本發(fā)明屬于污水處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用獨(dú)特設(shè)計(jì)的生物電化學(xué)與人工濕地裝置相結(jié)合以緩解人工濕地填料污染情況的方法。

背景技術(shù)：

我國人均水資源相對(duì)貧乏且年污水排放總量較大，由于污水處理成本及技術(shù)管理等問題，污水總體處理率較低。與城鎮(zhèn)生活污水二級(jí)處理廠普遍使用的活性污泥法及類似生化工藝的處理成本相比，人工濕地法處理成本低，操作簡單，在集中式污水處理和開放水體的污染治理上都有應(yīng)用。一般人工濕地是由人工構(gòu)筑水池或溝槽，充填一定深度的基質(zhì)層，種植水生植物，利用基質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物的三重協(xié)同作用使污水得到凈化。我國在人工濕地的研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的研究成果，在多個(gè)地區(qū)都有工程實(shí)際應(yīng)用，但人工濕地污水處理法在發(fā)展應(yīng)用過程中也暴露出一些不容忽視的問題，很多人工濕地在經(jīng)歷一段時(shí)間的運(yùn)行之后都出現(xiàn)了填料堵塞的現(xiàn)象，直接導(dǎo)致處理效果下降。因此尋找一種可以提高填料抗污染性能的方法具有重要的意義。

生物電化學(xué)方法是近年來污染物資源與能源化研究的熱點(diǎn)之一。該方法通過構(gòu)建一個(gè)生物電化學(xué)系統(tǒng)，陽極區(qū)域的產(chǎn)電微生物在厭氧條件下分解水中的有機(jī)物，將產(chǎn)生的電子傳遞到陽極上，配合發(fā)生還原反應(yīng)的陰極，在外電路得到持續(xù)的電流，實(shí)現(xiàn)污水中的化學(xué)能到電能的直接轉(zhuǎn)化，在陰陽極之間保持一定的電位差，形成一個(gè)微小電場。由于一般污水中的懸浮顆粒物帶負(fù)電，多數(shù)細(xì)菌表面也帶有負(fù)電荷，因此可能受到微小電場的影響并改變其移動(dòng)軌跡。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服人工濕地處理污水存在的填料污染問題，提供一種利用生物電化學(xué)輔助型人工濕地耦合技術(shù)緩解填料污染的方法。該方法利用生物電化學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生微小的電場，促進(jìn)污染物顆粒以及帶電微生物的移動(dòng)，是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的填料污染緩解技術(shù)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種利用生物電化學(xué)原理緩解人工濕地填料污染的方法，該方法基于生物電化學(xué)輔助型人工濕地系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，生物電化學(xué)輔助型人工濕地系統(tǒng)包括一個(gè)采用有機(jī)玻璃制作的敞口圓柱形容器、電阻、數(shù)據(jù)采集卡和電腦，圓柱形容器的下部有一進(jìn)水口，上部有一出水口；圓柱形容器從底部至頂部依次為碎石支撐層a、陽極層、碎石支撐層b、濕地層、碳?xì)株帢O層。

所述的陽極層填充活性炭顆粒，所述的碳?xì)株帢O層為碳?xì)?，位于濕地層上方。所述的濕地層位于碎石支撐層b和碳?xì)株帢O層之間，濕地層包括石墨板、活性炭顆粒和玻璃棉，玻璃棉位于濕地層下方，將濕地層與碎石支撐層b隔離，石墨板位于活性炭顆粒內(nèi)部。所述的石墨板輔助碳?xì)株帢O層收集電子，加強(qiáng)生物電化學(xué)系統(tǒng)的微電場。

所述的陽極層和碳?xì)株帢O層通過鈦絲與外電路連通，構(gòu)成生物電化學(xué)輔助型人工濕地系統(tǒng)的完整回路，外電路上負(fù)載1000歐姆的電阻，并與數(shù)據(jù)采集卡連接，數(shù)據(jù)采集卡與電腦連接；污水通過蠕動(dòng)泵由底部進(jìn)水口連續(xù)進(jìn)樣，依次通過各部分最終從上端出水口出水，形成上升式水流模式。生物電化學(xué)輔助型人工濕地系統(tǒng)的流動(dòng)模式是連續(xù)升流式。

該方法主要利用生物電化學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生微電場緩解生物電化學(xué)輔助型人工濕地系統(tǒng)中的填料污染，包括以下步驟：

第一步，構(gòu)建生物電化學(xué)輔助型人工濕地系統(tǒng)

生物電化學(xué)輔助型人工濕地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如上所示，從進(jìn)水口處充入含菌源生活污水和活性污泥的混合液，進(jìn)行菌源接種，使混合液微生物負(fù)載于陽極層的活性炭顆粒并逐漸形成產(chǎn)電生物膜，至連續(xù)出現(xiàn)三次以上電壓上升、達(dá)到最大電壓平穩(wěn)運(yùn)行、電壓下降趨勢(shì)，確認(rèn)完全形成產(chǎn)電生物膜；產(chǎn)電生物膜中的產(chǎn)電微生物可穩(wěn)定降解有機(jī)物產(chǎn)生質(zhì)子和電子，電子通過外電路傳輸?shù)疥帢O，質(zhì)子依次經(jīng)過碎石支撐層b和濕地層傳輸?shù)教細(xì)株帢O層，完成產(chǎn)電回路。

第二步，連續(xù)運(yùn)行處理污水

在生物電化學(xué)輔助型人工濕地系統(tǒng)得到穩(wěn)定產(chǎn)電生物膜之后，將污水通過蠕動(dòng)泵底部進(jìn)水口連續(xù)進(jìn)樣，依次通過各部分最終從上端出水口出水。系統(tǒng)運(yùn)行4個(gè)月后，采用全自動(dòng)物理吸附儀測試濕地層中活性炭顆粒的比表面積，得到該生物電化學(xué)輔助型人工濕地系統(tǒng)在運(yùn)行過程中能夠緩解填料污染。

本發(fā)明的益處和效果是利用生物電化學(xué)輔助型人工濕地裝置處理污水的同時(shí)產(chǎn)生電能，利用質(zhì)子的傳輸緩解填料的污染，實(shí)現(xiàn)同時(shí)處理污水和緩解填料污染的雙重作用，是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的緩解填料污染的技術(shù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的生物電化學(xué)輔助型人工濕地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明的生物電化學(xué)輔助型人工濕地系統(tǒng)的濕地層示意圖。

圖3是本發(fā)明的填料吸附脫附等溫線圖

圖中：1進(jìn)水口，2碎石支撐層a，3陽極層，4碎石支撐層b，5濕地層，6碳?xì)株帢O層，7出水口，8電阻，9數(shù)據(jù)采集卡，10電腦，11石墨板，12活性炭顆粒，13玻璃棉。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

一種利用生物電化學(xué)原理緩解人工濕地填料污染的方法，該方法基于生物電化學(xué)輔助型人工濕地系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，生物電化學(xué)輔助型人工濕地系統(tǒng)包括一個(gè)采用有機(jī)玻璃制作的敞口圓柱形容器、電阻8、數(shù)據(jù)采集卡9和電腦10，圓柱形容器的下部有一進(jìn)水口1，上部有一出水口7；圓柱形容器從底部至頂部依次為碎石支撐層a2、陽極層3、碎石支撐層b4、濕地層5、碳?xì)株帢O層6。碎石支撐層b4、濕地層5構(gòu)建模擬濕地。所述的陽極層填充活性炭顆粒，所述的碳?xì)株帢O層為碳?xì)?，位于濕地層上方。所述的濕地層位于碎石支撐層b和碳?xì)株帢O層之間，濕地層包括石墨板、活性炭顆粒和玻璃棉，玻璃棉位于濕地層下方，將濕地層與碎石支撐層b隔離，石墨板位于活性炭顆粒內(nèi)部。所述的石墨板輔助碳?xì)株帢O層收集電子，加強(qiáng)生物電化學(xué)系統(tǒng)的微電場。

所述的陽極層和碳?xì)株帢O層通過鈦絲與外電路連通，構(gòu)成生物電化學(xué)輔助型人工濕地系統(tǒng)的完整回路，外電路上負(fù)載1000歐姆的電阻，并與數(shù)據(jù)采集卡連接，數(shù)據(jù)采集卡與電腦連接；污水通過蠕動(dòng)泵由底部進(jìn)水口連續(xù)進(jìn)樣，依次通過各部分最終從上端出水口出水，形成上升式水流模式。

該方法主要利用生物電化學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生微電場緩解生物電化學(xué)輔助型人工濕地系統(tǒng)中的填料污染，包括以下步驟：

第一步，構(gòu)建生物電化學(xué)輔助型人工濕地系統(tǒng)和普通人工濕地系統(tǒng)

生物電化學(xué)輔助型人工濕地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如上所示，以直徑為1cm左右活性炭作為陽極，組裝圓柱形生物電化學(xué)系統(tǒng)反應(yīng)器，從進(jìn)水口處充入含菌源生活污水和活性污泥的混合液，進(jìn)行菌源接種，使混合液微生物負(fù)載于陽極層的活性炭顆粒并逐漸形成產(chǎn)電生物膜，至連續(xù)出現(xiàn)三次以上電壓上升、達(dá)到最大電壓平穩(wěn)運(yùn)行、電壓下降趨勢(shì)，確認(rèn)完全形成產(chǎn)電生物膜；產(chǎn)電生物膜中的產(chǎn)電微生物可穩(wěn)定降解有機(jī)物產(chǎn)生質(zhì)子和電子，電子通過外電路傳輸?shù)疥帢O，質(zhì)子依次經(jīng)過碎石支撐層b和濕地層傳輸?shù)教細(xì)株帢O層，完成產(chǎn)電回路。

具有產(chǎn)電生物膜的活性炭陽極層接觸污水降解有機(jī)物產(chǎn)生質(zhì)子和電子通過電路向上傳輸，產(chǎn)生微小電場，促進(jìn)污染物顆粒以及帶電微生物的移動(dòng)，緩解濕地層填料的污染。對(duì)照普通人工濕地采用與生物電化學(xué)輔助型人工濕地相同的結(jié)構(gòu)，但是外電路并不連通，用于對(duì)比填料污染效果。

普通人工濕地系統(tǒng)與生物電化學(xué)輔助型人工濕地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，但濕地層內(nèi)部不放置石墨板，陽極層和陽極層不與外電路連通。

第二步，連續(xù)運(yùn)行處理污水

在生物電化學(xué)輔助型人工濕地系統(tǒng)得到穩(wěn)定產(chǎn)電生物膜之后，將取自污水處理廠的污水5l放入棕色瓶，相同條件下，將污水通過蠕動(dòng)泵由兩個(gè)系統(tǒng)的底部進(jìn)水口連續(xù)進(jìn)樣，依次通過各部分最終從上端出水口出水。兩套系統(tǒng)同步運(yùn)行4個(gè)月后，分別測試兩個(gè)系統(tǒng)中濕地層中活性炭顆粒的比表面積，對(duì)比得到該生物電化學(xué)輔助型人工濕地系統(tǒng)在運(yùn)行過程中能夠緩解填料污染。

反應(yīng)器的運(yùn)行性能及填料污染性分析：

(1)選取耐性較強(qiáng)植物放于生物電化學(xué)輔助型人工濕地系統(tǒng)中，首先加入活性污泥上清液和磷酸鹽緩沖溶液為培養(yǎng)液穩(wěn)定運(yùn)行三星期，觀察反應(yīng)器的電壓狀況，發(fā)現(xiàn)可以長時(shí)間保持電壓穩(wěn)定，且采用上升流模式，保證生物電化學(xué)系統(tǒng)陽極層的厭氧環(huán)境，促使反應(yīng)器運(yùn)行良好。

(2)生物電化學(xué)輔助型人工濕地系統(tǒng)成功啟動(dòng)后，注入污水，利用耦合裝置實(shí)現(xiàn)同步降解污水和產(chǎn)電。該反應(yīng)器累計(jì)穩(wěn)定運(yùn)行4個(gè)月左右的時(shí)間，選取濕地層活性炭顆粒，用200目篩子篩選出細(xì)小活性炭顆粒，將其用去離子水清洗數(shù)次，然后晾干24h，使用全自動(dòng)物理吸附儀進(jìn)行兩個(gè)系統(tǒng)的比表面積測試的吸附脫附等溫線，然后再選取吸附等溫線上相對(duì)壓力(p/po)在0.05-0.35區(qū)間的點(diǎn)通過bet公式擬合出來，進(jìn)一步求得比表面積。通過上述方法最終求得空白活性炭填料的比表面積為133.8m²/g，對(duì)照人工濕地系統(tǒng)中填料的比表面積為38.1m²/g，生物電化學(xué)輔助人工濕地系統(tǒng)中填料的比表面積為58.2m²/g，生物電化學(xué)輔助人工濕地的填料表面污染情況比對(duì)照人工濕地減輕了21％,以此對(duì)比填料的堵塞情況得出利用生物電化學(xué)輔助型人工濕地裝置實(shí)現(xiàn)同時(shí)處理污水和緩解填料污染的雙重作用，是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的緩解填料污染的技術(shù)。