CN113480013A - 一种水生植物-微生物电化学修复***及其应用、治理有机污染水体的方法 - Google Patents

一种水生植物-微生物电化学修复***及其应用、治理有机污染水体的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种水生植物‑微生物电化学修复***及其应用、治理有机污染水体的方法。本发明提供了一种水生植物‑微生物电化学修复***，包括包括复合工作电极(9)、碳毡对电极(4)、水生修复植物(5)和恒电位仪(6)；所述复合工作电极(9)与所述恒电位仪(6)通过第一外导线(71)电信连接；所述碳毡对电极(4)与所述恒电位仪(6)通过第二外导线(72)电信连接；所述复合工作电极(9)包括生物炭(2)。所述水生植物‑微生物电化学修复***对有机污染水体具有很好的治理效果。

Description

一种水生植物-微生物电化学修复***及其应用、治理有机污 染水体的方法
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种水生植物-微生物电化学修复***及其应用、治理有机污染水体的方法。
背景技术
随着全球化进程与人类生活节奏的加快，越来越多的有机污染物排放到水体，威胁着水资源的安全。农业、工业和生活废水中含有的有机污染物主要有多环芳烃、多氯联苯、酚类、农药和抗生素等，他们一般具有致癌、致畸和生物毒性，严重危害生态环境和人类健康。一些可持续性有机物，例如多环芳烃、多氯联苯等具有化学结构稳定、生物毒性强的特点，很难从环境中去除。因此，研发一种高效去除废水中有机污染物的实用技术是很迫切的。
目前，针对有机污染废水处理的技术根据其原理主要可以分为物理吸附、化学氧化、生物降解技术。物理吸附利用固体吸附剂的多孔表面吸附水体中的污染物，并在它们之间形成物理或者化学键，从而达到净化水体的目的。物理吸附能够通过不断改善吸附剂性能实现污染物的快速转移，但是有毒有害物质并没有被真正去除。化学氧化技术利用化学氧化剂(如过氧化氢、臭氧、高锰酸钾等)将有机污染物氧化为低毒、无害的物质或者转化为可控的形态。通常，化学氧化技术由于使用了大量的化学试剂会对水体造成二次污染，并且其高成本也会阻碍其规模化处理污染水体。生物降解技术一般是利用细菌、真菌、植物或者动物自身的代谢反应吸收、转移、转化有机污染物，被认为是一种绿色、经济安全的修复技术。
目前净化水体的生物降解技术主要分为微生物修复和植物修复。微生物修复包括好氧降解技术(如曝气、活性污泥反应器、膜生物反应器)、厌氧降解技术(流式厌氧污泥层反应器、厌氧生物滤池)以及好氧与厌氧相结合的技术(如氧化沟)。植物修复一般选择生存能力较强、根系发达的水生植物，利用其根系的吸收作用，植物自身的净化作用去除污染物。目前新型的人工湿地技术原理上将湿地作为生物过滤器，结合微生物、植物、动物的自净作用实现水中污染物的去除。而对于高浓度工厂污染废水的处理，电子受体相对匮乏会导致功能菌的数量少和活性低，且群落结构不稳定，从而达不到理想的去除效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水生植物-微生物电化学修复***及其应用、治理有机污染水体的方法，所述水生植物-微生物电化学修复***对有机污染水体具有很好的治理效果。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种水生植物-微生物电化学修复***，包括复合工作电极9、碳毡对电极4、水生修复植物5和恒电位仪6；所述复合工作电极9与所述恒电位仪6通过第一外导线71电信连接；所述碳毡对电极4与所述恒电位仪6通过第二外导线72电信连接；
所述复合工作电极9包括生物炭2。
优选的，所述水生修复植物5种植于所述碳毡对电极4上，且所述水生修复植物5的根系穿过所述碳毡对电极4进入待治理有机污染水体中。
优选的，所述水生修复植物5包括鸢尾、芦苇、菖蒲或芦竹。
优选的，所述水生修复植物5的种植密度为2～20株/平方米。
优选的，所述碳毡对电极4固定并漂浮于所述待治理有机污染水体表面；
所述复合工作电极9通过连接所述碳毡对电极4的尼龙绳3固定悬浮在所述待治理有机污染水体中。
优选的，所述复合工作电极9位于所述待治理有机污染水体中的深度为20～50cm。
优选的，所述恒电位仪6的电压可调范围为0～10V，记录电流信号的范围为0～5mA，精度为0.01mA。
本发明还提供了上述技术方案所述的水生植物-微生物电化学修复***在治理有机污染水体中的应用。
本发明还提供了一种治理有机污染水体的方法，包括以下步骤：
将上述技术方案所述的水生植物-微生物电化学修复***置于待治理有机污染水体中，通过恒电位仪6施加电压，进行植物-微生物电化学修复。
本发明提供了一种水生植物-微生物电化学修复***，包括复合工作电极9、碳毡对电极4、水生修复植物5和恒电位仪6；所述复合工作电极9与所述恒电位仪6通过第一外导线71电信连接；所述碳毡对电极4与所述恒电位仪6通过第二外导线72电信连接；所述复合工作电极9包括生物炭2。本发明所述的水生植物-微生物电化学修复***可以通过外加电源刺激并稳定产电，实现功能菌群的富集，并依靠外源电极(即复合工作电极)促进有机污染物的持续消耗；水生修复植物的引入一方面可以利用其分泌的根际代谢物为根际功能微生物群(降解菌和产电菌等)提供营养物质(碳源或氮源等)，另一方面可以利用其根系能够吸收小分子污染物促进污染物的去除。同时，所述复合工作电极中的生物炭和固定生物炭的不锈钢网可以进一步提高复合工作电极的物理吸附性能，能够强化污染物的消耗。即本发明综合了植物-微生物降解、电化学刺激和物理吸附作用，进一步强化了有机污染水体的治理，具有优良的修复性能。
此外，该修复***运行时不需要额外添加碳源、绿色环保、成本可控，具有生态景观功能。
本发明还提供了一种治理有机污染水体的方法，包括以下步骤：将上述技术方案所述的水生植物-微生物电化学修复***置于待治理有机污染水体中，通过恒电位仪6施加电压，进行植物-微生物电化学修复。所述方法实现了稳定且高效的修复效果。实际操作简单、成本较低、环境扰动小，具有规模化处理工厂高浓度污染废水的潜力。
附图说明
图1为本发明所述的水生植物-微生物电化学修复***的示意图；其中，1-不锈钢网，2-生物炭，3-尼龙绳，4-碳毡对电极，5-水生修复植物，6-恒电位仪，71-第一外导线，72-第二外导线，8-电流信号收集与处理***，9-复合工作电极；
图2为实施例1构建的修复***与对比例2在30天修复器件的平均电流变化曲线；
图3为实施例1构建的修复***与对比例2在第0、10、20和30天329nm处吸光度的变化曲线；
图4为实施例1构建的修复***与对比例2在第0、10、20和30天TOC含量变化曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种水生植物-微生物电化学修复***，包括复合工作电极9、碳毡对电极4、水生修复植物5和恒电位仪6；所述复合工作电极9与所述恒电位仪6通过第一外导线71电信连接；所述碳毡对电极4与所述恒电位仪6通过第二外导线72电信连接；
所述复合工作电极9包括生物炭2。
作为本发明的一个具体实施例，所述复合工作电极9还包括固定所述生物炭2的不锈钢网1。
在本发明中，所述生物炭2的粒径优选为0.5～5mm，更优选为2mm；所述生物炭2的比表面积优选为500～1500m2/g，更优选为1200m2/g。在本发明中，所述生物炭2的种类优选为椰壳生物炭、玉米秸秆生物炭、稻壳生物炭或竹炭，更优选为椰壳生物炭。本发明对所述生物炭2的来源没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的来源即可。
在本发明中，所述不锈钢网1的网丝直径优选为1～10mm，更优选为2mm；所述不锈钢网丝的孔径优选为0.1～5mm，更优选为1mm。
作为本发明的一个具体实施例，所述生物炭2的粒径大于所述不锈钢网1的孔径。
作为本发明的一个具体实施例，所述不锈钢网1固定生物炭2的方式为包裹。
在本发明中，所述水生修复植物5优选包括尾、芦苇、菖蒲或芦竹，更优选包括鸢尾，具体为蓝花鸢尾。
在本发明中，上述水生修复植物5具有较为发达的根系和较高的污染物耐受能力。
作为本发明的一个具体实施例，所述水生修复植物5种植于所述碳毡对电极4上，且所述水生修复植物5的根系穿过所述碳毡对电极4进入待治理有机污染水体中。
在本发明中，所述水生修复植物5的种植密度优选为2～20株/平方米，更优选为5～15株/平方米，最优选为9株/平方米。
作为本发明的一个具体实施例，所述复合工作电极9通过尼龙绳3悬浮在所述待治理有机污染水体中。在本发明中，所述尼龙绳3的直径优选为0.5～20mm，更优选为10mm。在本发明中，所述复合工作电极9位于所述待治理有机污染水体中的深度优选为20～50cm，更优优选为25～35cm，最优选为30cm。在本发明中，将所述复合工作电极9设置在上述深度范围内可以保证植物根系分泌的营养物质能够被复合工作电极9上附着的微生物利用。
作为本发明的一个具体实施例，所述碳毡对电极4固定并漂浮在所述待治理有机污染水体的表面。在本发明中，所述碳毡对电极4的厚度优选为10～50mm，更优选为30mm。
作为本发明的一个具体实施例，所述恒电位仪6的电压可调范围为0～10V，记录电流信号的范围为0～5mA，精度为0.01mA。
作为本发明的一个具体实施例，所述水生植物-微生物电化学修复***还包括电流信号收集与处理***8；所述恒电位仪6和所述电流信号收集与处理***8电信连接。
本发明利用电流信号收集与处理***8记录的电流信号反映污染物的去除过程，其构型也具有实际场地修复的潜力。
在本发明中，所述水生植物-微生物电化学修复***的制备过程优选包括以下步骤：
采用不锈钢网1对生物炭2进行包裹并密封，得到复合工作电极9；
将尼龙绳3的一端连接碳毡对电极4，另一端连接所述复合工作电极9，使所述碳毡固定并漂浮于水体表面，所述复合工作电极9固定悬浮与待治理有机污染水体中；
将碳毡对电极4固定并漂浮于待治理有机污染水体的表面；
将水生修复植物5种植于所述碳毡对电极4上，并使其根系进入水体；
分别采用第一外导线71和第二外导线72，将所述复合工作电极9与碳毡对电极4分别连接恒电位仪6的阳极和阴极，得到所述水生植物-微生物电化学修复***。
在本发明中，将所述复合工作电极9与碳毡对电极4分别连接恒电位仪6的阳极和阴极后还优选包括将所述恒电位仪与电流信号收集与处理***8电信连接。
在本发明中，所述密封优选为采用铁丝扎紧封口。
本发明还提供了上述技术方案所述的水生植物-微生物电化学修复***在治理有机污染水体中的应用。
本发明还提供了一种治理有机污染水体的方法，包括以下步骤：
将上述技术方案所述的水生植物-微生物电化学修复***置于待治理有机污染水体中，通过恒电位仪6施加电压，进行植物-微生物电化学修复。
在本发明中，通过恒电位仪6施加的电压优选为0.5～1.5V，更优选为0.7V。
在本发明中，所述修复优选在室温条件为25℃，湿度为50％RH，保持每日12h的光照时间和通风的环境中进行。
在本发明中，所述待治理有机污染水体的污染物总浓度优选为500～2000mg/L。
在本发明中，所述植物-微生物电化学修复过程中，通过电流信号收集与处理***8监测所述待治理有机污染水体中污染底物的降解情况。该电极***能够充当生物传感器，产生的电流信号可以检测污染物的降解过程。
本发明针对目前植物-微生物治理高浓度工厂污染废水中电子受体相对匮乏从而导致修复效率低的问题，将微生物电化学技术引入并提出了新型的水生植物-微生物电化学零碳源添加修复***的构建及其治理有机污染水体的方法，该发明具有以下优点：修复效率高且运行稳定，该发明综合了植物-微生物降解、电化学刺激、物理吸附作用强化有机污染水体的治理，实现了良好的处理效果；通过施加外电源刺激并稳定产电功能菌的富集保证了运行条件的稳定，在消耗去除有机污染物的同时，也能对污染水体的氮、磷等污染物进行同步去除，可避免水体的富营养化；绿色环保，且具有景观生态功能。该发明所运用的技术方法和材料对环境扰动小，基本没有二次危害；引入的水生修复植物具有一定的可观赏性和生态功能；成本可控，可规模化应用。该发明不需要外加碳源，利用植物根际分泌物保证功能菌的活性；所应用的微弱外电压能耗小，可长期运行；所运用的电极材料成本低廉；***构建方法简单易行，具备规模化处理工厂废水的潜力；具有生物传感器功能。该发明利用复合工作电极9降解消耗有机污染物同步产生电流信号，通过数据采集与处理***可实时监测污染物降解情况。
下面结合实施例对本发明提供的水生植物-微生物电化学修复***及其应用、治理有机污染水体的方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
修复***的主体为：长宽高分别为100cm、100cm和60cm的长方体亚克力材质箱体，所述亚克力材质箱体的厚度为1cm；
按照图1所示结构：
将500L石油烃污染废水(取自山东胜利油田钻油井)倒入箱体，液面高度为50cm；
利用长宽均为30cm的不锈钢网(网丝直径为2mm，孔径为1mm)，将500g的椰壳生物炭(粒径为2mm)进行包裹，并用铁丝扎紧封口，得到复合工作电极；
将长宽均为15cm，厚度为30mm的碳毡固定并漂浮于水体表面；将直径为10mm的尼龙绳3的一端连接碳毡对电极4，另一端连接所述复合工作电极，并将其悬浮于距离水体表面30cm的深度；
将长势良好、根系发达的蓝花鸢尾幼苗种植于所述碳毡对电极3表面，使其根系进入水体，分别采用第一外导线71和第二外导线72，将所述复合工作电极与碳毡对电极4分别连接恒电位仪6的阳极和阴极，并将所述恒电位仪与电流信号收集与处理***8电信连接，得到所述水生植物-微生物电化学修复***，其中每个长方体箱体中均匀放置9组所述水生植物-微生物电化学修复***，记为PMEC。
对比例1
将取自与实施例1相同来源的石油烃污染废水作为对照组OS。
对比例2
参考实施例1，区别仅在于将没有受到石油烃污染的水倒入箱体，液面高度为50cm，记为对照组CK。
测试例
在室温条件为25℃，湿度为50％RH，保持每日12h的光照时间和通风的环境中，调节所述恒电位仪6的电压至0.7V，开启所述水生植物-微生物电化学修复***修复30天，并利用电流信号收集与处理***8监测污染底物的降解情况；
在上述修复过程中，每隔10天取一次水样用于TOC(指溶解到水体中所有有机质，主要包括石油烃组分及少量根际分泌物等)含量和329nm处吸光度的测定，所述TOC含量的测定通过TOC仪进行定量测定；329nm处吸光度的测定通过紫外分光光度计进行测定；电流信号通过恒电位仪6进行采集，并利用电流信号收集与处理***8检测信号变化；
图2为实施例1构建的修复***(PMEC组)与对比例2(CK组)在30天修复器件的平均电流变化曲线，由图2可知，CK组的平均电流呈现缓慢增加直至稳定的趋势，其电流范围在0.11～0.27mA之间；PMEC组的电流整体上显著高于CK组，在前期电流快速增加(在第12天达到0.61±0.08mA)，之后缓慢降低，在第26天之后降到与CK相当的水平。CK组中水体不含石油烃污染物，其电流主要是由根际分泌物的代谢产生的；电流的初始增加表明产电菌的富集，随后电流的稳定表明根际分泌物能够持续产出为微生物提供营养物质。PMEC组高电流的产生主要由于石油烃物质的代谢；随着污染物质的消耗，电流逐渐降低。这些结果表明，构建的水生植物—微生物电化学零碳源添加修复***能够降解水中石油类物质并通过电流信号反映这一过程；
图3为实施例1构建的修复***与对比例2在第0、10、20和30天329nm处吸光度的变化曲线；由图3可知，CK组的初始吸光度为0.156±0.012，PMEC组的初始(即OS)吸光度为0.852±0.063，表明329nm吸光度能够反映水中石油烃物质的含量。在第10天，PMEC组的329nm吸光度相对于OS降低了38％(为0.526±0.041)，占总降低量的65％，表明水中石油烃的去除主要发生在前期；
图4为实施例1构建的修复***与对比例2在第0、10、20和30天TOC含量变化曲线；由图4可知，CK组中初始TOC含量为152±22mg/L，并呈现随时间下降的趋势。PMEC组由于石油烃污染物的存在，初始(即OS)TOC含量达到了1232±121mg/L；其去除主要集中在前10天(去除率达到了39％)，30天的总去除率为74％(相对于OS)。这些结果表明该发明构建的典型水生植物—微生物电化学零碳源添加修复***对高浓度的有机污染废水有很好的修复性能。
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 (9)

1.一种水生植物-微生物电化学修复***，其特征在于，包括复合工作电极(9)、碳毡对电极(4)、水生修复植物(5)和恒电位仪(6)；所述复合工作电极(9)与所述恒电位仪(6)通过第一外导线(71)电信连接；所述碳毡对电极(4)与所述恒电位仪(6)通过第二外导线(72)电信连接；
所述复合工作电极(9)包括生物炭(2)。
2.如权利要求1所述的水生植物-微生物电化学修复***，其特征在于，所述水生修复植物(5)种植于所述碳毡对电极(4)上，且所述水生修复植物(5)的根系穿过所述碳毡对电极(4)进入待治理有机污染水体中。
3.如权利要求2所述的水生植物-微生物电化学修复***，其特征在于，所述水生修复植物(5)包括鸢尾、芦苇、菖蒲或芦竹。
4.如权利要求1～3任一项所述的水生植物-微生物电化学修复***，其特征在于，所述水生修复植物(5)的种植密度为2～20株/平方米。
5.如权利要求1所述的水生植物-微生物电化学修复***，其特征在于，所述碳毡对电极(4)固定并漂浮于所述待治理有机污染水体表面；
所述复合工作电极(9)通过连接所述碳毡对电极(4)的尼龙绳(3)固定悬浮在所述待治理有机污染水体中。
6.如权利要求5所述的水生植物-微生物电化学修复***，其特征在于，所述复合工作电极(9)位于所述待治理有机污染水体中的深度为20～50cm。
7.如权利要求1所述的水生植物-微生物电化学修复***，其特征在于，所述恒电位仪(6)的电压可调范围为0～10V，记录电流信号的范围为0～5mA，精度为0.01mA。
8.权利要求1～7任一项所述的水生植物-微生物电化学修复***在治理有机污染水体中的应用。
9.一种治理有机污染水体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将权利要求1～7任一项所述的水生植物-微生物电化学修复***置于待治理有机污染水体中，通过恒电位仪(6)施加电压，进行植物-微生物电化学修复。
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