CN106630158A - 一种生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***，包括生态浮岛、微生物燃料电池、传感器组、加药装置和若干块太阳能板，微生物燃料电池设置于生态浮岛周围；传感器组设置于生态浮岛的下表面，太阳能板和加药装置均设置于生态浮岛上表面；微生物燃料电池和太阳能板均通过电能采集板与蓄电池相连；传感器组和加药装置均与蓄电池相连；加药装置通过投药管与微生物燃料电池相连。本发明提供的水体修复***，通过微生物燃料电池与生态浮岛相耦合，并且辅助采用高效复合表面活性剂，可以有效治理景观水污染问题。经三个月处理后，氨氮去除率约为14％～25％，COD去除率约为14％～32％。本发明水体修复***成本低，操作简单。

Description

一种生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***
技术领域
本发明涉及一种生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***，具体属于水体修复技术领域。
背景技术
随着人口增长、工业化和城镇化进程的迅速推进，人类的生活和生产活动产生了大量的污染物质。这些污染物质或者未经任何处理，或者处理程度不够，或者排放总量太高，排放到河流、湖泊等天然水体中。由于污染负荷超过了水体的自净能力，造成水质变差和恶化，水体发黑发臭，大量生活污水或含氮、磷工业废水排入水体，使水中有机氮和各种无机氮化物、磷酸盐含量增加，多类持久性有机污染物(POPs)在水体底泥中富集，难于自然降解，使水体恶化。景观水体污染主要表现为两个方面，一是景观水的污染，二是景观水底泥的污染，两者污染情况都不容小觑。
目前景观水体处理技术主要有外源性污染物质的控制技术，包括水体周边废水的集中处理、恢复和重建滨岸带生态***；内源性污染物质的控制技术，包括采用工程性措施(稀释和冲刷、底泥疏浚、底泥覆盖、气体抽提技术、空气吹脱技术)、化学方法(投加石灰法、原位化学反应技术)、生物－生态强化法(水生植物修复技术、生物调控、仿生植物净化技术、土地处理技术、深水曝气技术)等。但工程量大，成本高，易造成二次污染，操作复杂，不易管理。为了解决上述问题，研究一种水体修复***，利用生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池从而有效净化水体，显得尤为必要。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***，能够有效去除水体中的污染物，成本低，易于控制管理。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***，包括生态浮岛、微生物燃料电池、传感器组、加药装置和若干块太阳能板，所述微生物燃料电池设置于生态浮岛周围；所述传感器组设置于生态浮岛的下表面，所述太阳能板和加药装置均设置于生态浮岛上表面；微生物燃料电池和太阳能板均通过电能采集板与蓄电池相连；传感器组和加药装置均与蓄电池相连；所述加药装置通过投药管与微生物燃料电池相连。
前述生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***中，生态浮岛的骨架采用不锈钢、纤维强化塑料、不锈钢加发泡聚苯乙烯、盐化乙烯合成树脂或混凝土制成，生态浮岛内部填充海绵或泡沫，还设有供植物生长的圆形孔、三角形孔或方形孔。
前述生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***中，生态浮岛中种植的植物为灯芯草、梭鱼草、细叶莎草、花叶芦竹、美人蕉、黄菖蒲、水禾、聚草、旱伞草、千屈菜、香菇草、红莲子草、大花皇冠、小香蒲或水葫芦。
前述生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***中，传感器组为实时监测水体温度、流速、pH、溶解氧和浊度以及微生物燃料电池的电压和电流的传感器，并将数据记录在数据卡中，通过移动网络发送数据。优选地传感器组采用单片机、PLC、ARM或DSP。
前述生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***中，加药装置包括依次连接的药剂箱、加药泵、软管和投药管，所述药剂箱和加药泵设置在生态浮岛上，所述投药管设置于底泥中。
前述生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***中，投药管为螺旋形有机玻璃投药管，管表面间隔5～10cm设置一圆形小孔；每隔1～5天，加药泵将药剂箱中表面活性剂通过软管和投药管加入底泥中。
前述生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***中，表面活性剂为吐温系列表面活性剂、Span系列表面活性剂、脂肪醇聚氧乙烯醚、月桂酸聚氧乙烯酯、烷基酚聚氧乙烯醚、蓖麻油聚氧乙烯醚、聚乙二醇、二苄基联苯基聚氧乙烯醚、烷基二苯醚二磺酸钠、特辛基酚聚氧乙烯醚、十二烷基苯磺酸盐或蓖麻油聚氧乙烯醚。
前述生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***中，投药管的下面设有铁锥。
前述生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***中，微生物燃料电池包括阴极、阳极和导线，所述阴极缠绕在生态浮岛周围，通过导线与电能采集板相连；所述阳极设置于底泥中，通过导线与阴极相连；所述阳极缠绕在投药管上。
前述生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***中，阴极和阳极均由碳刷构成。
图1是本发明生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***的示意图。由图可知，本发明的水体修复***包括生态浮岛、微生物燃料电池、传感器组、若干块太阳能板和加药装置。选用纤维强化塑料、不锈钢加发泡聚苯乙烯、特殊发泡聚苯乙烯加特殊合成树脂、盐化乙烯合成树脂、混凝土等材料制作生态浮岛的骨架，在生态浮岛内部填充海绵或泡沫，并设置供植物生长的圆形、三角形或方形孔。在孔中种植灯芯草、梭鱼草、细叶莎草、花叶芦竹、美人蕉、黄菖蒲、水禾、聚草、旱伞草、千屈菜、香菇草、红莲子草、大花皇冠、小香蒲或水葫芦等易生长的水生植物。本发明的生态浮岛设置成本和运行成本较低，植物根系吸收并降解有机物，同时增加水体表面含氧量；光合作用产生的O2还可促进电池阴极的反应。
本发明的水体修复***中设置有微生物燃料电池(SMFC)，包括阴极、阳极和导线，阴极和阳极均由碳刷构成。阴极缠绕在生态浮岛周围，通过导线与电能采集板(图中未示出)相连；阳极设置于底泥中，并且缠绕在投药管上，通过导线与阴极相连。缠绕的碳刷具有表面积大，造价低，原料易得，处理效果好等特点，且化学性质稳定，能够长期重复使用。将生态浮岛串联在微生物燃料电池的阴阳两极之间，作为一个外接电阻，有效提高微生物燃料电池的功率密度并降低其内阻。将阴极碳刷缠绕在生态浮岛周围，利用浮岛的浮力使阴极碳刷漂浮在水面上，并且能使微生物燃料电池所产生的电能通过电能采集板将电能存储在蓄电池中，作为装置的辅助电源。
本发明的水体修复***中，在生态浮岛上附加数块太阳能板，通过电能采集板将电能存储在蓄电池中，作为传感器组和加药装置的主要电源。
本发明的传感器组，实时测定水体的温度、流速、pH、溶解氧(DO)、浊度及SMFC的电压、电流的传感器组，优选采用单片机。将数据记录在数据卡中，通过移动网络发送数据，可定时向外发送数据，以供人监控SMFC的运行状态以及河流的水质变化。通过电压、电流的变化趋势判断SMFC运行是否已经完成，当电压、电流呈下降趋势时，将阳极从底泥中起出，并运行到下一地点将阳极沉入底泥中再次进行污染物去除，解决SMFC作用范围小等问题。
本发明的加药装置包括药剂箱和加药泵，在SMFC阳极装置进入目标底泥后，每隔1～5d通过加药泵从软管中向投药管中加入表面活性剂。投药管为螺旋形有机玻璃投药管，管表面间隔5～10cm设置一圆形小孔，药剂经小孔流入阳极附近底泥中。从而促进SMFC的处理效果，促进产电性能并且延长运行时间，持续高效地处理底泥中的持久性有机污染物(POPs)。在有机玻璃管之下附加铁锥使阳极更容易***泥中，使装置更加简单易用。
本发明的水体修复***，由微生物燃料电池(SMFC)与生态浮岛相耦合，高效复合表面活性剂辅之，可有效解决现有的景观水治理技术中存在的问题。本发明中SMFC的电极碳刷是将碳纤维或者碳布缠绕在钛丝上得到的；浮岛由塑料泡沫和植物构成，设置成本和运行成本均较低。生态浮岛在一定程度上能促进微生物燃料电池的处理效果：植物根系及微生物群落吸收并降解有机物，同时增加水体表面含氧量；光合作用产生的O2还可促进电池阴极的反应，两者结合可谓是相得益彰，投加高效复合表面活性剂进一步强化SMFC处理效果。
为了确保本发明方案的合理有效，发明人从秦皇岛汤河中取得受污染底泥，在经过水体指标分析后如图1搭建装置。在经过三个月的处理后，氨氮去除率约为14％～25％，COD去除率约为14％～32％。由此可见该装置具有良好的实际作用性能，且电池组成安装完成，便可长期工作，而且操作简单管理容易，适合一般的城市景观水体，具有广阔的发展前景。
本发明的有益之处在于：本发明提供的一种生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***，通过微生物燃料电池与生态浮岛相耦合，并且辅助采用高效复合表面活性剂，可以有效治理景观水污染问题。经过三个月处理后，氨氮去除率约为14％～25％，COD去除率约为14％～32％。本发明的水体修复***中生态浮岛还能够促进微生物燃料电池的处理效果。生态浮岛中植物根系及微生物群落吸收并降解有机物，同时增加水体表面含氧量；光合作用产生的O2还可促进电池阴极的反应，两者结合共同作用，并且投加高效复合表面活性剂进一步强化微生物燃料电池处理效果。本发明水体修复***中生态浮岛和微生物燃料电池设置成本和运行成本较低，工程量小，不易造成二次污染，操作简单，便于管理。
附图说明
图1是本发明的生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***示意图；
图中附图标记的含义：1-生态浮岛，2-微生物燃料电池，3-传感器组，4-太阳能板，5-加药装置，6-药剂箱，7-加药泵，8-软管，9-投药管，10-阴极，11-阳极，12-导线，13-铁锥。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步的介绍。
实施例1
一种生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***，包括生态浮岛1、微生物燃料电池2、传感器组3、加药装置5和若干块太阳能板4，微生物燃料电池2设置于生态浮岛1周围；所述传感器组3设置于生态浮岛1的下表面，所述太阳能板4和加药装置5均设置于生态浮岛1上表面；微生物燃料电池2和太阳能板4均通过电能采集板与蓄电池相连；传感器组3和加药装置5均与蓄电池相连；所述加药装置5通过投药管9与微生物燃料电池2相连。
其中，生态浮岛1的骨架采用不锈钢制成，生态浮岛1内部填充海绵，还设有供植物生长的圆形孔。生态浮岛1中种植的植物为灯芯草。
传感器组3为实时监测水体温度、流速、pH、溶解氧和浊度以及微生物燃料电池2的电压和电流的ARM，并将数据记录在数据卡中，通过移动网络发送数据。
加药装置5包括依次连接的药剂箱6、加药泵7、软管8和投药管9，所述药剂箱6和加药泵7设置在生态浮岛1上，所述投药管9设置于底泥中。投药管9为螺旋形有机玻璃投药管，管表面间隔5cm设置一圆形小孔。每隔1天，加药泵7将药剂箱6中表面活性剂通过软管8和投药管9加入底泥中。表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚。
微生物燃料电池2包括阴极10、阳极11和导线12，所述阴极10缠绕在生态浮岛1周围，通过导线与太阳能板4中蓄电池相连；所述阳极11设置于底泥中，通过导线12与阴极10相连；所述阳极11缠绕在投药管9上。阴极10和阳极11均由碳刷构成。
实施例2
一种生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***，包括生态浮岛1、微生物燃料电池2、传感器组3、加药装置5和若干块太阳能板4，微生物燃料电池2设置于生态浮岛1周围；所述传感器组3设置于生态浮岛1的下表面，所述太阳能板4和加药装置5均设置于生态浮岛1上表面；微生物燃料电池2和太阳能板4均通过电能采集板与蓄电池相连；传感器组3和加药装置5均与蓄电池相连；所述加药装置5通过投药管9与微生物燃料电池2相连。
其中，生态浮岛1的骨架采用纤维强化塑料制成，生态浮岛1内部填充泡沫，还设有供植物生长的三角形孔。生态浮岛1中种植的植物为梭鱼草。
传感器组3为实时监测水体温度、流速、pH、溶解氧和浊度以及微生物燃料电池2的电压和电流的PLC，并将数据记录在数据卡中，通过移动网络发送数据。
加药装置5包括依次连接的药剂箱6、加药泵7、软管8和投药管9，所述药剂箱6和加药泵7设置在生态浮岛1上，所述投药管9设置于底泥中。投药管9为螺旋形有机玻璃投药管，管表面间隔10cm设置一圆形小孔。每隔5天，加药泵7将药剂箱6中表面活性剂通过软管8和投药管9加入底泥中。表面活性剂为月桂酸聚氧乙烯酯。
微生物燃料电池2包括阴极10、阳极11和导线12，所述阴极10缠绕在生态浮岛1周围，通过导线与太阳能板4中蓄电池相连；所述阳极11设置于底泥中，通过导线12与阴极10相连；所述阳极11缠绕在投药管9上。阴极10和阳极11均由碳刷构成。
实施例3
一种生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***，包括生态浮岛1、微生物燃料电池2、传感器组3、加药装置5和若干块太阳能板4，微生物燃料电池2设置于生态浮岛1周围；所述传感器组3设置于生态浮岛1的下表面，所述太阳能板4和加药装置5均设置于生态浮岛1上表面；微生物燃料电池2和太阳能板4均通过电能采集板与蓄电池相连；传感器组3和加药装置5均与蓄电池相连；所述加药装置5通过投药管9与微生物燃料电池2相连。
其中，生态浮岛1的骨架采用盐化乙烯合成树脂制成，生态浮岛1内部填充海绵，还设有供植物生长的方形孔。生态浮岛1中种植的植物为细叶莎草。
传感器组3为实时监测水体温度、流速、pH、溶解氧和浊度以及微生物燃料电池2的电压和电流的单片机，并将数据记录在数据卡中，通过移动网络发送数据。
加药装置5包括依次连接的药剂箱6、加药泵7、软管8和投药管9，所述药剂箱6和加药泵7设置在生态浮岛1上，所述投药管9设置于底泥中。投药管9为螺旋形有机玻璃投药管，管表面间隔8cm设置一圆形小孔；投药管9的下面设有铁锥13。每隔3天，加药泵7将药剂箱6中表面活性剂通过软管8和投药管9加入底泥中。表面活性剂为烷基酚聚氧乙烯醚。
微生物燃料电池2包括阴极10、阳极11和导线12，所述阴极10缠绕在生态浮岛1周围，通过导线与太阳能板4中蓄电池相连；所述阳极11设置于底泥中，通过导线12与阴极10相连；所述阳极11缠绕在投药管9上。阴极10和阳极11均由碳刷构成。
以上实施例1～3中，生态浮岛1的骨架可采用不锈钢、纤维强化塑料、不锈钢加发泡聚苯乙烯、盐化乙烯合成树脂或混凝土制成。生态浮岛1中所种植植物可以为灯芯草、梭鱼草、细叶莎草、花叶芦竹、美人蕉、黄菖蒲、水禾、聚草、旱伞草、千屈菜、香菇草、红莲子草、大花皇冠、小香蒲或水葫芦。表面活性剂可采用吐温系列表面活性剂、Span系列表面活性剂、脂肪醇聚氧乙烯醚、月桂酸聚氧乙烯酯、烷基酚聚氧乙烯醚、蓖麻油聚氧乙烯醚、聚乙二醇、二苄基联苯基聚氧乙烯醚、烷基二苯醚二磺酸钠、特辛基酚聚氧乙烯醚、十二烷基苯磺酸盐或蓖麻油聚氧乙烯醚。
工作过程：将本发明的水体修复***置于待修复的水体和水体底泥中，通过水生植物的根系及微生物群落吸收并降解有机物，同时增加水体表面含氧量，光合作用产生的O2用于促进SMFC阴极的反应。生态浮床上设置的太阳能板通过电能采集板将电能存储在蓄电池中，作为传感器组和加药装置的主要电源。药剂箱中的高效表面活性剂，在SMFC阳极装置进入目标底泥后，每隔1～5d通过加药泵通过软管向投药管中投加，药剂经投药管中小孔流入阳极附近底泥中，促进SMFC的处理效果，还可促进产电性能并且延长运行时间，持续高效地处理底泥中的持久性有机污染物(POPs)。传感器组实时测定水体的温度、流速、pH、溶解氧(DO)、浊度及SMFC的电压、电流，将数据记录在数据卡中，通过移动网络发送数据，可定时向外发送数据，以供人监控SMFC的运行状态以及河流的水质变化。通过电压、电流的变化趋势判断SMFC运行是否已经完成，当电压、电流呈下降趋势时，将阳极从底泥中起出，并运行到下一地点将阳极沉入底泥中再次进行污染物去除。

Claims (10)

1.一种生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***，其特征在于：包括生态浮岛(1)、微生物燃料电池(2)、传感器组(3)、加药装置(5)和若干块太阳能板(4)，所述微生物燃料电池(2)设置于生态浮岛(1)周围，所述传感器组(3)设置于生态浮岛(1)的下表面，所述太阳能板(4)和加药装置(5)均设置于生态浮岛(1)上表面；微生物燃料电池(2)和太阳能板(4)均通过电能采集板与蓄电池相连；传感器组(3)和加药装置(5)均与蓄电池相连；所述加药装置(5)通过投药管(9)与微生物燃料电池(2)相连。
2.根据权利要求1所述的生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***，其特征在于：所述生态浮岛(1)的骨架采用不锈钢、纤维强化塑料、不锈钢加发泡聚苯乙烯、盐化乙烯合成树脂或混凝土制成，生态浮岛(1)内部填充海绵或泡沫，还设有供植物生长的圆形孔、三角形孔或方形孔。
3.根据权利要求2所述的生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***，其特征在于：所述生态浮岛(1)中种植的植物为灯芯草、梭鱼草、细叶莎草、花叶芦竹、美人蕉、黄菖蒲、水禾、聚草、旱伞草、千屈菜、香菇草、红莲子草、大花皇冠、小香蒲或水葫芦。
4.根据权利要求1所述的生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***，其特征在于：所述传感器组(3)为实时监测水体温度、流速、pH、溶解氧和浊度以及微生物燃料电池(2)的电压和电流的传感器，并将数据记录在数据卡中，通过移动网络发送数据；优选地传感器组(3)采用单片机、PLC、ARM或DSP。
5.根据权利要求1所述的生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***，其特征在于：所述加药装置(5)包括依次连接的药剂箱(6)、加药泵(7)、软管(8)和投药管(9)，所述药剂箱(6)和加药泵(7)设置在生态浮岛(1)上，所述投药管(9)设置于底泥中。
6.根据权利要求5所述的生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***，其特征在于：所述投药管(9)为螺旋形有机玻璃投药管，管表面间隔5～10cm设置一圆形小孔；每隔1～5天，所述加药泵(7)将药剂箱(6)中表面活性剂通过软管(8)和投药管(9)加入底泥中。
7.根据权利要求6所述的生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***，其特征在于：所述表面活性剂为吐温系列表面活性剂、Span系列表面活性剂、脂肪醇聚氧乙烯醚、月桂酸聚氧乙烯酯、烷基酚聚氧乙烯醚、蓖麻油聚氧乙烯醚、聚乙二醇、二苄基联苯基聚氧乙烯醚、烷基二苯醚二磺酸钠、特辛基酚聚氧乙烯醚、十二烷基苯磺酸盐或蓖麻油聚氧乙烯醚。
8.根据权利要求5或6所述的生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***，其特征在于：所述投药管(9)的下面设有铁锥(13)。
9.根据权利要求1所述的生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***，其特征在于：所述微生物燃料电池(2)包括阴极(10)、阳极(11)和导线(12)，所述阴极(10)缠绕在生态浮岛(1)周围，通过导线与电能采集板相连；所述阳极(11)设置于底泥中，通过导线(12)与阴极(10)相连；所述阳极(11)缠绕在投药管(9)上。
10.根据权利要求7所述的生态浮岛耦合沉积型微生物燃料电池水体修复***，其特征在于：所述阴极(10)和阳极(11)均由碳刷构成。
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