本發(fā)明涉及受污染水體的修復(fù)領(lǐng)域，具體涉及一種受污染水體原位修復(fù)的微生物氧化還原裝置及修復(fù)方法。

背景技術(shù)：

對城市河道進行清淤可疏通河道、改善水體，但清淤產(chǎn)生的底泥泥量巨大，不僅占用土地，而且會對環(huán)境造成二次污染。大量的清淤底泥如何處置是個難題，目前最終處理有以下幾種方法：海洋處置、熱化學(xué)處理、制作材料或衛(wèi)生填埋。這些方法不僅工程量大，而且成本昂貴。雖然城市排污河底泥除含有重金屬、有機物等污染物質(zhì)外，但同時也還含有植物生長所需的氮肥、磷肥、無機鹽以及微生物生長所必需的碳源、氮源和礦物質(zhì)。如果可以去除其中的污染物質(zhì)，城市排污河底泥的將會得到有效利用。針對目前小河流及湖泊底泥污染嚴重，亟需能大規(guī)模有效工程應(yīng)用的底泥處理方法。

生物修復(fù)是指利用生物(動物、植物、微生物)將存在于空氣、土壤、地下水和海洋等環(huán)境中的有毒、有害、難降解的污染物降解為CO₂、H₂O以及其他無毒無害或者低毒性的物質(zhì)，從而將污染環(huán)境修復(fù)成正常環(huán)境的工程體系。目前常用的生物修復(fù)主要方法包括植物修復(fù)、投加菌劑等。生物修復(fù)由于沒有副產(chǎn)品，可以在沒有副作用的情況下去除污染物，且操作簡便，處理效率高，成本低，所以被認為是目前最有潛力的修復(fù)方法之一。然而生物修復(fù)也存在短期效果不明顯，受環(huán)境因素(季節(jié)，光照等)制約。

微生物電化學(xué)系統(tǒng)(Microbial-electrochemical System，MES)可從有機質(zhì)豐富的沉積物中可以獲得電能。其作用機理為：將陽極材料放置于厭氧的沉積物中，陰極材料位于上層好氧的水相中，陰極和陽極之間通過導(dǎo)線和電阻相連接，沉積物中有機物在陽極區(qū)附近被沉積物中土著微生物氧化分解，產(chǎn)生的電子傳遞到陽極，再經(jīng)過外電路到達陰極，與陰極區(qū)中的氧氣和從陽極區(qū)傳遞來的質(zhì)子結(jié)合生成水，從而實現(xiàn)在去除沉積物中有機污染物的同時又回收能量的目的。目前，MES被認為有兩個主要的應(yīng)用領(lǐng)域為：為海洋或內(nèi)陸水體的長期監(jiān)測儀器提供低功率的電源；作為一種新型、高效的沉積物原位生物修復(fù)技術(shù)。然而，電極催化劑價格昂貴，電極制作成本高，擴大后電壓及輸出功率下降等諸多因素限制了微生物電化學(xué)系統(tǒng)作為沉積物原位生物修復(fù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明基于微生物電化學(xué)系統(tǒng)(MES)提出一種低成本，高效率的應(yīng)用于受污染水體沉積物修復(fù)的底棲-生物電化學(xué)修復(fù)系統(tǒng)(BMES,Benthic Microbial-electrochemical System，MES)，為一種受污染水體原位修復(fù)的技術(shù)方案。

本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

一種受污染水體原位修復(fù)的微生物氧化還原裝置，其包括微生物氧化還原修復(fù)系統(tǒng)和強化生態(tài)功能的人工濕地系統(tǒng)。

所述的微生物氧化還原修復(fù)系統(tǒng)包括生物基陰極、生物基陽極、負載、第一電子傳導(dǎo)線路、第二電子傳導(dǎo)線路和浮力支撐材料；所述的生物基陰極固定在浮力支撐材料上，生物基陰極通過第一電子傳導(dǎo)線路與負載的一端相連接，生物基陽極通過第二電子傳導(dǎo)線路與負載的另一端相連接；所述的強化生態(tài)功能的人工濕地系統(tǒng)包括挺水植物和浮水植物；所述的微生物氧化還原修復(fù)系統(tǒng)中的生物基陽極置于河道底部一定深度或岸邊一定深度中，人工濕地系統(tǒng)中的挺水植物的生長于生物基陽極上部，微生物氧化還原修復(fù)系統(tǒng)中的浮力支撐材料和生物基陰極置于河道上層水體中，人工濕地系統(tǒng)中的浮水植物種植在生物基陰極上面。

所述的生物基陰極、生物基陽極為均具有導(dǎo)電性的材料。

所述的生物基陰極或生物基陽極為碳基材料、金屬材料、導(dǎo)電聚合物或上述材料的復(fù)合材料，其形狀可以為網(wǎng)狀、顆粒狀、棒狀、片狀、層狀，其體積尺度為毫米級到30m，其表面可進行改性使其有利于富集所需要種類的細菌。

生物基陰極富集好氧微生物，生物基陽極富集厭氧產(chǎn)電微生物。

所述的金屬材料為金屬鈦、金屬鎳或不銹鋼。

所述的第一電子傳導(dǎo)線路或第二電子傳導(dǎo)線路的材質(zhì)為導(dǎo)電性良好的金屬絲。

金屬絲為鈦絲、不銹鋼絲或經(jīng)防水防腐處理的其他金屬絲。

所述的浮力支撐材料為質(zhì)量密度低于水的環(huán)保材料。

利用上述一種受污染水體原位修復(fù)的微生物氧化還原裝置原位修復(fù)方法，其特征在于：包括如下步驟：

將微生物氧化還原修復(fù)系統(tǒng)中的生物基陽極置于受污染水體底部一定深度或岸邊一定深度之中，生物基陰極固定在浮力支撐材料上，將浮力支撐材料和生物基陰極置于黑臭河道上層的污染水體中，生物基陰極通過第一電子傳導(dǎo)線路與負載的一端相連接，生物基陽極通過第二電子傳導(dǎo)線路與負載的另一端相連接，挺水植物生長于生物基陽極上面的污染底泥中，浮水植物生長在生物基陰極表面，生物基陰極開始富集好氧微生物，生物基陽極開始富集厭氧產(chǎn)電微生物，啟動運行后在60天內(nèi)，得到去除污染物的水體和去除污染物的底泥。

所述的受污染水體底部一定深度或岸邊一定深度中的污染物為有機碳、氮、磷或芳香族化合物。

本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比有如下有益的技術(shù)效果：

一、本發(fā)明微生物氧化還原修復(fù)系統(tǒng)中的生物基陰極富集好氧微生物，無需催化劑，克服了傳統(tǒng)生物電化學(xué)系統(tǒng)多使用高成本或?qū)Νh(huán)境有風(fēng)險催化劑的缺點。

二、本發(fā)明微生物氧化還原修復(fù)系統(tǒng)中的生物基陽極通過富集產(chǎn)電微生物達到去除污染物的目的；

三、本發(fā)明應(yīng)用于底泥修復(fù)的生物電化學(xué)系統(tǒng)能有效去除底泥沉積物中的有機碳、氮、磷和芳香族化合物等污染物，同時能夠產(chǎn)生電能，運行30天底泥沉積物中有機碳含量(TOC)去除率可達到60％以上。

四、本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于受污染的湖泊，城鄉(xiāng)及農(nóng)田的小河道、溝渠等底泥及水體的污染去除，環(huán)保安全造價低，維護簡單；

五、本發(fā)明設(shè)計的人工濕地與生物電化學(xué)系統(tǒng)耦合，達到受污染水體和沉積物同步修復(fù)的目的。

附圖說明

圖1為一種受污染水體原位修復(fù)的微生物氧化還原裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為受污染水體原位修復(fù)的微生物氧化還原裝置在負載為10Ω下原位修復(fù)哈爾濱阿什河松花江入水口段受污染底泥的電壓變化曲線圖。

圖3為哈爾濱阿什河松花江入水口段受污染底泥中的TOC含量值的變化柱狀圖。

圖4為哈爾濱阿什河松花江入水口段受污染底泥中的TN含量值的變化柱狀圖。

圖5為哈爾濱阿什河松花江入水口段受污染底泥中的PAH含量值的變化柱狀圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體實施例來詳細解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。

圖1中受污染水體原位修復(fù)的微生物氧化還原裝置包括微生物氧化還原修復(fù)系統(tǒng)和強化生態(tài)功能的人工濕地系統(tǒng)；其中微生物氧化還原修復(fù)系統(tǒng)包括生物基陰極2、生物基陽極3、負載4、電子傳導(dǎo)線路5、電子傳導(dǎo)線路6和浮力支撐材料7；生物基陰極2固定在浮力支撐材料7上，生物基陰極2通過電子傳導(dǎo)線路5與負載4的一端相連接，生物基陽極3通過電子傳導(dǎo)線路6與負載4的另一端相連接；所述的強化生態(tài)功能的人工濕地系統(tǒng)包括挺水植物8和浮水植物9。

生物基陽極3置于受污染水體底部一定深度或岸邊一定深度中，強化生態(tài)功能的人工濕地系統(tǒng)中的挺水植物8的種植于生物基陽極3上面的污染底泥中，浮力支撐材料7和生物基陰極2置于受污染水體上層的污染水體中，浮水植物9固定在生物基陰極2上面。

生物基陰極2是由直徑為0.5mm～1.5mm的金屬絲和陰極材料制成，所述的陰極材料為具 有導(dǎo)電性，例如碳基材料、金屬材料(金屬鈦、金屬鎳、不銹鋼等)、導(dǎo)電聚合物及上述材料的摻雜材料等，其形狀可以為網(wǎng)狀、顆粒狀、棒狀、片狀、層狀或其他立體結(jié)構(gòu)等，其具有一定的親/疏水性有利于液體/氣體在電極內(nèi)部及表面的傳質(zhì)，其表面可進行改性使其有利于富集所需要種類的細菌。

生物基陽極3為具有導(dǎo)電性的材料，例如碳材料、金屬材料(金屬鈦，金屬鎳，不銹鋼等)、導(dǎo)電聚合物及上述材料的摻雜材料等，其形狀可以為網(wǎng)狀、顆粒狀、棒狀、片狀、層狀或其他立體結(jié)構(gòu)等，其具有一定的親/疏水性有利于液體/氣體在電極內(nèi)部及表面的傳質(zhì)，其表面可進行改性使其有利于富集所需要種類的細菌。

電子傳導(dǎo)線路5、6的材質(zhì)為金屬絲，浮力支撐材料7為環(huán)保聚合材料或環(huán)保再生材料。

利用上述受污染水體原位修復(fù)的微生物氧化還原裝置進行原位修復(fù)方法，包括以下步驟：

將生物基陽極3置于受污染水體底部一定深度或岸邊一定深度之中，生物基陰極2固定在浮力支撐材料7上，將浮力支撐材料7和生物基陰極2置于受污染水體上層的污染水體中，生物基陰極2通過電子傳導(dǎo)線路5與負載4的一端相連接，生物基陽極3通過電子傳導(dǎo)線路6與負載4的另一端相連接，挺水植物8種植于生物基陽極3上面的污染底泥中，浮水植物9固定在生物基陰極2上面，生物基陰極2開始富集好氧微生物，生物基陽極3開始富集厭氧產(chǎn)電微生物，啟動運行后60天內(nèi)，得到去除污染物的水體和去除污染物的底泥。

受污染水體底部一定深度或岸邊一定深度中的污染物為有機碳、氮、磷或芳香族化合物中的一種或兩種的混合物。

采用以下實例驗證本發(fā)明的有益效果：

取100L哈爾濱阿什河松花江入水口段受污染底泥置于350L反應(yīng)器中再加入200L水，將微生物氧化還原修復(fù)系統(tǒng)中的生物基陽極3置于哈爾濱阿什河松花江入水口段受污染底泥之中，生物基陰極2固定在浮力支撐材料7上，將浮力支撐材料7和生物基陰極2置于哈爾濱阿什河松花江入水口段受污染底泥上層的水體中，生物基陰極2通過電子傳導(dǎo)線路5與負載4的一端相連接，生物基陽極3通過電子傳導(dǎo)線路6與負載4的另一端相連接，強化生態(tài)功能的人工濕地系統(tǒng)中的挺水植物8種植于生物基陽極3上面的污染底泥中，強化生態(tài)功能的人工濕地系統(tǒng)中的浮水植物9固定在生物基陰極2上面，生物基陰極2開始富集好氧微生物，生物基陽極3開始富集厭氧產(chǎn)電微生物，負載4為10Ω，平均電壓保持在90mV，運行反應(yīng)器。

根據(jù)底泥的TOC及TN檢測結(jié)果分析：

圖3是受污染水體原位修復(fù)的微生物氧化還原裝置在負載為10Ω下原位修復(fù)哈爾濱阿什河松花江入水口段受污染底泥的電壓變化曲線圖。

從圖3可知，由于底泥中有機質(zhì)及微生物豐富致使獲得較高的啟動電壓。底泥中有機物含量較高時電壓有所升高，不再外加營養(yǎng)物質(zhì)底泥中有機物含量下降之后，電壓緩慢下降。其中陰極面積0.1m²，陰極獲得的最大功率密度為81mW/m²。

分別檢測裝置運行一段時間后底泥中TOC、TN、PAH的變化情況。發(fā)現(xiàn)經(jīng)長時間運行60天，生物電化學(xué)系統(tǒng)生物基陽極區(qū)域底泥底層有機質(zhì)含量出現(xiàn)明顯下降，而無促進有機物降解并原位修復(fù)受污染水體的裝置的空白實驗底泥中有機質(zhì)含量無明顯變化，說明該裝置生物基陽極對底泥中有機質(zhì)去除效果明，運行60天底泥沉積物中有機碳去除率可達到40％以上。如圖3-5所示。

圖3為TOC的變化柱狀圖，1為原始哈爾濱阿什河松花江入水口段受污染底泥中的TOC含量值，2為使用促進有機物降解并原位修復(fù)受污染水體的裝置在電阻為10Ω下運行30天的TOC含量值，3為無促進有機物降解并原位修復(fù)受污染水體的裝置的空白實驗運行30天的TOC含量值，4為使用清水沖刷30天的TOC含量值，5為使用促進有機物降解并原位修復(fù)受污染水體的裝置在電阻為10Ω下運行60天的TOC含量值，6為無促進有機物降解并原位修復(fù)受污染水體的裝置的空白實驗運行60天的TOC含量值，7為使用清水沖刷60天的TOC含量值，清水沖刷底泥即用連續(xù)流自來水以400L/h的速度流過反應(yīng)器，對污染物進行稀釋。

圖4為TN的變化柱狀圖，圖4中1為原始哈爾濱阿什河松花江入水口段受污染底泥中的TN含量值，2為使用促進有機物降解并原位修復(fù)受污染水體的裝置在電阻為10Ω下運行30天的TN含量值，3為無促進有機物降解并原位修復(fù)受污染水體的裝置的空白實驗運行30天的TN含量值，4為使用清水沖刷30天的TN含量值，5為使用促進有機物降解并原位修復(fù)受污染水體的裝置在電阻為10Ω下運行60天的TN含量值，6為無促進有機物降解并原位修復(fù)受污染水體的裝置的空白實驗運行60天的TN含量值，7為使用清水沖刷60天的TN含量值。

圖5為PAH的變化柱狀圖，圖5中1為原始哈爾濱阿什河松花江入水口段受污染底泥中的PAH含量值，2為為使用促進有機物降解并原位修復(fù)受污染水體的裝置在電阻為10Ω下運行60天的PAH含量值，3為無促進有機物降解并原位修復(fù)受污染水體的裝置的空白實驗運行60天的PAH含量值，4為使用清水沖刷60天的PAH含量值。

生物電化學(xué)系統(tǒng)生物基陽極區(qū)域底泥底層有機質(zhì)含量出現(xiàn)明顯下降，而無生物電化學(xué)系統(tǒng)的空白實驗底泥中有機質(zhì)含量無明顯變化，說明該裝置生物基陽極對底泥中有機質(zhì)去除效果明顯。

以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域， 均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。