一种面向稻田排水低浓度氨氮减排的光催化系统技术方案

本实用新型专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本技术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。
技术介绍
稻田排水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。本技术针对的稻田排水，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。光催化技术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CO2，H2O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。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的不足，本技术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。通过本技术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。为解决上述技术问题，本技术采用的技术方案为：一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；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。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TiO2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。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。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0.1-1m2，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。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Fe、Mn、Mg、Ca、La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。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1-7d内的紫外线强度分别为100％(1-3d)，80％(4-5d)，60％(6-7d)。紫外线强度范围为：50-1000μW/cm2。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、贴镜面金属纸箔、喷涂反光油漆等，反光率30％-100％。优选的，所述的纳米催化材料由生物炭负载TiO2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％。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17.6V，工作电流8.5A。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。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。作为优选方案，所述光催化系统中选取TiO2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·L-1。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。作为优选方案，所述光催化系统紫外灯的紫外线强度为200μW/cm2。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。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％。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TiO2纳米材料制成。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。本技术提供了一种基于太阳能的面向稻田排水低浓度本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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Fe、Mn、Mg、Ca、La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0.1-1m2，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯彦房，刘杨，何世颖，杨林章，薛利红，叶茂，高倩，
申请(专利权)人：江苏省农业科学院，
类型：新型
国别省市：江苏;32