需要额外的电力输入，田间通电困难 且成本较高。光催化技术存在光响应范围窄、量子转换效率低和光催化剂难以粉末化等限 制，一定程度上影响了该技术的推广。 【实用新型内容】
[0006] 为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种面向稻田排水低浓度氨氮 减排的光催化系统，结合太阳能技术和光催化技术，实现对稻田排水中的氨氮进行绿色、高 效的净化。通过本实用新型的面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统，可以实现绿色能源 转化、降低面源污染等目标，具有成本较低(一次性投入）、环境友好、应用面广泛等特点。
[0007] 为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：
[0008] -种面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统，利用太阳能发电系统将太阳能 转化为电能，转化的电能为光催化反应器系统供能，该系统分为三个子系统:基于太阳能的 发电和电能储存系统、稻田排水预处理系统和光催化反应器系统；
[0009] 第一个子系统为基于太阳能的发电和电能储存系统，包括太阳能发电系统和太阳 能电能储存系统；
[0010]第二个子系统为稻田排水预处理系统，在其前端设置格栅，格删后端连接稻田排 水预处理的容器，预处理的容器底部设有吸附剂层，预处理的容器高于光催化反应器系统；
[0011] 第三个子系统为光催化反应器系统，该系统分为光催化系统、搅拌系统和进出水 系统;光催化系统包括紫外灯;紫外灯由石英玻璃进行包裹，光催化反应器内壁采用反光材 料或镜面材料;搅拌系统的搅拌速度和紫外灯强度均为可调。
[0012] 光催化系统还包括催化材料，催化材料可以为现有的光催化剂，比如Ti02等材料， 催化材料放置于光催化反应器内。吸附剂层可以为现有的吸附材料，比如生物炭。
[0013] 更进一步地，发电和电能储存系统为光催化反应器系统提供洁净和持续的能源， 稻田排水预处理系统去除影响光催化反应的植物残体和泥沙等，光催化反应器系统作为主 要反应系统完成对稻田排水中氨氮的去除。
[0014] 第一个子系统通过太阳能电池板，将太阳能转化为电能，可直接驱动光催化反应 器系统，同时匹配电能储存系统(锂电池或铅蓄电池），对富余电能进行储存，在太阳光照不 足时（阴雨或夜晚），可继续为光催化反应器系统提供电源。所述太阳能发电系统，其太阳能 电池板面积〇.l-lm 2,太阳能电池板功率50-500W，工作电压5-80V，工作电流1-20A。所述太 阳能电能储存系统，采用锂电池或铅蓄电池，容量10_200Ah。
[0015] 第二个子系统的格栅，用于阻挡植物残体和大颗粒固体物质，格栅孔隙间隔为2-20mm;稻田排水预处理的容器可将稻田排水中的泥沙颗粒物等进行沉淀，避免泥沙进入后 面的光催化系统，影响光催化效果，预处理的容器体积为10-1000L，容器高于光催化反应器 系统50-150cm。工程改良生物炭包，添加于预处理容器底部，用于吸附和络合排水中的磷酸 根等多种离子，降低稻田排水中离子对光催化效果产生的影响。改良生物炭应负载了金属 元素?^111、1%、0 &、1^元素中的一种或多种元素，以强化其对于阴离子的硝酸根和磷酸根的 吸附去除效果。优选的，这里使用Mg改良生物炭装入炭包，作为吸附和促沉材料。
[0016] 第三个子系统中，光催化系统的核心部分是由紫外灯和特定纳米催化材料对稻田 排水中的氨氮进行催化消除。所述紫外灯的紫外线强度可根据稻田排水中氨氮浓度进行自 动控制调整，通过自动控制器，设定施肥后l-7d内的紫外线强度分别为100%(l-3d)，80% (4-5d)，60%(6-7d)。紫外线强度范围为：50-1000yW/cm 2。光催化系统设有水位测定器，可 以根据水位变化情况确定紫外灯的亮灯个数:在低水位的时候自动打开部分紫外灯;在高 水位（即排水流量较高)时自动打开全部的紫外灯。所述紫外灯采用石英玻璃进行包裹，石 英玻璃厚度5-100mm，石英玻璃需具备较好的透光能力，紫外线透过率70-100%。所述催化 反应器内壁采用涂布反光材料或镜面材料，包括内侧安装反光镜、使用镜面不锈钢材料、贝占 镜面金属纸箱、喷涂反光油漆等，反光率30%-100%。
[0017] 优选的，所述的纳米催化材料由生物炭负载Ti〇2纳米材料制成；纳米二氧化钛在 生物炭负载纳米二氧化钛催化材料中的质量比为1%_20%。
[0018] 作为优选方案，所述太阳能发电系统采用的太阳能电池板功率150W，工作电压 17.6乂，工作电流8.5八。
[0019] 作为优选方案，所述太阳能电能储存系统采用锂电池，其电能储存能力可维持光 催化系统运行6小时。
[0020] 作为优选方案，所述稻田排水预处理系统采用格栅对稻田排水进行过滤，格栅间 隔为10mm。
[0021]作为优选方案，所述光催化系统中选取Ti〇2作为纳米催化材料，生物炭负载二氧 化钛材料构成的特定纳米催化材料的加入量为0.5-10g/L，优选为1.0g · Γ1。加入量为生物 炭负载二氧化钛后的材料占反应液的质量体积比。
[0022]作为优选方案，所述光催化系统紫外灯的紫外线强度为200yW/cm2。
[0023] 作为优选方案，所述搅拌系统由太阳能发电和电能储存系统驱动，转速可手动调 节，转速为60r/min。
[0024] 作为优选方案，所述反应器内壁采用不锈钢材料，反光率为60 %。
[0025]前述的面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统的使用方法，稻田排水进入该系统 后，先由稻田排水预处理系统完成过滤、沉淀和吸附过程;然后进入基于特定纳米催化材料 的光催化反应器系统，根据进水量和水质情况，调节搅拌器转速，紫外灯的数量和紫外光强 度，对水体中的氨氮进行催化降解;待稻田排水氨氮含量下降后通过排水阀排出，同时根据 进水量调节排水阀，最终实现降低稻田排水中氨氮含量，减轻面源污染风险;所述的特定纳 米催化材料由生物炭负载Ti〇2纳米材料制成。
[0026] 在光催化反应器系统中，特定纳米催化材料的加入量为0.5-10g/L，光催化反应器 系统的反应液温度为10-50摄氏度。
[0027] 本实用新型提供了一种基于太阳能的面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统，结 合了太阳能技术和光催化技术，达到了环保、高效的稻田氨氮污染水净化效果。具体而言， 本实用新型实现以下有益效果：
[0028] 1)充分利用太阳能这种绿色能源，通过太阳能电池板，将太阳能转化为电能，可直 接驱动光催化反应器系统，同时匹配电能储存系统(锂电池或铅蓄电池），对富余电能进行 储存，在太阳光照不足时（阴雨或夜晚），可继续为光催化反应器系统提供电源。既解决了传 统稻田排水氨氮处理方法成本高的问题，也解决了光催化处理方法能源输入的问题，在不 增加额外成本、造成环境负效应的前提下完成对稻田排水中氨氮的处理。
[0029] 2)本实用新型使用的稻田排水预处理系统，集成了过滤、沉淀和吸附三种方法，对 稻田排水进行预处理，通过低成本、无公害的方法提高了后续光催化处理的效率。
[0030] 3)本实用新型使用的光催化处理方法，具有高效、低能耗的特点，匹配太阳能供电 系统后，可以达到一次投入，终身使用的效果。本实用新型通过降低稻田排水的氨氮浓度， 将其转化为无害的氮气，为农业环境治理提供一种值得推广的系统。
[0031] 4)本实用新型使用系统可调控，可针对水量大小和水质好坏调节搅拌器转速和紫 外灯强度，提高太阳能的使用效率，最大化氨氮去除效果。
[0032] 5)生物炭具有比表面积较大、表面官能团丰富、耐热耐酸碱、稳定性强等优点，且 成本较低、环境友好，与光催化材料结合形成的复合材料，将大大提高光催化效率。
[0033]综上，本实用新型提出的一种新型的面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系 统，实现了利用绿色能源降低污染，符合可持续发展的理念。
【附图说明】

[0034] 图1为面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统不同催化时间去除氨氮的效果；
[0035] 图2为面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统中催化剂浓度对氨氮去除效果的影 响；
[0036] 图3为面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统中反应液温度对氨氮去除效果的影 响；
[0037] 图4为面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统中反应液pH值对氨氮去除效果的影 响；
[0038] 图5为面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统对不同氨氮浓度反应液中氨氮的去 除效果；
[0039]图6为本实用新型的系统不意图。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合实施例对本实用新型作更进一步的说明。
[0041] -种面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统，利用太阳能发电系统将太阳能 转化为电能，转化的电能为光催化反应器系统供能，该系统分为三个子系统:基于太阳能的 发电和电能储存系统、稻田排水预处理系统和光催化反应器系统；
[0042] 第一个子系统为基于太阳能的发电和电能储存系统，包括太阳能发电系统和太阳 能电能储存系统；
[0043]第二个子系统为稻田排水预处理系统，在其前端设置格栅，格删后端连接稻田排 水预处理的容器，预处理的容器底部设有吸附剂，预处理的容器高于光催化反应器系统；
[0044] 第三个子系统为光催化反应器系统，该系统分为光催化系统、搅拌系统和进出水 系统;光催化系统包括紫外灯和催化材料;紫外灯由石英玻璃进行包裹，光催化反应器内壁 采用反光材料或镜面材料;搅拌系统的搅拌速度和紫外灯强度均为可调。
[0045] 所述太阳能发电系统，太阳能电池板面积0.1 - lm2，太阳能电池板功率50-500W，工 作电压5-80V，工作电流1-20A。
[0046]所述稻田排水预处理系统，格栅孔隙间隔为2-20mm。
[0047] 所述稻田排水预处理系统，预处理的容器体积为10-1000L，预处理的容器高于光 催化反应器系统50-150cm〇
[0048] 所述紫外灯的紫外线强度根据稻田排水中氨氮浓度进行自动控制调整，通过自动 控制器，设定施肥后l-7d内的紫外线强度分别为100%l-3d、80%4-5d、60%6-7d;紫外线强 度范围为:50-1000yW/cm 2 〇
[0049] 光催化反应器系统的光催化系统设有水位测定器，根据水位变化情况确定紫外灯 的亮灯个数:在低水位的时候自动打开部分紫外灯;在高水位时自动打开全部的紫外灯。
[0050] 所述石英玻璃厚度5-100mm，石英玻璃的紫外线透过率70-100%。
[0051] 光催化反应器系统的进出水系统中，稻田排水出口设置为两级排水阀和溢流口， 排水阀可人为控制;第一级排水阀主要用于光催化反应器的冲洗、更换催化材料;第二级排 水阀主要用于正常工作时的排水。
[0052]更为优选的，一种面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统，结合太阳能和光 催化，实现稻田排水绿色、高效净化。通过本实用新型的面向稻田排水低浓度氨氮的光催化 系统，可以实现绿色能源转化、降低面源污染等目标，具有成本较低(一次性投入）、环境友 好、应用面广泛等特点。如图6所示，
[0053] (1)本实用新型提供的面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统包括三个子系统： 基于太阳能的发电和电能储存系统、稻田排水预处理系统和基于特定纳米催化材料的光催 化反应器系统。
[0054] (2)太阳能的发电和电能储存系统，通过太阳能电池板1，将太阳能转化为电能，可 直接驱动光催化反应器系统，同时匹配电能储存系统（锂电池或铅蓄电池，比如蓄电池组 3)，对富余电能进行储存，在太阳光照不足时（阴雨或夜晚），可继续为光催化反应器系统提 供电源，供光催化反应器系统中的搅拌器和紫外灯使用。还包括DC保护器4、逆变器2、AC保 护器6和配电柜5。
[0055] (3)稻田排水预处理系统，在其前端设置格栅8,格栅孔间隔2-20mm，通过引水沟7 进入格栅，用于阻挡植物残体和大颗粒固体物质，稻田水通过格栅后进入前置促沉装置11 (即稻田排水预处理的容器）；系统接有一个稻田排水预处理的容器，容器高于光催化反应 器系统50-150cm，可将稻田排水中的泥沙颗粒物等进行沉淀，避免泥沙进入后面的光催化 系统，影响光催化效果;在容器底部添加工程改良生物炭包10,用于吸附和络合排水中的磷 酸根等多种离子，降低稻田排水中离子对光催化效果产生的影响。稻田排水经过该系统预 处理后，通过导水管9进入后续光催化反应器系统。
[0056] (4)光催化反应器系统，该系统分为光催化系统，搅拌系统(包括搅拌器19)，进出 水系统；光催化系统的核心部分是由紫外灯12和催化材料13对稻田排水中的氨氮进行催 化，将其转化为氮气，本实施例选取纳米Ti0 2作为光催化材料。为促进光催化反应进行，紫 外灯由石英玻璃17进行包裹，反应器内壁采用反光材料15;为调节光催化反应速度，搅拌器 19的速度和紫外灯强度均设置为可调。还包括溢流孔18、二级排水阀16和一级排水阀14。
[0057] 实施例1面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统不同催化时间去除氨氮的效果 [0058]本实施例考察了一种面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统不同催化时间 去除氨氮的效果。实验初始水样为50mg · I/1的氨氮水溶液。调节初始水样在优化的pH和反 应温度下进行，紫外光源光照2h，每20min取样一次，过滤后测定水样中的氨氮浓度。图1中t 为反应时间，c为反应t时间已去除的氨氮浓度。光催化120min后，近50%的氨氮被分解。 [0059 ]实施例2面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统中光催化剂浓度对氨氮的去除效 果
[0060] 本实施例考察了 一种面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统中光催化剂浓 度对氨氮的去除效果。本实施例具体操作方式与实施例1类似实验结果见图2。结果表明催 化剂浓度为l.〇g · Γ1时，光催化去除氨氮效果最好，氨氮去除率达到46%。催化剂浓度太低 或太高，氨氮去除效果均有所下降。
[0061] 实施例3面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统中反应液温度对氨氮去除效果的 影响
[0062] 本实施例考察了一种面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统中反应液温度 对氨氮的去除效果。本实施例具体操作方式与实施例1类似。实验结果如图3所示，氨氮的去 除率随温度升高而升高，60°C时氨氮的去除率可达到90%，40°C时达到60%，夏季田间反应 器内温度可以达到40度以上，为催化反应的进行提供了适宜的温度条件。
[0063] 实施例4面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统中反应液pH对氨氮去除效果的影 响
[0064] 本实施例考察了一种面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统中反应液pH值 对氨氮的去除效果。本实施例具体操作方式与实施例1类似。实验结果如图4所示，反应液在 酸性及中性条件下，光催化去除氨氮的效果较差，氨氮的去除率不足20%;当反应液pH为碱 性时，光催化效果显著提高。偏碱性条件下氨氮的去除率达到40%以上。
[0065] 实施例5面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统对不同氨氮浓度反应液中氨氮的 去除效果
[0066] 本实施例考察了一种面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统对不同氨氮浓 度反应液中氨氮的去除效果。本实施例具体操作方式与实施例1类似，对不同初始氨氮浓度 (5、10、20、30、40和50mg · I/1)的水样进行光催化实验，光催化系统对不同初始浓度氨氮的 去除结果如图5所示。光催化系统对低浓度氨氮均有较好的去除效果，初始浓度5mg · I/1的 氨氮去除率为45%。初始浓度为10~50mg · Γ1的氨氮去除率都在55%左右。
[0067] 实施例6面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统对生活污水中氨氮的去除效果
[0068] 本实施例考察了一种面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统对生活污水中 氨氮的去除效果。本实施例具体操作方式与实施例1类似。选取了江苏省农业科学院化粪池 中的生活污水为处理对象。原水总氮(TN)为51.65mg · I/1，氨氮为31.00mg · L'催化剂浓 度为l.Og · Γ1，紫外灯光照2h。实验结果见表1。光催化系统对生活污水中的总氮，氨氮均有 较好的去除效果。生活污水经光催化反应后，总氮和氨氮的去除率分别为73%和58%。说明 面向稻田排水低浓度氨氮的光催化系统具有良好的实际应用前景。
[0069] 表1光催化系统对生活污水中氨氮的去除效果
[0071]以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员 应该了解，上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式 所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。
【主权项】
1. 一种面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统，其特征在于，利用太阳能发电系 统将太阳能转化为电能，转化的电能为光催化反应器系统供能;该系统分为三个子系统:基 于太阳能的发电和电能储存系统、稻田排水预处理系统和光催化反应器系统； 第一个子系统为基于太阳能的发电和电能储存系统，包括太阳能发电系统和太阳能电 能储存系统； 第二个子系统为稻田排水预处理系统，在其前端设置格栅，格删后端连接稻田排水预 处理的容器，预处理的容器底部设有吸附剂层，预处理的容器高于光催化反应器系统； 第三个子系统为光催化反应器系统，该系统分为光催化系统、搅拌系统和进出水系统； 光催化系统包括紫外灯;紫外灯由石英玻璃进行包裹，光催化反应器内壁采用反光材料或 镜面材料;搅拌系统的搅拌速度和紫外灯强度均为可调。2. 根据权利要求1所述的面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统，其特征在于:光 催化系统还包括催化材料，催化材料为生物炭负载纳米二氧化钛形成的材料;吸附剂层为 负载了金属元素?6、]?11、]/%、〇3、]^1元素中的一种的改性生物炭。3. 根据权利要求1所述的面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统，其特征在于:所 述太阳能发电系统，太阳能电池板面积0.1-lm 2,太阳能电池板功率50-500W，工作电压5-80V，工作电流1-20A。4. 根据权利要求1所述的面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统，其特征在于:所 述稻田排水预处理系统，格栅孔隙间隔为2_20mm。5. 根据权利要求1所述的面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统，其特征在于:所 述稻田排水预处理系统，预处理的容器体积为10-1000L，预处理的容器高于光催化反应器 系统 50_150cm。6. 根据权利要求1所述的面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统，其特征在于:所 述紫外灯的紫外线强度根据稻田排水中氨氮浓度进行自动控制调整，通过自动控制器，设 定施肥后l-7d内的紫外线强度分别为100% l-3d、80% 4-5d、60% 6-7d;紫外线强度范围为： 50-1000 yW/cm2。7. 根据权利要求1所述的面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统，其特征在于:光 催化反应器系统的光催化系统设有水位测定器，根据水位变化情况确定紫外灯的亮灯个 数:在低水位的时候自动打开部分紫外灯;在高水位时自动打开全部的紫外灯。8. 根据权利要求1所述的面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统，其特征在于:所 述石英玻璃厚度5-100_，石英玻璃的紫外线透过率70-100%。9. 根据权利要求1所述的面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统，其特征在于:光 催化反应器系统的进出水系统中，稻田排水出口设置为两级排水阀和溢流口，排水阀可人 为控制;第一级排水阀主要用于光催化反应器的冲洗、更换催化材料;第二级排水阀主要用 于正常工作时的排水。
【文档编号】C02F9/08GK205710230SQ201620269308
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】冯彦房, 刘杨, 何世颖, 杨林章, 薛利红, 叶茂, 高倩
【申请人】江苏省农业科学院