CN103395891B - 一种微生物燃料电池型立体组合生态浮床装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微生物燃料电池型立体组合生态浮床装置，该装置将组合生态浮床和微生物燃料电池相结合，所述组合生态浮床包括上层水生植物单元、中间层水生植物单元以及将上层和中间层固定的下层金属托盘，所述的导电材料通过连接有外接电路负载的导线导出该装置外，构成微生物燃料电池空气阴极电极；所述的金属托盘通过利用沉积物的厌氧环境形成厌氧还原反应区从而构成微生物燃料电池阳极电极。本发明还公开了该装置的应用。本发明使底泥污染得到根本性降解，同时能量回收，并能同时净化水体中的污染物，从而减弱底泥与水体之间的污染物溶解-平衡效应，适于进行规模化、模式化和机械化作业。

Description

一种微生物燃料电池型立体组合生态浮床装置及应用

技术领域

本发明属于能源与环境修复领域，特别是一种适用于浅层地表水底泥与水体联合净化与回收电能、生物质能的MFC（Microbial Fuel Cell，微生物燃料电池）型立体组合生态浮床装置及应用。

背景技术

在水体污染的控制和修复日益得到人们重视的今天，底泥污染的修复更显得至关重要。污染物被水体颗粒物吸附、络合、絮凝、沉降而沉积在底泥中，在外源污染得到有效控制后，底泥中的这些污染物仍可能对水体产生“二次污染”，这将严重影响水体污染的修复和防治。研究表明，被污染的水体底泥中所含有的污染物有氮磷营养物质、重金属、难降解有机物，以及持久性有毒污染物（PTS）。其中很多物质会通过生物富集等作用在生物体内达到较高浓度，继而通过食物链影响人类健康。近年来，由于我国水污染形势的加剧，水体底泥所受污染状况也随之严重，而且由于底泥污染容纳量大、污染物因溶解-平衡原理与水体中的污染物形成溶解平衡关系而释放缓慢，因此底泥污染对水体污染的治理已经构成严重的障碍。加之污染物的复杂性，营养物质的难去除性，以及以现有技术修复底泥污染的经济成本过大等原因，现在还未找到一条彻底防治水体底泥污染的途径，目前主要通过减轻水体污染与局部地区底泥治理相结合的方式进行处理。

浮床技术是运用无土栽培技术原理，以天然或环境友好材料为载体和基质，采用现代农艺与生态工程措施综合集成的水面无土种植植物技术。其去除水体污染物，抑制浮游藻类的机理表现在以下几个方面。①植物吸收：栽种在浮床上植物为了满足本身生长需要，会通过浸没在水中的根系不断吸收利用水体中的营养物质，通过收获水生植物减少水中营养盐；②根系微生物降解：发达的植物根系可吸附水中的大量胶体，并逐渐在植物根系表面形成生物膜，吞噬和降解水中的污染物；③分泌物抑制：浮床植物根系能分泌化感物质，抑制藻类生长；④遮蔽阳光：人工浮岛通过遮挡阳光抑制藻类进行光合作用，控制藻类的生长。研究和应用实践证明，与一般目前国内外采用的化学，物理和生物治污技术相比，生态浮床技术的最大优势是能达到标本兼治，并能为水生生物的自然恢复和生存。繁衍营造良好的生境条件，最终达到修复水生态***的目标。

微生物燃料电池（MFC）作为一种新的产能方式——利用微生物将有机质直接转化为电能而受到越来越多的研究和推广。MFC是利用酶或者微生物作为阳极催化剂，通过其代谢作用将各种材料包括复杂的有机物和可再生生物质氧化产生电能的装置，这些燃料源使得MFC比只利用纯化学反应燃料的化学燃料电池更为先进。研究表明，MFC不仅可以降解简单有机物获取电能，也可以降解复杂综合有机底物产生电能，甚至可以降解难降解有机物获取电能。莫汉（Mohan）等对制药废水、染料、杀虫剂等综合化学废水的降解以及产电性能进行研究，污染物负荷为1.404kg COD/（m³·d）时，最大电压为304mV，污染物降解率达到62.9％。骆海萍等以苯酚为燃料，在1000Ω外负载条件下，苯酚去除率约达到90％，最大输出电压为540mV。因此，利用MFC降解难降解污染物并且产生电能是可行的，经济的，也是可持续的。

充分利用MFC对底泥污染修复和难降解性有机物有较高的降解性能的优势和组合生态浮床对水体污染修复的特点，对上述两种技术进行有机的融合。即利用MFC在对难降解有机污染物高效去除的同时能够获得电能的特点，实现提高组合生态浮床净化效果以及资源的最大化利用的目的。应用MFC净化浅水水体底泥并以生态浮床同步净化水体污染的装置从组合生态浮床及MFC的协同优化出发，强化了浮床植物根际效应和浮床微生物以及沉积物中产电细菌及污染物降解细菌的富集及固定化，提高复合***的难降解性有机物的净化效能及产电性能。

目前MFC型立体组合生态浮床装置国内外尚未见报道。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种微生物燃料电池型立体组合生态浮床装置及其应用，主要用于浅层地表水底泥（水深1-2米）与水体联合净化的装置，具体地说是一种原位修复富营养化湖泊底泥与水体，并将其中各种有机物质，尤其是难降解污染物，转化为电能的装置，用以将污染物质净化并回收产生电能。

技术方案：为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供一种微生物燃料电池型立体组合生态浮床装置，该装置将组合生态浮床和微生物燃料电池相结合，所述组合生态浮床包括上层水生植物单元、中间层水生植物单元以及将上层和中间层固定的下层金属托盘，所述上层水生植物单元由浮水水生植物及固定浮水水生植物的导电材料构成，中间层水生植物单元由沉水水生植物及固定沉水水生植物所用的轻质丝网构成；所述的导电材料通过连接有外接电路负载的导线导出该装置外，构成微生物燃料电池空气阴极电极；所述的金属托盘通过利用沉积物的厌氧环境形成厌氧还原反应区从而构成微生物燃料电池阳极电极。

为了进一步提高***的修复净化效能和产电效能，所述浮水水生植物为空心菜、水芹、菖蒲、茭白、莲或菰米中的一种或几种。

所述导电材料采用活性炭毡、不锈钢丝网、碳布或石墨毡中的一种或几种制成。

所述导电材料上开有一组4cm圆孔用以固定浮水水生植物。圆孔成行列排列，分布密度视所种植的水生植物的植株密度要求而定，在不影响水生植物的正常生长之情况下，圆孔应尽量密集，以增强植物根系泌氧对阴极有氧环境的改善作用。

所述沉水植物是苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻中的一种或几种。

所述轻质丝网采用聚酰胺系化学合成纤维材料制成，具有良好的综合性能，包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐腐蚀性，能够长期重复使用。

所述导线为钛导线或铜导线。所述导线进行连接点的绝缘密封处理。

所述金属托盘采用不锈钢制成。所述金属托盘中焊接一定数量的导电材料形成燃料电池的阳极电极，所述导电材料竖排焊接，间距在5～10cm之间。所述金属托盘设于湖泊底泥中，形成底泥污染净化区。

所述的微生物燃料电池型立体组合生态浮床装置在浅层地表水底泥与水体联合净化与回收电能生物质能方面的应用。

有益效果：本发明旨在利用MFC对难降解有机物的降解作用以及能够同时回收电能的特点，利用MFC的电流作用刺激降解菌的生长，以促进降解浅层水体底泥中的污染物，同时也可刺激产电菌的生长，产生电流。优选水生经济植物，利用浮水植物根系泌氧作用增加顶部空气阴极的溶解氧环境，从而提高微生物燃料电池的阴极电势，提高产电性能。强化植物根际效应及根系分泌简单化合物作用，促进根际微生物活化，促进难降解性有机污染物降解中间产物的降解作用。利用中间层沉水植物对污染物的吸收和代谢作用，减少水体中本有以及从底泥中反向溶解进入水体中的污染物浓度，提高污染物降解的速率，另一方面也通过白天的光合作用产生一定氧气，提高表层水体溶解氧浓度。装置直接从水体沉积物中去除营养物，并可通过收获农产品的形式将其移出水体，净化过程包括对原始污染物的净化和对中间产物的净化，不会造成二次污染；而且，使底泥中的有机质得到降解的同时，也同步净化了水体中的污染物。可使水质状况得到根本性改观，从而为水生动植物群落的生存繁衍营造一个良好的水体环境，为水生生态***的自然恢复提供保障。其实施效果优于其它技术，且成本低于原位物理化学净化方法，同时能量回收，适于进行规模化、模式化和机械化作业。本发明构建了组合生态浮床耦合MFC提高有机物去除效能的装置，不仅多途径、多阶高效去除有机物，大幅度提高了有机物尤其是难降解性有机物的去除效能，在原位修复富营养化湖泊底泥和水体的同时获得了电能，充分体现环境效益与污染物再生利用双赢的理念。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。其中，1-浮水水生植物；2-导电材料；3-沉水水生植物；4-轻质丝网；5-金属托盘；6-导线；7-外接电路负载。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1：

如图1所示，本发明公开了一种微生物燃料电池型立体组合生态浮床装置，该装置将组合生态浮床和微生物燃料电池相结合，所述组合生态浮床包括上层水生植物单元、中间层水生植物单元以及将上层和中间层固定的下层金属托盘5，所述上层水生植物单元由浮水水生植物1及固定浮水水生植物的导电材料2构成，中间层水生植物单元由沉水水生植物3及固定沉水水生植物3所用的轻质丝网4构成；所述的导电材料2通过连接有外接电路负载7的导线6导出该装置外，构成微生物燃料电池空气阴极电极；所述的金属托盘5通过利用沉积物的厌氧环境形成厌氧还原反应区从而构成微生物燃料电池阳极电极。所述浮水水生植物1为空心菜。所述导电材料2采用活性炭毡制成。所述导电材料2上开有一组4cm圆孔用以固定浮水水生植物1。所述沉水植物是苦草。所述轻质丝网4采用聚酰胺系化学合成纤维材料制成。所述导线6为钛导线。所述金属托盘5采用不锈钢制成。

本实施例的一种微生物燃料电池型立体组合生态浮床的装置，其运行原理是这样的：在健全的浮床生态***的基础上，构建组合生态浮床耦合MFC装置，发挥微生物尤其是产电菌和难降解有机物降解菌各自的生物活性及生物净化功能以及引入水生植物对降解中间产物的分解，构成较为完整的食物链，形成高效生态净化效能，不仅促进污染物物质在浮床生态***中的物质循环，使生物要素间的协同净化效应得到充分发挥，而且加强能量从污染物化学能向电能和植物生物质能的转化。即通过微生物燃料电池电极效应强化底泥中的污染物尤其是难降解有机物的去除和转化，同时通过植物根际效应对底泥上方水体中的污染物进行去除、转化和固持，同时植物根部分泌的酶也促进了污染物的降解，此外根毛细胞分泌的乙酸盐等简单化合物，以及根际微生物降解污染物后的小分子化合物，更易被产电菌吸收与降解，因而能够提高产电菌的生物活性；通过浮水水生植物根系泌氧作用以及沉水水生植物光合作用，增强水体上部的溶解氧浓度，提高微生物燃料电池阴极电势，从而提高整个***的产电水平。通过植物促进有机污染物的可溶化、无机化及可生化性的提高，并使得难降解性有机物及氮、磷等营养物在浮床生态***的能量流动过程中得到有效降解和去除；实施过程和后续效果不但能确保对人体健康和水生生物的安全保障，而且在治理过程中还能美化水域景观，对水生生物的发展也能起到积极的促进作用。

实施例2：

与实施例1基本相同，所不同的在于，所述浮水水生植物1为水芹。所述导电材料2采用活不锈钢丝网制成。所述导电材料2上开有一组4cm圆孔用以固定浮水水生植物1。所述沉水植物是金鱼藻。所述轻质丝网4采用聚酰胺系化学合成纤维材料制成。所述导线6为铜导线。所述金属托盘5采用不锈钢制成。

实施例3：

所述浮水水生植物1为菖蒲。所述导电材料2采用碳布制成。所述导电材料2上开有一组4cm圆孔用以固定浮水水生植物1。所述沉水植物是狐尾藻。所述轻质丝网4采用聚酰胺系化学合成纤维材料制成。所述导线6为钛导线。所述金属托盘5采用不锈钢制成。

实施例4

所述浮水水生植物1为茭白。所述导电材料2采用石墨毡制成。所述导电材料2上开有一组4cm圆孔用以固定浮水水生植物1。所述沉水植物是黑藻。所述轻质丝网4采用聚酰胺系化学合成纤维材料制成。所述导线6为铜导线。所述金属托盘5采用不锈钢制成。

实施例5

所述浮水水生植物1为莲。所述导电材料2采用不锈钢丝网制成。所述导电材料2上开有一组4cm圆孔用以固定浮水水生植物1。所述沉水植物是苦草和金鱼藻。所述轻质丝网4采用聚酰胺系化学合成纤维材料制成。所述导线6为钛导线。所述金属托盘5采用不锈钢制成。

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。

Claims (8)

1.一种微生物燃料电池型立体组合生态浮床装置，其特征在于，该装置将组合生态浮床和微生物燃料电池相结合，所述组合生态浮床包括上层水生植物单元、中间层水生植物单元以及将上层和中间层固定的下层金属托盘（5），所述上层水生植物单元由浮水水生植物（1）及固定浮水水生植物的导电材料（2）构成，中间层水生植物单元由沉水水生植物（3）及固定沉水水生植物（3）所用的轻质丝网（4）构成；所述的导电材料（2）通过连接有外接电路负载（7）的导线（6）导出该装置外，构成微生物燃料电池空气阴极电极；所述的金属托盘（5）通过利用沉积物的厌氧环境形成厌氧还原反应区从而构成微生物燃料电池阳极电极；所述沉水植物是苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻中的一种或几种，所述金属托盘（5）中焊接一定数量的导电材料形成燃料电池的阳极电极，所述导电材料竖排焊接，间距在5~10cm之间。

2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池型立体组合生态浮床装置，其特征在于，所述浮水水生植物（1）为空心菜、水芹、菖蒲、茭白、莲或菰米中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的微生物燃料电池型立体组合生态浮床装置，其特征在于，所述导电材料（2）采用活性炭毡、不锈钢丝网、碳布或石墨毡中的一种或几种制成。

4.根据权利要求1所述的微生物燃料电池型立体组合生态浮床装置，其特征在于，所述导电材料（2）上开有一组4cm圆孔用以固定浮水水生植物（1）。

5.根据权利要求1所述的微生物燃料电池型立体组合生态浮床装置，其特征在于，所述轻质丝网（4）采用聚酰胺系化学合成纤维材料制成。

6.根据权利要求1所述的微生物燃料电池型立体组合生态浮床装置，其特征在于，所述导线（6）为钛导线或铜导线。

7.根据权利要求1所述的微生物燃料电池型立体组合生态浮床装置，其特征在于，所述金属托盘（5）采用不锈钢制成。

8.权利要求1~7任一项所述的微生物燃料电池型立体组合生态浮床装置在浅层地表水底泥与水体联合净化与回收电能生物质能方面的应用。