專利名稱：一種強(qiáng)化濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物去除性能的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于污水處理與資源化技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種強(qiáng)化濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)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(tǒng)加快微生物分解有機(jī)物速度的裝置及方法。
背景技術(shù)：
隨著人工濕地或天然濕地的運(yùn)行，濕地中積累的有機(jī)物總量一般要超過(guò)廢水所貢獻(xiàn)的有機(jī)物總量。種植植物的濕地系統(tǒng)中積累的有機(jī)物量比在相同條件下沒(méi)有種植植物的高I. 2-2 kg/m2。濕地內(nèi)有機(jī)物的積累導(dǎo)致濕地系統(tǒng)堵塞，惡化濕地基質(zhì)間的通氣狀況，進(jìn)而影響濕地微生物的活性。此外，毒性有機(jī)污染物的植物根部滯留效應(yīng)，使其易于在濕地植 物根部附近積累，高濃度的毒性有機(jī)污染物會(huì)抑制根際微生物的活性?？梢姡瑵竦貙?duì)有機(jī)物的自凈能力難以滿足日益增加的污染狀況，有機(jī)物將逐漸累積，對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)安全構(gòu)成威脅，將導(dǎo)致濕地生態(tài)功能的退化。目前改善濕地根區(qū)微生物活性的方法通常采用增氧、接種外源性高效微生物或者投加無(wú)機(jī)鹽以供應(yīng)電子受體，以達(dá)到促進(jìn)有機(jī)物分解的目的。但是現(xiàn)有的方法存在以下幾個(gè)問(wèn)題增氧和投加無(wú)機(jī)鹽的措施成本較高，此外，投加無(wú)機(jī)鹽會(huì)對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)不利的影響。而接種的外來(lái)微生物易受水力學(xué)條件及土著微生物等因素的強(qiáng)烈影響而難以達(dá)到預(yù)期的效果。濕地基質(zhì)內(nèi)部和基質(zhì)間電子傳遞性能差，嚴(yán)重影響了有機(jī)物的分解轉(zhuǎn)化速率。因此，需要發(fā)明一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，并能夠有效改善濕地根區(qū)微生物活性的裝置和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種強(qiáng)化濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物去除性能的裝置，解決濕地內(nèi)有機(jī)物積累和濕地基質(zhì)內(nèi)電子傳遞性能較差，從而抑制了濕地內(nèi)各種生化反應(yīng)活性，尤其是根際微生物活性，使?jié)竦叵到y(tǒng)對(duì)有機(jī)物去除性能受到嚴(yán)重制約的問(wèn)題。本發(fā)明的另一目的是一種強(qiáng)化濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物去除性能的方法。本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)
一、一種強(qiáng)化濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物去除性能的裝置，包括濕地前端的布水系統(tǒng)、濕地后端的集水系統(tǒng)、濕地內(nèi)部的基質(zhì)以及種植于基質(zhì)上的植物；還包括沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括陽(yáng)極和陰極，兩者通過(guò)導(dǎo)線與外部電阻相連接；所述的陽(yáng)極布置在濕地植物根區(qū)附近，陰極一部分置于上覆水中，一部分暴露于空氣中。進(jìn)一步的，所述的陽(yáng)極和陰極之間還通過(guò)導(dǎo)線連接有在線數(shù)字伏特表。所述的陽(yáng)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,石墨棒采用并聯(lián)方式連接。所述的陰極材料為碳?xì)?。所述碳?xì)值暮穸葹?. 5cm，包裹在鏤空的PVC管道外側(cè)組成空氣式陰極結(jié)構(gòu)。
所述的導(dǎo)線選自不銹鋼絲、鈦絲或者銅絲中的任意一種。所述的導(dǎo)線與電極連接處用環(huán)氧樹脂密封，導(dǎo)線暴露部分需要用環(huán)氧樹脂覆蓋密封。所述的外接電阻為100Q。 進(jìn)一步的，所述的基質(zhì)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占基質(zhì)重量的15%。二、一種強(qiáng)化濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物去除性能的方法，其特征在于濕地中有機(jī)物在沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極區(qū)(5)附近被土著微生物氧化分解，產(chǎn)生的電子傳遞到陽(yáng)極(5)，再經(jīng)過(guò)外電路到達(dá)陰極(6)，同時(shí)氫離子通過(guò)水一沉積物界面?zhèn)鬟f到陰極(6)，陰極(6)所接受的電子、氫離子與氧氣反應(yīng)生成水，從而完成整個(gè)化學(xué)氧化還原反應(yīng)。采用上述技術(shù)方案的積極效果本發(fā)明將沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極放置在濕地植物根區(qū)附近，借助于微生物電化學(xué)作用增強(qiáng)根際區(qū)微生物的活性，且根據(jù)沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生電壓信號(hào)強(qiáng)弱可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)濕地生態(tài)系統(tǒng)植物根際區(qū)的動(dòng)態(tài)生理響應(yīng)；微生物燃料電池系統(tǒng)作用于濕地系統(tǒng)相當(dāng)于在濕地中增加了一個(gè)微生物代謝新途徑，這條途徑盡管發(fā)生在濕地沉積物內(nèi)，但是最終是利用了氧氣作為電子受體，因而反應(yīng)速率快，并且不受沉積物中作為電子受體的離子濃度影響；本發(fā)明在濕地內(nèi)部基質(zhì)的配型中加入具有高導(dǎo)電性的石墨片，增大了電子收集面積，改善了基質(zhì)內(nèi)部和基質(zhì)之間的電子傳遞性能，增強(qiáng)了電子向陽(yáng)極傳遞速率，提高了輸出的能量，實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的高效轉(zhuǎn)化和利用；因此，本發(fā)明不需要投加電子受體、供氧齊U、采用增氧措施、或接種外源性高效微生物，而是利用濕地中土著微生物，以電極作為直接電子受體氧化沉積物中有機(jī)物，改善濕地根區(qū)微生物活性，生態(tài)上安全，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。


圖I為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極構(gòu)造示意圖。圖3為沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)的陰極構(gòu)造示意圖。圖4為沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)中有機(jī)質(zhì)去除性能示意圖。圖5為毒性有機(jī)污染物PAH對(duì)電壓信號(hào)的影響示意圖。圖中，I布水系統(tǒng)，2集水系統(tǒng)，3上覆水，4石墨片，5陽(yáng)極，6陰極，7外部電阻，8導(dǎo)線，9在線數(shù)字伏特表，10濕地植物根區(qū)，11基質(zhì)，12集水系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明
圖I為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，一種強(qiáng)化濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物去除性能的裝置，包括濕地前端的布水系統(tǒng)I、濕地后端的集水系統(tǒng)12、濕地內(nèi)部的基質(zhì)11以及種植于基質(zhì)上的植物2。還包括沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括陽(yáng)極5和陰極6，兩者通過(guò)導(dǎo)線8與外部電阻7相連接。陽(yáng)極5布置在濕地植物根區(qū)10附近，陰極6 —部分置于上覆水3中，一部分暴露于空氣中。由于濕地中有很多土著微生物，對(duì)基質(zhì)11中的有機(jī)物進(jìn)行分解，有機(jī)物不僅為污水中所含的碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪等，而且還指有機(jī)毒性污染物質(zhì)如農(nóng)藥DDT、有機(jī)含氯化合物、多氯聯(lián)苯(PCB)多環(huán)芳烴(PAH)以及染料等，微生物分解有機(jī)物產(chǎn)生電子，累積到濕地植物根區(qū)10附近。對(duì)于沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)中的陽(yáng)極5和陰極6的位置要求即說(shuō)明，陽(yáng)極5作為電子受體吸收濕地植物根區(qū)10附近的電子，然后傳遞給位于濕地上部的陰極6，最終釋放給氧氣，氧氣是最終的電子受體。在沒(méi)有沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)時(shí)，微生物分解有機(jī)物的速度較低，這主要是由于有機(jī)物分解產(chǎn)生的電子累積造成的，通過(guò)改善電子輸出性能，加快濕地根區(qū)有機(jī)物分解的氧化還原過(guò)程，因此可以大大提高微生物分解有機(jī)物的活性。 為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)濕地生態(tài)系統(tǒng)植物根際區(qū)的動(dòng)態(tài)生理響應(yīng)，在陽(yáng)極5和陰極6之間還通過(guò)導(dǎo)線8連接有在線數(shù)字伏特表9，電壓信號(hào)通過(guò)在線數(shù)字伏特表9測(cè)得。圖2為沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極構(gòu)造示意圖，如圖所示，沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)中的陽(yáng)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，石墨棒采用并聯(lián)方式連接。圖3為沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)的陰極構(gòu)造示意圖，如圖所示，沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)中的陰極6材料為碳?xì)?，碳?xì)值暮穸葹?. 5 cm，包裹在鏤空的PVC管道外側(cè)組成空氣式陰極結(jié)構(gòu)。導(dǎo)線8選自不銹鋼絲、鈦絲或者銅絲中的任意一種，導(dǎo)線8與電極連接處用環(huán)氧樹脂密封，導(dǎo)線8暴露部分需要用環(huán)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(zhì)11中埋有石墨片4。石墨片4厚度為I. 0 mm，石墨片4的重量占基質(zhì)11重量的15%。石墨片4具有聞導(dǎo)電性,可以改善了基質(zhì)內(nèi)部和基質(zhì)之間的電子傳遞性能，增強(qiáng)了電子向陽(yáng)極傳遞速率，提高了輸出的能量，實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的聞效轉(zhuǎn)化和利用。一種強(qiáng)化濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物去除性能的方法，濕地中有機(jī)物在沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極區(qū)5附近被土著微生物氧化分解，產(chǎn)生的電子傳遞到陽(yáng)極5，再經(jīng)過(guò)外電路到達(dá)陰極6，同時(shí)氫離子通過(guò)水-沉積物界面?zhèn)鬟f到陰極6，陰極6所接受的電子、氫離子與氧氣反應(yīng)生成水，從而完成整個(gè)化學(xué)氧化還原反應(yīng)。因此，整個(gè)過(guò)程通過(guò)促使?jié)竦刂参锔鶇^(qū)10附近的電子輸出，減少微生物分解有機(jī)物的電子堆積，改善濕地根區(qū)微生物活性，促進(jìn)有機(jī)物的分解速度。實(shí)施例I
以碳?xì)譃殡姌O材料，外電阻為100 Q，石墨棒為陽(yáng)極，置于水-沉積物界面下5 Cm，沉積物和上覆水采自東太湖(31° 10' N、120° 24' E)，在室內(nèi)構(gòu)建沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)(SMFC)。沉積物中所含毒性有機(jī)污染物(多環(huán)芳烴化合物TPAH)的濃度為15 mg/kg Dff,SMFC裝置運(yùn)行了 240天。圖4為沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)中有機(jī)質(zhì)去除性能示意圖，如圖所示，結(jié)果表明，對(duì)照組(沒(méi)有使用SMFC)對(duì)沉積物中有機(jī)質(zhì)(以燒失量LOI表示)去除率為32 % ;而SMFC組對(duì)LOI去除率為53 % (如圖4所示)。對(duì)照組中TPAH的降解率為77. 4%，而SMFC組的降解率為94. I %?？梢?，SMFC組大大促進(jìn)了微生物對(duì)有機(jī)物的降解率。圖5為毒性有機(jī)污染物PAH對(duì)電壓信號(hào)的影響示意圖，如圖所示，當(dāng)毒性有機(jī)污染物TPAH進(jìn)入到沉積物中，SMFC的電壓信號(hào)值發(fā)生改變，總體降低了 4. 06 mV,因此可根據(jù)電壓信號(hào)值實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況。
權(quán)利要求
1.一種強(qiáng)化濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物去除性能的裝置，包括濕地前端的布水系統(tǒng)(I)、濕地后端的集水系統(tǒng)(12)、濕地內(nèi)部的基質(zhì)(11)以及種植于基質(zhì)上的植物(2)，其特征在于還包括沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括陽(yáng)極(5)和陰極(6)，兩者通過(guò)導(dǎo)線(8)與外部電阻(7)相連接；所述的陽(yáng)極(5)布置在濕地植物根區(qū)(10)附近，陰極(6) —部分置于上覆水(3)中，一部分暴露于空氣中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的所述的強(qiáng)化濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物去除性能的裝置，其特征在于所述的陽(yáng)極(5)和陰極(6)之間還通過(guò)導(dǎo)線(8)連接有在線數(shù)字伏特表(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2的所述的強(qiáng)化濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物去除性能的裝置，其特征在于所述的陽(yáng)極(5)材料為石墨棒。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的所述的強(qiáng)化濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物去除性能的裝置，其特征在于所述的石墨棒的直徑為4cm,相鄰石墨棒的間距為20cm,石墨棒采用并聯(lián)方式連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2的所述的強(qiáng)化濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物去除性能的裝置，其特征在于所述的陰極(6)材料為碳?xì)帧?br> 6.根據(jù)權(quán)利要求5的所述的強(qiáng)化濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物去除性能的裝置，其特征在于所述的碳?xì)值暮穸葹镺. 5cm，包裹在鏤空的PVC管道外側(cè)組成空氣式陰極結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2的所述的強(qiáng)化濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物去除性能的裝置，其特征在于所述的導(dǎo)線(8)選自不銹鋼絲、鈦絲或者銅絲中的任意一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的所述的強(qiáng)化濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物去除性能的裝置，其特征在于所述的導(dǎo)線(8)與電極連接處用環(huán)氧樹脂密封，導(dǎo)線(8)暴露部分需要用環(huán)氧樹脂覆蓋密封。
9.根據(jù)權(quán)利要求I的所述的強(qiáng)化濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物去除性能的裝置，其特征在于所述的外接電阻(7)為100Ω。
10.根據(jù)權(quán)利要求I的所述的強(qiáng)化濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物去除性能的裝置，其特征在于所述的基質(zhì)(11)中埋有石墨片(4)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的所述的強(qiáng)化濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物去除性能的裝置，其特征在于所述的石墨片(4)厚度為I. 0mm。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的所述的強(qiáng)化濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物去除性能的裝置，其特征在于所述的石墨片(4)的重量占基質(zhì)(11)重量的15%。
13.一種強(qiáng)化濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物去除性能的方法，其特征在于濕地中有機(jī)物在沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極區(qū)(5)附近被土著微生物氧化分解，產(chǎn)生的電子傳遞到陽(yáng)極(5)，再經(jīng)過(guò)外電路到達(dá)陰極(6)，同時(shí)氫離子通過(guò)水一沉積物界面?zhèn)鬟f到陰極(6)，陰極(6)所接受的電子、氫離子與氧氣反應(yīng)生成水，從而完成整個(gè)化學(xué)氧化還原反應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種強(qiáng)化濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物去除性能的裝置，包括濕地前端的布水系統(tǒng)、濕地后端的集水系統(tǒng)、濕地內(nèi)部的基質(zhì)以及種植于基質(zhì)上的植物，以及沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)。本發(fā)明還提供了一種強(qiáng)化濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物去除性能的方法。本發(fā)明通過(guò)在濕地內(nèi)增加沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)，以陽(yáng)極作為電子受體，促進(jìn)濕地植物根區(qū)附近微生物分解代謝有機(jī)物時(shí)所釋放的電子轉(zhuǎn)移，然后傳遞給位于濕地上部的陰極，減少濕地植物根區(qū)附近有機(jī)物代謝時(shí)的電子堆積，大大提高微生物分解有機(jī)物的活性，強(qiáng)化有機(jī)物的去除性能。
文檔編號(hào)C02F3/32GK102659247SQ201210141670
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月9日
發(fā)明者晏再生, 江和龍, 趙志偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所