CN108147528B - 一种电刺激微生物生态修复装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电刺激微生物生态修复装置，包括：箱体、太阳能电池板、进水管和出水管、水泵、喉管和进气管，箱体由上层蓄电池和下层封闭空腔构成，上方设有与蓄电池电连接的太阳能电池板；进水管和出水管分别设于空腔两侧的下端，其内部填有活性炭纤维填料，填料与蓄电池构成微电流回路；水泵的进水口和进水管连接，出水口通过喉管与出水管连接，喉管的喉部接通有竖直向上的进气管。本发明装置持续运行时，水体中的好氧微生物和溶解氧均能够同时持续增加，主要发生好氧降解，水体中污染物得以有效降解，河道水体自净功能逐渐恢复，从而解决河道水体黑臭问题，实现生态修复。
Description
技术领域
本发明属于环境保护中污水处理技术领域，具体涉及一种电刺激微生物生态修复装置。
背景技术
随着我国经济和工业的飞速发展，我国水环境问题日益突出，城乡河道污染更是不容忽视且复杂棘手的环境问题。因河道污染和生态***严重退化，不少河道水质处于V类水质(中度污染)和劣V类水质(重度污染)，表现为水体富营养化、水体缺氧、水体黑臭等。
水体黑臭，顾名思义是指水体颜色浑浊甚至泛黑，并散发出刺激性气味，引起人们恶心的现象，经常可见于有机污染的城市内河、富营养化湖泊的部分时段、部分水域和水库的较深层水体。据相关统计数据，当水环境中溶解氧浓度DO≥2mg/L时，水体中以好氧微生物为主，主要发生好氧降解作用，有机物中的碳、氮、硫被分解成二氧化碳、硝酸盐及硫酸盐等；当水环境中溶解氧浓度DO≤0.2mg/L，水体中厌氧微生物占主导地位，主要利用厌氧发酵方式降解污染物，有机物中的碳、氮、硫成分便厌氧分解为CH4、NH3-N、H2S等物质。水体在厌氧环境中，有机物厌氧分解出H2S，并不断在水体中电离出HS-和S2-，与水体中原来存在的少量Fe2+、H+等发生化学反应，H2S的溶解度和FeS溶度积都非常小，很容易从水体中离析出来，形成以FeS为主的微小颗粒悬浮在水中从而造成水体发黑；水体产生的物质逸出到空气，主要成份是CH4、NH3及H2S等，形成臭味根源。
水环境生态修复中，微生物是水体污染物的主要分解者。微生物生态修复是水体修复中常用的技术手段。微生物生态修复的最关键的一个条件是保证水体中有足够的溶解氧。通常采取对河道进行人工曝气充氧，补充河道水体中的溶解氧。目前常用的河道曝气方法有跌水曝气、曝气机、鼓风机配合曝气管等措施，跌水曝气无动力能源需求，但对地势要求较高，须有足够的高差；曝气机、鼓风机配合曝气管等措施曝气效果好，但均需外加动力，长期运行增加了运行费用及维修维护费用。微生物生态修复的另一个重要条件是保证水体中有足够的好氧微生物。通常通过向水体投放菌种的方式来繁殖好氧微生物，但是，某一菌种针对的多为特定类型的微生物，并不能全面促进微生物的生长繁殖。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电刺激微生物生态修复装置，同时对水体进行微电流刺激和充氧，实现了河道水体中好氧微生物和溶解氧均持续增加，在短时间内促进水体中好氧降解的发生，改善水体水质。
为实现以上目的，本发明采用以下的技术方案：
一种电刺激微生物生态修复装置，包括：
箱体，所述箱体分为上层和下层，所述上层固定有蓄电池，所述下层为封闭的空腔；
太阳能电池板，所述太阳能电池板设置在所述箱体的上方，所述太阳能电池板与所述蓄电池电连接；
进水管和出水管，所述进水管的顶端位于所述空腔内部，所述进水管竖直向下延伸使得所述进水管的底端置于所述空腔外部；所述出水管的顶端位于所述空腔内部，所述出水管竖直向下延伸使得所述出水管的底端置于所述空腔外部；所述进水管和出水管的内部均填充有活性炭纤维填料，位于所述进水管的底端的活性炭纤维填料通过第一导线与所述蓄电池的正极电连接，位于所述出水管的底端的活性炭纤维填料通过第二导线与电流控制器电连接，所述电流控制器与所述蓄电池的负极通过第三导线电连接，位于所述进水管的顶端的活性炭纤维填料和位于所述出水管的顶端的活性炭纤维填料通过第四导线电连接，构成电流回路；
水泵，所述水泵与所述蓄电池电连接，所述水泵的进水口与所述进水管的顶端连接；
喉管，所述喉管将所述水泵的出水口与所述出水管的顶端在所述空腔内部联通，所述喉管依次包括入口段、收缩段、喉部、扩散段和出口段，所述入口段与所述水泵的出水口连接，所述出口段与所述出水管的顶端连接，所述喉部处接通有竖直向上的进气管，所述进气管贯穿所述箱体且所述进气管的顶端延伸至所述箱体之外。
优选的技术方案中，所述箱体的外表面涂覆有防水涂层，这样一来，装置长期在河道水体中使用时，也可以避免水渗透进入所述箱体内部。
优选的技术方案中，所述箱体为长方体形状。
优选的技术方案中，所述电流控制器控制流经所述电流回路的微电流为5～20mA，明显促进微生物的生长。
优选的技术方案中，所述进水管的直径为所述进气管的直径的10～15倍，所述出水管的直径为所述进气管的直径的10～15倍，具有更好的射流效果。
优选的技术方案中，所述进水管和出水管均采用PE管(聚乙烯塑料管)，成本低且不容易被腐蚀。
优选的技术方案中，所述空腔的体积是所述蓄电池体积的10～20倍，漂浮效果更好。
优选的技术方案中，所述活性炭纤维外形直径为5～20微米，孔宽分布在0.5～1.5nm间的微孔体积占总孔体积的90％以上，比表面积为800～1500m2/g，更有利于微生物附着和生长。
本发明中，整体装置中设有空腔部分，使得装置投入到河道后能够漂浮在水面上，并且由设置在箱体顶部(浮在水面以上的)上方的太阳能电池板在太阳光照下产生电力，并联合蓄电池的蓄电和供电功能，能够长期持续给水泵以及微电流回路提供电力，从而无需额外提供动力设备。其中，微电流回路由装设在进水管和出水管内活性炭纤维填料与蓄电池电连接构成，通过电流控制器控制流经该回路的电流为5～20mA的微电流，该微电流刺激能够促进在活性炭纤维填料表面发生污染物降解和好氧微生物生长；同时，通过水泵的运动，将河道水抽入进水管并经水泵后形成射流水流，水面以上的空气经由进气管汇入射流水流中形成充氧水体，再经由出水管流出，回到河道水体中。河道水体在进水管和出水管中经过的时候，一方面在微电流刺激下，在活性炭纤维填料表面发生污染物降解和好氧微生物生长；另一方面，由于空气汇入射流水流形成的充氧水体中溶解氧浓度增加，形成适合好氧降解的环境，进一步强化促进微生物生长和污染物降解，水体再流回到河道中，河道水体中污染物得以有效降解，河道水体自净功能逐渐恢复，从而解决河道水体黑臭问题，实现生态修复。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1)本发明装置利用太阳能供电，无需配设动力装置，运行成本低，维护简便，适用范围广泛；
2)本发明装置通过巧妙的结构设计，能够对经过进水管和出水管的水体同时进行微电流刺激和充氧，实现了水体中好氧微生物和溶解氧均持续增加，在短时间内促进水体中好氧降解的发生，改善水体水质。
3)本发明装置结构简单，制造容易，成本低廉，适合推广应用；
4)本发明装置占地小、可移动、使用方便、维护成本低，应用范围广。
本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现，并可通过所附权利要求中特地指出的手段、装置和它们的组合得以实现。
附图说明
图1是本发明的电刺激微生物生态修复装置的一具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下，结合附图对本发明的实施方式进行详细说明，以更清楚地理解本发明的技术内容。
如图1所示，本发明的一具体实施例中，一种电刺激微生物生态修复装置，包括：箱体1、太阳能电池板2、进水管3和出水管4、水泵5、喉管6和进气管7。
太阳能电池板2设置在箱体1的上方，用于将太阳能转换成电能；
箱体1分为上层和下层，上层固定有蓄电池1-1，蓄电池1-1与太阳能电池板2电连接，用于在有光照时将太阳能电池板2产生的电能储存起来并在需要的时候再释放出来；下层为封闭的空腔1-2，由于空腔1-2的存在，箱体1在水中成为浮动箱体，能够漂浮在水面上；
进水管3和出水管4分别接在空腔1-2的两侧下端，进水管3的顶端位于空腔1-2的内部，进水管3竖直向下延伸使得其底端置于空腔1-2的外部(装置置于水中时进水管3的底端位于箱体1下方的水体中)；出水管4的顶端位于空腔1-2的内部，出水管4竖直向下延伸使得其底端置于空腔1-2的外部(装置置于水中时出水管4的底端位于箱体1下方的水体中)；
进水管3和出水管4的内部均填充有活性炭纤维填料8；位于进水管3的底端的活性炭纤维填料8通过第一导线9与蓄电池1-1的正极电连接，位于出水管4的底端的活性炭纤维填料8通过第二导线10与电流控制器11电连接，电流控制器11通过第三导线12与蓄电池1-1的负极电连接，位于进水管3的顶端的活性炭纤维填料8和位于出水管4的顶端的活性炭纤维填料8通过第四导线13连接，使整个电路联通，构成电流回路；
水泵5的进水口与进水管3的顶端连接，水泵5由蓄电池1-1供电，水泵5与蓄电池1-1电连接；
喉管6将水泵5的出水口与出水管4的顶端在空腔1-2的内部联通，喉管6依次包括入口段、收缩段、喉部、扩散段和出口段，喉管6的入口段与水泵5的出水口连接，喉管6的出口段与出水管4的顶端连接，喉管6的喉部处接通有竖直向上的进气管7，进气管7贯穿箱体1并且进气管7的顶端延伸至箱体1之外。
上述本发明的电刺激微生物生态修复装置的具体实施方式中，箱体1的外表面可以涂覆防水涂层，这样一来，即使将装置长期投入河道水体中使用，也不会有水渗透进入箱体1内部。
上述本发明的电刺激微生物生态修复装置的具体实施方式中，箱体1可设置为方便加工的各种形状，例如如图1中所示的长方体形状。
上述本发明的电刺激微生物生态修复装置的具体实施方式中，电流控制器11控制流经上述电流回路的微电流为5～20mA。试验显示：在该范围的微电流的刺激下，好氧微生物的数量显著增多，说明微电流能够刺激好氧微生物的加速生长。
上述本发明的电刺激微生物生态修复装置的具体实施方式中，优选设置进水管3的直径为进气管7的直径的10～15倍，出水管4的直径为进气管7的直径的10～15倍，射流效果更好。
上述本发明的电刺激微生物生态修复装置的具体实施方式中，进水管3和出水管4均采用PE管，成本低且不容易被腐蚀。
上述本发明的电刺激微生物生态修复装置的具体实施方式中，空腔1-2的体积是蓄电池1-1体积的10～20倍，从而更好地在水面保持漂浮状态。
上述本发明的电刺激微生物生态修复装置的具体实施方式中，活性炭纤维填料8可以采用活性炭纤维，外形直径为5～20微米，孔宽分布在0.5～1.5nm间的微孔体积占总孔体积的90％以上，比表面积为800～1500m2/g。该活性炭纤维为市售产品。采用该活性炭纤维，更有利于微生物附着和生长。
上述本发明的电刺激微生物生态修复装置的具体实施方式中，太阳能电池板2与箱体1的顶部可以通过多种方式连接，比如可以通过螺母和螺栓的配合将太阳能电池板2固定在箱体1的顶部。
上述实施例中的电刺激微生物生态修复装置的使用方法和工作原理如下：
将上述实施例中的电刺激微生物生态修复装置投入到河道后，由于空腔1-2的存在，整个装置能够漂浮在水面上。由于箱体1顶部浮在水面以上，所以设在箱体1顶部的太阳能电池板2也在水面以上，在太阳光照下太阳能电池板2将太阳能转化为电能，产生的电力存储在蓄电池1-1中，蓄电池1-1向活性炭纤维填料8构成的电流回路和水泵5供电。
进水管3和出水管4中的活性炭纤维填料8处于电流回路中，电流控制器11控制流经该回路的电流为5～20mA的微电流。
水泵5同时启动，将河道水体通过进水管3抽入并流经活性炭纤维填料8，微电流刺激促进在活性炭纤维填料8表面的污染物降解和好氧微生物生长，同时，水体在水泵5的作用下在水泵5的出口形成射流水流，水面以上的空气经由进气管7汇入射流水流中形成充氧水体，再经由出水管4流出，回到河道水体中。
水泵5持续运行，在微电流刺激下，在活性炭纤维填料8表面持续发生污染物降解和好氧微生物生长，而随着空气汇入射流水流形成充氧水体中溶解氧浓度增加，在活性炭纤维填料8表面的污染物降解和好氧微生物生长得到进一步强化，从而使得流回到河道的水体中污染物得以有效降解，河道水体自净功能逐渐恢复，从而解决河道水体黑臭问题，实现生态修复。
上述装置中，由于设有空腔1-2部分，使得装置投入到河道后能够漂浮在水面上，并且由设置在箱体1顶部(浮在水面以上的)上方的太阳能电池板2在太阳光照下产生电力，并联合蓄电池1-1的蓄电和供电功能，能够长期持续给水泵5以及微电流回路提供电力，从而无需额外提供动力设备；同时，装置中还将装设在进水管3和出水管4内活性炭纤维填料8与蓄电池1-1电连接构成回路，并通过电流控制器11控制流经该回路的电流为5～20mA的微电流，该微电流刺激能够促进在活性炭纤维填料表面发生污染物降解和好氧微生物生长；此外，装置中还设计了互相配合的充氧结构，通过水泵5的运动，将河道水抽入进水管3并经水泵5后形成射流水流，使得水面以上的空气通过进气管7汇入射流水流中对水体充氧，再经由出水管4流出；由于河道水体在进水管3和出水管4中经过的时候，一方面在微电流刺激下，在活性炭纤维填料8表面发生污染物降解和好氧微生物生长；另一方面，由于空气汇入射流水流形成的充氧水体中溶解氧浓度增加，形成适合好氧降解的环境，进一步强化促进微生物生长和污染物降解，水体再流回到河道中，河道水体中污染物得以有效降解，河道水体自净功能逐渐恢复，从而解决河道水体黑臭问题，实现生态修复。
可见，上述装置无需配设动力装置，运行成本低，维护简便，适用范围广泛；结构设计巧妙，通过对经过进水管和出水管的水体同时进行微电流刺激和充氧，实现了水体中好氧微生物和溶解氧持续增加，促进水体中好氧降解的发生，改善水体水质；结构简单，制造容易，成本低廉，适合推广应用；占地小、可移动、使用方便、维护成本低，应用范围广。
由此可见，本发明的目的已经完整并有效的予以实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中予以展示和说明，在不背离所述原理的情况下，实施方式可作任意修改。所以，本发明包括了基于权利要求精神及权利要求范围的所有变形实施方式。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种电刺激微生物生态修复装置，其特征在于，包括：
箱体，所述箱体分为上层和下层，所述上层固定有蓄电池，所述下层为封闭的空腔；
太阳能电池板，所述太阳能电池板设置在所述箱体的上方，所述太阳能电池板与所述蓄电池电连接；
进水管和出水管，所述进水管的顶端位于所述空腔内部，所述进水管竖直向下延伸使得所述进水管的底端置于所述空腔外部；所述出水管的顶端位于所述空腔内部，所述出水管竖直向下延伸使得所述出水管的底端置于所述空腔外部；所述进水管和出水管的内部均填充有活性炭纤维填料，位于所述进水管的底端的活性炭纤维填料通过第一导线与所述蓄电池的正极电连接，位于所述出水管的底端的活性炭纤维填料通过第二导线与电流控制器电连接，所述电流控制器与所述蓄电池的负极通过第三导线电连接，位于所述进水管的顶端的活性炭纤维填料和位于所述出水管的顶端的活性炭纤维填料通过第四导线电连接，构成电流回路；
水泵，所述水泵与所述蓄电池电连接，所述水泵的进水口与所述进水管的顶端连接；
喉管，所述喉管将所述水泵的出水口与所述出水管的顶端在所述空腔内部联通，所述喉管依次包括入口段、收缩段、喉部、扩散段和出口段，所述入口段与所述水泵的出水口连接，所述出口段与所述出水管的顶端连接，所述喉部处接通有竖直向上的进气管，所述进气管贯穿所述箱体且所述进气管的顶端延伸至所述箱体之外。
2.如权利要求1所述的电刺激微生物生态修复装置，其特征在于，所述箱体的外表面涂覆有防水涂层。
3.如权利要求1所述的电刺激微生物生态修复装置，其特征在于，所述箱体为长方体形状。
4.如权利要求1所述的电刺激微生物生态修复装置，其特征在于，述电流控制器控制流经所述电流回路的微电流为5～20mA。
5.如权利要求1所述的电刺激微生物生态修复装置，其特征在于，所述进水管的直径为所述进气管的直径的10～15倍，所述出水管的直径为所述进气管的直径的10～15倍。
6.如权利要求1所述的电刺激微生物生态修复装置，其特征在于，所述活性炭纤维填料的外形直径为5～20微米，孔宽分布在0.5～1.5nm间的微孔体积占总孔体积的90％以上，比表面积为800～1500m2/g。
7.如权利要求1所述的电刺激微生物生态修复装置，其特征在于，所述进水管和出水管均采用PE管。
8.如权利要求1所述的电刺激微生物生态修复装置，其特征在于，所述空腔的体积是所述蓄电池体积的10～20倍。
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