一種強化溼地生態系統中有機物去除性能的裝置及方法
2023-05-20 19:00:11
專利名稱：一種強化溼地生態系統中有機物去除性能的裝置及方法
技術領域：
本發明屬於汙水處理與資源化技術領域，涉及一種強化溼地生態系統中有機物去除性能的裝置及方法，特別涉及一種利用輔助的電池系統加快微生物分解有機物速度的裝置及方法。
背景技術：
隨著人工溼地或天然溼地的運行，溼地中積累的有機物總量一般要超過廢水所貢獻的有機物總量。種植植物的溼地系統中積累的有機物量比在相同條件下沒有種植植物的高I. 2-2 kg/m2。溼地內有機物的積累導致溼地系統堵塞，惡化溼地基質間的通氣狀況，進而影響溼地微生物的活性。此外，毒性有機汙染物的植物根部滯留效應，使其易於在溼地植 物根部附近積累，高濃度的毒性有機汙染物會抑制根際微生物的活性。可見，溼地對有機物的自淨能力難以滿足日益增加的汙染狀況，有機物將逐漸累積，對溼地生態系統和生態安全構成威脅，將導致溼地生態功能的退化。目前改善溼地根區微生物活性的方法通常採用增氧、接種外源性高效微生物或者投加無機鹽以供應電子受體，以達到促進有機物分解的目的。但是現有的方法存在以下幾個問題增氧和投加無機鹽的措施成本較高，此外，投加無機鹽會對水生態系統帶來不利的影響。而接種的外來微生物易受水力學條件及土著微生物等因素的強烈影響而難以達到預期的效果。溼地基質內部和基質間電子傳遞性能差，嚴重影響了有機物的分解轉化速率。因此，需要發明一種結構簡單、成本低，並能夠有效改善溼地根區微生物活性的裝置和方法。
發明內容
本發明的目的是提供一種強化溼地生態系統中有機物去除性能的裝置，解決溼地內有機物積累和溼地基質內電子傳遞性能較差，從而抑制了溼地內各種生化反應活性，尤其是根際微生物活性，使溼地系統對有機物去除性能受到嚴重製約的問題。本發明的另一目的是一種強化溼地生態系統中有機物去除性能的方法。本發明通過以下技術方案來實現
一、一種強化溼地生態系統中有機物去除性能的裝置，包括溼地前端的布水系統、溼地後端的集水系統、溼地內部的基質以及種植於基質上的植物；還包括沉積物微生物燃料電池系統，該系統包括陽極和陰極，兩者通過導線與外部電阻相連接；所述的陽極布置在溼地植物根區附近，陰極一部分置於上覆水中，一部分暴露於空氣中。進一步的，所述的陽極和陰極之間還通過導線連接有在線數字伏特表。所述的陽極材料為石墨棒。所述的石墨棒的直徑為4cm,相鄰石墨棒的間距為20cm,石墨棒採用並聯方式連接。所述的陰極材料為碳氈。所述碳氈的厚度為0. 5cm，包裹在鏤空的PVC管道外側組成空氣式陰極結構。
所述的導線選自不鏽鋼絲、鈦絲或者銅絲中的任意一種。所述的導線與電極連接處用環氧樹脂密封，導線暴露部分需要用環氧樹脂覆蓋密封。所述的外接電阻為100Q。 進一步的，所述的基質中埋有石墨片。所述的石墨片厚度為1.0 mm。所述的石墨片的重量佔基質重量的15%。二、一種強化溼地生態系統中有機物去除性能的方法，其特徵在於溼地中有機物在沉積物微生物燃料電池系統的陽極區(5)附近被土著微生物氧化分解，產生的電子傳遞到陽極(5)，再經過外電路到達陰極(6)，同時氫離子通過水一沉積物界面傳遞到陰極(6)，陰極(6)所接受的電子、氫離子與氧氣反應生成水，從而完成整個化學氧化還原反應。採用上述技術方案的積極效果本發明將沉積物微生物燃料電池系統的陽極放置在溼地植物根區附近，藉助於微生物電化學作用增強根際區微生物的活性，且根據沉積物微生物燃料電池系統產生電壓信號強弱可實時監測溼地生態系統植物根際區的動態生理響應；微生物燃料電池系統作用於溼地系統相當於在溼地中增加了一個微生物代謝新途徑，這條途徑儘管發生在溼地沉積物內，但是最終是利用了氧氣作為電子受體，因而反應速率快，並且不受沉積物中作為電子受體的離子濃度影響；本發明在溼地內部基質的配型中加入具有高導電性的石墨片，增大了電子收集面積，改善了基質內部和基質之間的電子傳遞性能，增強了電子向陽極傳遞速率，提高了輸出的能量，實現有機物的高效轉化和利用；因此，本發明不需要投加電子受體、供氧齊U、採用增氧措施、或接種外源性高效微生物，而是利用溼地中土著微生物，以電極作為直接電子受體氧化沉積物中有機物，改善溼地根區微生物活性，生態上安全，結構簡單、成本低。
圖I為本發明整體結構示意圖。 圖2為沉積物微生物燃料電池系統的陽極構造示意圖。圖3為沉積物微生物燃料電池系統的陰極構造示意圖。圖4為沉積物微生物燃料電池系統中有機質去除性能示意圖。圖5為毒性有機汙染物PAH對電壓信號的影響示意圖。圖中，I布水系統，2集水系統，3上覆水，4石墨片，5陽極，6陰極，7外部電阻，8導線，9在線數字伏特表，10溼地植物根區，11基質，12集水系統。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步的說明
圖I為本發明整體結構示意圖，如圖所示，一種強化溼地生態系統中有機物去除性能的裝置，包括溼地前端的布水系統I、溼地後端的集水系統12、溼地內部的基質11以及種植於基質上的植物2。還包括沉積物微生物燃料電池系統，該系統包括陽極5和陰極6，兩者通過導線8與外部電阻7相連接。陽極5布置在溼地植物根區10附近，陰極6 —部分置於上覆水3中，一部分暴露於空氣中。由於溼地中有很多土著微生物，對基質11中的有機物進行分解，有機物不僅為汙水中所含的碳水化合物、蛋白質、脂肪等，而且還指有機毒性汙染物質如農藥DDT、有機含氯化合物、多氯聯苯(PCB)多環芳烴(PAH)以及染料等，微生物分解有機物產生電子，累積到溼地植物根區10附近。對於沉積物微生物燃料電池系統中的陽極5和陰極6的位置要求即說明，陽極5作為電子受體吸收溼地植物根區10附近的電子，然後傳遞給位於溼地上部的陰極6，最終釋放給氧氣，氧氣是最終的電子受體。在沒有沉積物微生物燃料電池系統時，微生物分解有機物的速度較低，這主要是由於有機物分解產生的電子累積造成的，通過改善電子輸出性能，加快溼地根區有機物分解的氧化還原過程，因此可以大大提高微生物分解有機物的活性。 為了能夠實時監測溼地生態系統植物根際區的動態生理響應，在陽極5和陰極6之間還通過導線8連接有在線數字伏特表9，電壓信號通過在線數字伏特表9測得。圖2為沉積物微生物燃料電池系統的陽極構造示意圖，如圖所示，沉積物微生物燃料電池系統中的陽極5材料為石墨棒，石墨棒的直徑為4 cm，相鄰石墨棒的間距為20cm，石墨棒採用並聯方式連接。圖3為沉積物微生物燃料電池系統的陰極構造示意圖，如圖所示，沉積物微生物燃料電池系統中的陰極6材料為碳氈，碳氈的厚度為0. 5 cm，包裹在鏤空的PVC管道外側組成空氣式陰極結構。導線8選自不鏽鋼絲、鈦絲或者銅絲中的任意一種，導線8與電極連接處用環氧樹脂密封，導線8暴露部分需要用環氧樹脂覆蓋密封，作用是防止氧化。外接電阻7為100Q。為了加大電子收集面積，提聞使用效率，在基質11中埋有石墨片4。石墨片4厚度為I. 0 mm，石墨片4的重量佔基質11重量的15%。石墨片4具有聞導電性,可以改善了基質內部和基質之間的電子傳遞性能，增強了電子向陽極傳遞速率，提高了輸出的能量，實現有機物的聞效轉化和利用。一種強化溼地生態系統中有機物去除性能的方法，溼地中有機物在沉積物微生物燃料電池系統的陽極區5附近被土著微生物氧化分解，產生的電子傳遞到陽極5，再經過外電路到達陰極6，同時氫離子通過水-沉積物界面傳遞到陰極6，陰極6所接受的電子、氫離子與氧氣反應生成水，從而完成整個化學氧化還原反應。因此，整個過程通過促使溼地植物根區10附近的電子輸出，減少微生物分解有機物的電子堆積，改善溼地根區微生物活性，促進有機物的分解速度。實施例I
以碳氈為電極材料，外電阻為100 Q，石墨棒為陽極，置於水-沉積物界面下5 Cm，沉積物和上覆水採自東太湖(31° 10' N、120° 24' E)，在室內構建沉積物微生物燃料電池系統(SMFC)。沉積物中所含毒性有機汙染物(多環芳烴化合物TPAH)的濃度為15 mg/kg Dff,SMFC裝置運行了 240天。圖4為沉積物微生物燃料電池系統中有機質去除性能示意圖，如圖所示，結果表明，對照組(沒有使用SMFC)對沉積物中有機質(以燒失量LOI表示)去除率為32 % ;而SMFC組對LOI去除率為53 % (如圖4所示)。對照組中TPAH的降解率為77. 4%，而SMFC組的降解率為94. I %。可見，SMFC組大大促進了微生物對有機物的降解率。圖5為毒性有機汙染物PAH對電壓信號的影響示意圖，如圖所示，當毒性有機汙染物TPAH進入到沉積物中，SMFC的電壓信號值發生改變，總體降低了 4. 06 mV,因此可根據電壓信號值實時監測系統運行狀況。
權利要求
1.一種強化溼地生態系統中有機物去除性能的裝置，包括溼地前端的布水系統(I)、溼地後端的集水系統(12)、溼地內部的基質(11)以及種植於基質上的植物(2)，其特徵在於還包括沉積物微生物燃料電池系統，該系統包括陽極(5)和陰極(6)，兩者通過導線(8)與外部電阻(7)相連接；所述的陽極(5)布置在溼地植物根區(10)附近，陰極(6) —部分置於上覆水(3)中，一部分暴露於空氣中。
2.根據權利要求I的所述的強化溼地生態系統中有機物去除性能的裝置，其特徵在於所述的陽極(5)和陰極(6)之間還通過導線(8)連接有在線數字伏特表(9)。
3.根據權利要求I或2的所述的強化溼地生態系統中有機物去除性能的裝置，其特徵在於所述的陽極(5)材料為石墨棒。
4.根據權利要求3的所述的強化溼地生態系統中有機物去除性能的裝置，其特徵在於所述的石墨棒的直徑為4cm,相鄰石墨棒的間距為20cm,石墨棒採用並聯方式連接。
5.根據權利要求I或2的所述的強化溼地生態系統中有機物去除性能的裝置，其特徵在於所述的陰極(6)材料為碳氈。
6.根據權利要求5的所述的強化溼地生態系統中有機物去除性能的裝置，其特徵在於所述的碳氈的厚度為O. 5cm，包裹在鏤空的PVC管道外側組成空氣式陰極結構。
7.根據權利要求I或2的所述的強化溼地生態系統中有機物去除性能的裝置，其特徵在於所述的導線(8)選自不鏽鋼絲、鈦絲或者銅絲中的任意一種。
8.根據權利要求7的所述的強化溼地生態系統中有機物去除性能的裝置，其特徵在於所述的導線(8)與電極連接處用環氧樹脂密封，導線(8)暴露部分需要用環氧樹脂覆蓋密封。
9.根據權利要求I的所述的強化溼地生態系統中有機物去除性能的裝置，其特徵在於所述的外接電阻(7)為100Ω。
10.根據權利要求I的所述的強化溼地生態系統中有機物去除性能的裝置，其特徵在於所述的基質(11)中埋有石墨片(4)。
11.根據權利要求10的所述的強化溼地生態系統中有機物去除性能的裝置，其特徵在於所述的石墨片(4)厚度為I. 0mm。
12.根據權利要求10的所述的強化溼地生態系統中有機物去除性能的裝置，其特徵在於所述的石墨片(4)的重量佔基質(11)重量的15%。
13.一種強化溼地生態系統中有機物去除性能的方法，其特徵在於溼地中有機物在沉積物微生物燃料電池系統的陽極區(5)附近被土著微生物氧化分解，產生的電子傳遞到陽極(5)，再經過外電路到達陰極(6)，同時氫離子通過水一沉積物界面傳遞到陰極(6)，陰極(6)所接受的電子、氫離子與氧氣反應生成水，從而完成整個化學氧化還原反應。
全文摘要
本發明涉及一種強化溼地生態系統中有機物去除性能的裝置，包括溼地前端的布水系統、溼地後端的集水系統、溼地內部的基質以及種植於基質上的植物，以及沉積物微生物燃料電池系統。本發明還提供了一種強化溼地生態系統中有機物去除性能的方法。本發明通過在溼地內增加沉積物微生物燃料電池系統，以陽極作為電子受體，促進溼地植物根區附近微生物分解代謝有機物時所釋放的電子轉移，然後傳遞給位於溼地上部的陰極，減少溼地植物根區附近有機物代謝時的電子堆積，大大提高微生物分解有機物的活性，強化有機物的去除性能。
文檔編號C02F3/32GK102659247SQ201210141670
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月9日 優先權日2012年5月9日
發明者晏再生, 江和龍, 趙志偉 申請人:中國科學院南京地理與湖泊研究所