CN109205767A - 一种水体修复的生态浮床沉积型微生物燃料电池耦合装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于自然水体修复技术领域，公开了一种水体修复的生态浮床沉积型微生物燃料电池耦合装置，将生态浮床耦合沉积型微生物燃料电池，生态浮床包括生态浮床床体和生态浮床框体，生态浮床床体上部设置生态浮床植物；沉积型微生物燃料电池包括同时作为阴极和生态浮床植物基质的生态浮床基质，生态浮床基质设置在与生态浮床连接的基质固定网内，生态浮床基质内部设置集电器，集电器通过电阻连接阳极，阳极埋置于水体的底泥中。本发明在对水体进行污染物去除的同时，通过沉积型微生物燃料电池对底泥进行了治理，有效解决了水体的内源污染问题，较为彻底的治理水体污染，具有显著的环境和经济效益。
Description
技术领域
本发明属于自然水体修复技术领域，具体的说，是涉及一种将生态浮床与沉积型微生物燃料电池耦合，进行自然水体修复的装置。
背景技术
随着我国经济的发展，工业化和城市化进程加快，生活污水和工业废水水量增加，大量未经处理或者处理不达标的废水排入自然水体，导致河流和湖泊等水体受到污染。农业中化肥和农药的过度使用，随着雨水径流等汇入水体，现今氮、磷、重金属、持久性有机物等污染物在水体中大量积累，对人们的生活和生产用水造成巨大威胁。
同时，底泥对水体的污染释放也是应关注的主要问题。污染物在水体和底泥之间会相互迁移转化，当外源污染得到有效控制的时候，底泥作为水体的内源污染作用突出，底泥中的污染物会向水体释放，对水体水质产生直接影响。
现在的水体修复技术包括底泥疏浚、投加化学试剂、水生植物净化等。底泥疏浚能较大程度上削减底泥对上覆水体的污染，但是会破坏底泥生态环境，操作不当容易造成更严重的水体污染。投加化学试剂能在一段时间内较大程度改善水质，处理效果十分明显。但需要投入大量资金且治标不治本，同时易对水体造成二次污染。用水生植物净化水体造价低、运行费用低、效果明显抗冲击能力强，同时还兼具美化环境，景观改善的作用，带来了一定的环境效益，为水中生物营造良好的生存环境，但对底泥的修复作用有限。
发明内容
本发明要解决的是自然水体的氮、磷、重金属、有机物等污染以及底泥对水体的污染释放的技术问题，提供一种水体修复的生态浮床沉积型微生物燃料电池耦合装置，将生态浮床耦合沉积型微生物燃料电池，对自然水体进行修复的同时，对底泥中的污染物进行去除，减少水体的内源污染，从而达到较好的水体处理效果。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种水体修复的生态浮床沉积型微生物燃料电池耦合装置，包括生态浮床和沉积型微生物燃料电池；
所述生态浮床包括生态浮床植物、生态浮床床体、生态浮床框体；所述生态浮床床体填充于所述生态浮床框体中，所述生态浮床植物设置在生态浮床床体上部且其植物根部延伸至水体中；
所述沉积型微生物燃料电池包括生态浮床基质、基质固定网、集电器、电阻、阳极；所述生态浮床基质采用可作为沉积型微生物燃料电池阴极的导体颗粒，同时所述生态浮床植物***所述生态浮床基质中与水体接触；所述生态浮床基质设置在所述基质固定网内，所述基质固定网与所述生态浮床床体或所述生态浮床框体连接，使所述生态浮床基质与水体形成接触；所述生态浮床基质内部设置所述集电器，所述集电器通过导线连接所述电阻，所述电阻通过导线连接所述阳极，所述阳极埋置于水体的底泥中。
进一步地，所述生态浮床植物为鸢尾、旱伞草、芦苇、黄菖蒲、风车草、再力花、美人蕉、水葱、水芹中的至少一种。
进一步地，所述生态浮床框体为三角形、四方形或六边蜂巢形。
进一步地，所述生态浮床框体采用PVC管、UPVC管、不锈钢管、木材或毛竹，所述生态浮床床体采用聚苯乙烯泡沫板。
进一步地，所述生态浮床基质采用活性炭颗粒或石墨颗粒。
进一步地，所述基质固定网采用尼纶网、聚酯网、聚乙烯网或超高分子量聚乙烯网。
进一步地，所述集电器为不锈钢网、石墨板或不锈钢板。
进一步地，所述电阻的阻值为500-3000欧。
进一步地，所述阳极采用石墨板、碳布或碳毡。
本发明的有益效果是：
本发明通过生态浮床与沉积型微生物燃料电池耦合，在对水体进行污染物去除的同时，通过沉积型微生物燃料电池对底泥进行了治理，有效解决了水体的内源污染问题，较为彻底的治理水体污染，具有显著的环境和经济效益。环境效益包括提高了水体的绿化面积，改善了区域生态，为鸟类、鱼类、昆虫等提供了栖息环境，增强了水体的物种多样性，有较好的水体修复效果，增强了水体抗污染的能力。经济效益包括结构简单，材料来源广泛，成本低廉，施工简单，投资小，无动力消耗，节省了运行投资费用，易于管理。
(一)本发明可去除水体中的氮、磷：植物茂密的根系对氮磷具有截留和吸附等物理作用；植物植物的生长发育会吸收氮磷；植物具有根际泌氧功能，在根际形成好氧-厌氧环境，有利于硝化和反硝化的进行；植物会产生根际沉淀，为微生物提供了适宜的生长环境，有利于水体中氮磷的去除。
(二)本发明可去除水体中的有机物：植物的根系分泌大量酶、有机酸及糖类等，可以加速水体中大分子污染物的分解；植物根际的微生物利用水体中的有机物作为碳源。
(三)本发明可去除水体中的重金属：植物对水体中的重金属具有吸收代谢和富集作用，对植物进行收割，从而去除水体中的重金属。
(四)本发明可去除底泥中的有机物：沉积型微生物燃料电池的阳极埋入底泥中，厌氧环境下的微生物以阳极作为电子受体，分解底泥中的有机物。
附图说明
图1是本发明的生态浮床沉积型微生物燃料电池耦合装置的结构示意图。
图中：1、生态浮床植物；2、生态浮床床体；3、生态浮床框体；4、生态浮床基质；5、基质固定网；6、集电器；7、电阻；8、底泥；9、阳极。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如图1所示，本实施例提供了一种水体修复的生态浮床沉积型微生物燃料电池耦合装置，主要包括生态浮床植物1、生态浮床床体2、生态浮床框体3、生态浮床基质4、基质固定网5、集电器6、电阻7、沉积型微生物燃料电池的阳极9，以上部件构成生态浮床和沉积型微生物燃料电池两大部分。
生态浮床主要由生态浮床植物1、生态浮床床体2、生态浮床框体3构成。生态浮床床体2和生态浮床框体3构成生态浮床的基座，生态浮床植物1设置在生态浮床床体2上部，植物根部浸入水体中。
生态浮床植物1用于吸收水体中的氮、磷、重金属，降解有机物污染物，但不同的植物对不同污染物的去除效果不一样，因此本发明的实施例优选采用多种植物组合的形式，其对污染物的去除能力大于单一的生态浮床植物1，形成丰富、稳定的水生植物生态群落，有比较广的应用范围。生态浮床植物1可选择鸢尾、旱伞草、芦苇、黄菖蒲、风车草、再力花、美人蕉、水葱、水芹中的一种以上作为组合植物，根系发达，形态各异，在保持高效的污染物去除效率和维护自然***平衡的同时，极大地提高了水体景观的观赏性。
生态浮床框体3构成生态浮床基座的框架结构，生态浮床床体2填充在该框架结构中，构成三角形、四方形或六边蜂巢形的生态浮床基座，具有结构稳定、外形美观、强度可靠、经久耐用的特点。生态浮床床体2和生态浮床框体3提供浮力，保证生态浮床稳定漂浮在水体水面上，并且生态浮床床体2作为生态浮床植物1的生长载体。生态浮床床体2可采用聚苯乙烯泡沫板，聚苯乙烯泡沫板有成本低廉、浮力强大、性能稳定的特点，而且原材料来源充裕、不污染水质、材料本身无毒疏水，方便设计和施工，重复利用率相对较高。生态浮床框体3可选用PVC管、聚氯乙烯(UPVC)管、不锈钢管、木材、毛竹等，这些材料对水体没有负面影响，价格低廉，重量轻，具有比较好的抵抗风浪的能力。
沉积型微生物燃料电池主要由生态浮床基质4、基质固定网5、集电器6、电阻7、沉积型微生物燃料电池的阳极9构成。
生态浮床基质4可采用活性炭颗粒或石墨颗粒等导体颗粒，一方面作为固定生态浮床植物1的基质，另一方面作为沉积型微生物燃料电池的阴极。活性炭颗粒或石墨颗粒有巨大的表面积，可以增大与固定生态浮床植物1根系的接触面积，为微生物的大量附着提供适宜的环境，提高对水体中污染物的降解能力。阴极的电子受体不足往往是沉积型微生物燃料电池性能的限制因素，而生态浮床基质4具有很大的表面积，与植物的根系、水、微生物充分接触，能够利用植物根际泌氧释放的氧气和水体中的硝酸盐、硫酸盐作为电子受体，从而提高水体中氮磷的去除效率，同时增强了沉积型微生物燃料电池的性能，有利于底泥中难降解有机污染物的去除。
生态浮床基质4设置在基质固定网5内，使生态浮床基质4可以与水体形成接触，基质固定网5与生态浮床床体2或生态浮床框体3连接。图1中所示的实施方式是基质固定网5与生态浮床床体2连接，在生态浮床床体2边缘以5cm的间隔打上孔，用尼龙绳穿过孔之后与基质固定网5绑到一起，将基质固定网5与生态浮床床体2固定。基质固定网5材料可选用尼纶、聚酯、聚乙烯和超高分子量聚乙烯等，具有强度高、质量轻、抗老化和抗污损能力强等特点。生态浮床植物1的根系延伸至生态浮床基质4中，以使根系与水体的接触，保证生态浮床植物1的正常生长。
生态浮床基质4中铺设有不锈钢网、石墨板、不锈钢板作为集电器5，集电器5与生态浮床基质4相接触。集电器5一般铺设在基质固定网5上，位于活性炭颗粒4底部。集电器5与阴极(生态浮床基质4)形成较大的接触面积，将来自阳极9的电子更好地分布在生态浮床基质4上，提高了与植物根际泌氧的反应速率。
沉积型微生物燃料电池的阳极9埋在底泥8中，沉积型微生物燃料电池的阳极9采用石墨板、碳布、碳毡，以上材料价格便宜，取材容易，适合底泥8中的微生物生长附着，有比较好的导电能力，作为底泥中难降解有机物的电子受体，大大提高有机物的降解速率。
集电器5和沉积型微生物燃料电池的阳极9以电阻7连接，电阻7与集电器5之间通过导线连接，电阻3与阳极9之间通过导线连接。电阻7的阻值通常在500-3000欧范围内选择，具体阻值大小根据集电器5和沉积型微生物燃料电池阳极9的距离选择合适数值。
本发明的生态浮床沉积型微生物燃料电池耦合装置工作过程如下：
生态浮床床体2提供浮力，生态浮床框体3起到保护生态浮床床体2的作用，基质固定网5固定在生态浮床床体2或生态浮床框体3上，基质固定网5内填充生态浮床基质4，生态浮床植物1的根部生长在生态浮床基质4中，与水和生态浮床基质4充分接触，植物具有根际泌氧和根际沉淀功能，在根际形成好氧-厌氧环境，为微生物提供生存所需的营养物质和适宜的环境，利用微生物去除水中的氮磷，而且植物茂密的根系对氮磷具有截留和吸附等物理作用；植物植物的生长发育会吸收氮磷，通过植物和微生物的联合作用，可以有效去除水体中氮磷。植物的根系分泌大量酶、有机酸及糖类等，可以加速水体中大分子污染物的分解；植物对水体中的重金属具有吸收代谢和富集作用，对植物进行收割，从而去除水体中的重金属。
沉积型微生物燃料电池的阳极9埋入底泥中，厌氧环境下的微生物以阳极9作为电子受体，分解底泥中的有机物。生态浮床基质4同时作为沉积型微生物燃料电池的阴极，通过植物的根际泌氧增加了阴极的电子受体，从而加大了微生物燃料电池对底泥污染物的处理效果。
将本发明的水体修复的生态浮床沉积型微生物燃料电池耦合装置，在不同污染水体中进行修复试验，以观测本发明装置的效果：
试验例1
生态浮床耦合沉积型微生物燃料电池用于修复富营养化湖泊：
湖泊水体富营养化的污染来源主要包括外源和内源，内源污染主要指进入湖泊中的营养物质沉降至湖泊底质表层，在一定条件下向水体释放，成为湖泊富营养化的主导因子。对于富营化程度较高的湖泊，沉积物中的污染物会不断释放进入水体，因此，即使在外源污染得到有效控制的情况下，湖泊仍会长期处于富营养化状态，可见，内源治理十分重要。本发明通过生态浮床和沉积型微生物燃料电池联合作用，吸收和降解水体中的氮、磷和有机物，修复水体，沉积型微生物燃料电池的阳极9埋在底泥8中，对底泥8中的污染物进行降解，控制了富营养化湖泊的内源污染。
试验例2
生态浮床耦合沉积型微生物燃料电池用于城市黑臭水体污染治理：
黑臭水体是水体污染的一种极端现象，造成黑臭水体的主要污染源包括有机污染物、底泥向水体中释放污染物等。随着经济的发展，工业化和城镇化速度加快，产生的污水和废水量增多，但城市污水处理能力不足，大量有机污染物排入城市水体，造成水体黑臭。本发明的生态浮床沉积型微生物燃料电池耦合装置可以有效去除水体和底泥中的有机物质，避免黑臭水体给人的感官不佳，生态浮床增加了绿化面积，改善了城市的生态环境。
试验例3
生态浮床耦合沉积型微生物燃料电池用于景观水体：
本发明的生态浮床沉积型微生物燃料电池耦合装置中的生态浮床植物1采用鸢尾、美人蕉、千屈菜和黄菖蒲多种植物组合，在取得了比较好的水体修复效果的同时也产生了不错的景观效果。本发明可应用在景观水体中，可以提高水体的绿化面积，改善区域生态，为鸟类、鱼类、昆虫等提供栖息环境，增强了水体的物种多样性性，增强了水体抗污染的抵抗能力。
可见，当水体的外源污染得到控制时，底泥8作为内源污染对水体的水质有很大影响。本发明将生态浮床与沉积型微生物燃料电池耦合，在水体进行修复的同时对底泥中的难降解有机污染物进行分解，从而产生了比较好的水体修复效果。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种水体修复的生态浮床沉积型微生物燃料电池耦合装置，其特征在于，包括生态浮床和沉积型微生物燃料电池；
所述生态浮床包括生态浮床植物、生态浮床床体、生态浮床框体；所述生态浮床床体填充于所述生态浮床框体中，所述生态浮床植物设置在生态浮床床体上部且其植物根部延伸至水体中；
所述沉积型微生物燃料电池包括生态浮床基质、基质固定网、集电器、电阻、阳极；所述生态浮床基质采用可作为沉积型微生物燃料电池阴极的导体颗粒，同时所述生态浮床植物***所述生态浮床基质中与水体接触；所述生态浮床基质设置在连接于所述生态浮床的所述基质固定网内，使所述生态浮床基质与水体形成接触；所述生态浮床基质内部设置所述集电器，所述集电器通过导线连接所述电阻，所述电阻通过导线连接所述阳极，所述阳极埋置于水体的底泥中。
2.根据权利要求1所述的一种水体修复的生态浮床沉积型微生物燃料电池耦合装置，其特征在于，所述生态浮床植物为鸢尾、旱伞草、芦苇、黄菖蒲、风车草、再力花、美人蕉、水葱、水芹中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种水体修复的生态浮床沉积型微生物燃料电池耦合装置，其特征在于，所述生态浮床框体为三角形、四方形或六边蜂巢形。
4.根据权利要求1所述的一种水体修复的生态浮床沉积型微生物燃料电池耦合装置，其特征在于，所述生态浮床框体采用PVC管、UPVC管、不锈钢管、木材或毛竹，所述生态浮床床体采用聚苯乙烯泡沫板。
5.根据权利要求1所述的一种水体修复的生态浮床沉积型微生物燃料电池耦合装置，其特征在于，所述生态浮床基质采用活性炭颗粒或石墨颗粒。
6.根据权利要求1所述的一种水体修复的生态浮床沉积型微生物燃料电池耦合装置，其特征在于，所述基质固定网采用尼纶网、聚酯网、聚乙烯网或超高分子量聚乙烯网。
7.根据权利要求1所述的一种水体修复的生态浮床沉积型微生物燃料电池耦合装置，其特征在于，所述集电器为不锈钢网、石墨板或不锈钢板。
8.根据权利要求1所述的一种水体修复的生态浮床沉积型微生物燃料电池耦合装置，其特征在于，所述电阻的阻值为500-3000欧。
9.根据权利要求1所述的一种水体修复的生态浮床沉积型微生物燃料电池耦合装置，其特征在于，所述阳极采用石墨板、碳布或碳毡。
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