CN102531181A - 应用微生物燃料电池净化湖泊水体的组合生态浮床的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用微生物燃料电池净化湖泊水体的组合生态浮床的装置，该装置包括组合生态浮床以及微生物燃料电池两部分，组合生态浮床从上到下包括表层水生植物单元、中层水生动物单元及下层人工介质单元，其中，水生植物单元由水生经济植物（1）及固定水生植物的导电材料（2）构成，水生动物单元挂养滤食性水生动物贝类（3），人工介质单元由纳米活性炭人工介质（4）大量富集微生物，形成高效生物膜净化区；其特征在于：所述的导电材料（2）通过导线（5）导出该装置外，构成微生物燃料电池空气阴极电极。本发明使水质状况得到根本性改观，同时能量回收，适于进行规模化、模式化和机械化作业。

Description

应用微生物燃料电池净化湖泊水体的组合生态浮床的装置
技术领域
本发明属于能源与环境修复领域，特别是一种适用于水体污染修复与回收电能、生物质能的组合生态浮床耦合MFC（Microbial Fuel Cell，微生物燃料电池）装置。
背景技术
水，是生命之源，是一种无可替代的重要资源，但水资源危机已经成为当今世界许多国家社会经济发展的制约因素。据统计，过去的50多年，全世界淡水使用量增加将近4倍，每年高达4130 Km3，农业用水就占全部用水的60%。近年来，伴随着我国高投入、低产出的粗放型经济增长方式以及人们薄弱的环保意识，致使大量污染物质直接排放，导致水体生态结构变化，功能退化，出现富营养化状态。这无疑加剧了我国水质性缺水的局面，严重影响了经济发展和居民的饮用水安全。水体富营养化已引起全球范围内的广泛关注，富营养化水体的恢复和治理亦迫在眉睫，但是由于污染源的复杂性和水体中营养物质的难去除性，现在还未找到一条彻底防治水体富营养化的途径，目前主要通过控制污染源与减轻水体负荷相结合的方式进行处理。
浮床技术是运用无土栽培技术原理，以天然或环境友好材料为载体和基质，采用现代农艺与生态工程措施综合集成的水面无土种植植物技术。其去除水体污染物，抑制浮游藻类的机理表现在以下几个方面。① 植物吸收：栽种在浮床上植物为了满足本身生长需要，会通过浸没在水中的根系不断吸收利用水体中的营养物质，通过收获水生植物减少水中营养盐；② 根系微生物降解：发达的植物根系可吸附水中的大量胶体，并逐渐在植物根系表面形成生物膜，吞噬和降解水中的污染物；③ 分泌物抑制：浮床植物根系能分泌化感物质，抑制藻类生长；④ 遮蔽阳光：人工浮岛通过遮挡阳光抑制藻类进行光合作用，控制藻类的生长。研究和应用实践证明，与一般目前国内外采用的化学，物理和生物治污技术相比，生态浮床技术的最大优势是能达到标本兼治，并能为水生生物的自然恢复和生存。繁衍营造良好的生境条件，最终达到修复水生态系统的目标。
微生物燃料电池（MFC）作为一种新的产能方式——利用微生物将有机质直接转化为电能而受到越来越多的研究和推广。MFC是利用酶或者微生物作为阳极催化剂，通过其代谢作用将各种材料包括复杂的有机物和可再生生物质氧化产生电能的装置，这些燃料源使得MFC比只利用纯化学反应燃料的化学燃料电池更为先进。研究表明，MFC不仅可以降解简单有机物获取电能，也可以降解复杂综合有机底物产生电能，甚至可以降解难降解有机物获取电能。莫汉（Mohan）等对制药废水、染料、杀虫剂等综合化学废水的降解以及产电性能进行研究，污染物负荷为1.404 kg COD/（m3·d）时， 最大电压为304 mV，污染物降解率达到62.9％。骆海萍等以苯酚为燃料，在1000Ω外负载条件下，苯酚去除率约达到90％，最大输出电压为540mV。因此，利用MFC降解难降解污染物并且产生电能是可行的，经济的，也是可持续的。
充分利用组合生态浮床和MFC对水体污染修复和难降解性有机物有较高的降解性能的优势，对上述两种技术进行有机的融合，即利用MFC对难降解有机污染物的去除效能高的特点，提高其净化效果，同时能够获得电能，实现资源的最大化利用。应用MFC净化湖泊水体的组合生态浮床的装置从组合生态浮床及MFC的协同优化出发，强化了浮床植物根际效应和浮床微生物特别是产电细菌及污染物降解细菌的富集及固定化，提高复合系统的难降解性有机物的净化效能及产电性能。
目前组合生态浮床耦合MFC装置国内外尚未见报道。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种提供应用MFC净化湖泊水体的组合生态浮床的装置。 
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种应用微生物燃料电池净化湖泊水体的组合生态浮床的装置，该装置包括组合生态浮床以及微生物燃料电池两部分，
组合生态浮床从上到下包括表层水生植物单元、中层水生动物单元及下层人工介质单元，
其中，水生植物单元由水生经济植物及固定水生植物的导电材料构成，水生动物单元挂养滤食性水生动物贝类，人工介质单元由纳米活性炭人工介质大量富集微生物，形成高效生物膜净化区； 
所述的导电材料通过导线导出该装置外，构成微生物燃料电池空气阴极电极；所述的纳米活性炭人工介质利用纳米技术在其表面均匀喷涂纳米活性炭颗粒，合成具有良好导电性能以及高比表面积的微生物燃料电池阳极电极。
所述的水生经济植物是空心菜、水芹、菖蒲、茭白、莲、或菰米。
所述的导电材料于投影面上开有直径4cm圆孔以固定水生经济植物，材料采用活性炭毡、不锈钢丝网、碳布或石墨毡。
所述的滤食性水生动物贝类是三角帆。
所述的纳米活性炭人工介质其骨架人工介质是阿科蔓生态基、兼具软性及半软性特征的高效组合人工介质。
所述的导线为钛导线或铜导线。
有益效果：本发明优选水生经济植物，利用植物根系泌氧作用增加顶部空气阴极的溶解氧环境，强化植物根际效应及根系分泌简单化合物作用，促进根际微生物以及阳极产电菌性能活化，促进难降解性有机污染物降解作用，提高产电性能。装置直接从水体中去除营养物，并可通过收获农产品的形式将其搬离水体，不会对沉积物中的营养成分再次利用，使水质状况得到根本性改观，从而为水生动植物群落的生存繁衍营造一个良好的水体环境，继而为水生生态系统的自然恢复提供保障。其实施效果优于其它技术，且成本低于原位物理化学净化方法，同时能量回收，适于进行规模化、模式化和机械化作业。
附图说明
图1是本发明应用MFC净化湖泊水体的组合生态浮床的装置的结构示意图。其中，1-水生经济植物；2-导电材料；3-滤食性水生动物贝类；4-纳米活性炭人工介质；5-导线；6-外接电路负载。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明进行说明。
本发明公开了一种应用微生物燃料电池（MFC）净化湖泊水体的组合生态浮床的装置，具体地说是一种原位修复富营养化湖泊水体，并将水体中各种有机物质，尤其是难降解污染物，转化为电能的装置，用以将污染物质净化并回收所产生的电能。包括主体组合生态浮床以及浮床内部结构改造而成的MFC两部分，系统由表层水生植物单元、中层水生动物单元及下层人工介质单元（微生物单元）组成，其中水生植物单元由水生经济植物及固定水生植物的导电材料构成，水生动物单元挂养滤食性水生动物贝类，人工介质单元由纳米活性炭人工介质大量富集微生物，形成高效生物膜净化区。所述的表层导电材料通过导线导出反应主体外，构成MFC空气阴极电极；所述的纳米活性炭人工介质利用纳米技术在其表面均匀喷涂纳米活性炭颗粒，合成具有良好导电性能以及高比表面积的MFC阳极电极。本发明构建了组合生态浮床耦合MFC提高有机物去除效能的装置，不仅多途径、多阶高效去除有机物，大幅度提高了有机物尤其是难降解性有机物的去除效能，同时在原位修复富营养化湖泊水体的同时获得了电能，充分体现环境效益与废弃物再生利用双赢的理念。
为修复富营养化湖泊水体，并将水体中各种有机物质，尤其是难降解污染物，转化为电能的装置，用以将污染物质净化并回收所产生的电能。
参见图1，本发明提供的应用微生物燃料电池净化湖泊水体的组合生态浮床的装置，该装置包括组合生态浮床以及微生物燃料电池两部分，
组合生态浮床从上到下包括表层水生植物单元、中层水生动物单元及下层人工介质单元，
其中，水生植物单元由水生经济植物1及固定水生植物的导电材料2构成，水生动物单元挂养滤食性水生动物贝类3，人工介质单元由纳米活性炭人工介质4大量富集微生物，形成高效生物膜净化区。
所述的导电材料2通过导线5导出该装置外，构成微生物燃料电池空气阴极电极；所述的纳米活性炭人工介质4利用纳米技术在其表面均匀喷涂纳米活性炭颗粒，合成具有良好导电性能以及高比表面积的微生物燃料电池阳极电极。
所述的水生经济植物是空心菜、水芹、菖蒲、茭白、莲、或菰米。
所述的导电材料于投影面上开有直径4cm圆孔以固定水生经济植物，材料采用活性炭毡、不锈钢丝网、碳布或石墨毡。
所述的滤食性水生动物贝类是三角帆。
所述的纳米活性炭人工介质其骨架人工介质是阿科蔓生态基、兼具软性及半软性特征的高效组合人工介质。
所述的导线为钛导线或铜导线。
如图1所示，本实施例中应用MFC净化湖泊水体的组合生态浮床的装置原位修复富营养化湖泊水体，并将水体中各种有机物质，尤其是难降解污染物，转化为电能的装置，用以将污染物质净化并回收所产生的电能。包括主体组合生态浮床以及浮床内部结构改造而成的MFC两部分，系统由表层水生植物单元、中层水生动物单元及下层人工介质单元（微生物单元）组成，其中水生植物单元由水生经济植物及固定水生植物的导电材料构成，水生动物单元挂养滤食性水生动物贝类，人工介质单元由纳米活性炭人工介质大量富集微生物，形成高效生物膜净化区。所述的表层导电材料通过导线导出反应主体外，构成MFC空气阴极电极；所述的纳米活性炭人工介质利用纳米技术在其表面均匀喷涂纳米活性炭颗粒，合成具有良好导电性能以及高比表面积的MFC阳极电极。
为了进一步提高系统的修复净化效能和产电效能，其中，水生经济植物可以是空心菜、水芹、菖蒲、茭白、莲、菰米等；导电材料于投影面上开有直径约4cm圆孔以固定水生经济植物，材料可以采用活性炭毡、不锈钢丝网、碳布或石墨毡；滤食性水生动物贝类可以是三角帆蚌等；纳米活性炭人工介质其骨架人工介质可以是阿科蔓生态基、兼具软性及半软性特征的高效组合人工介质等；导线优选钛导线，也可选用铜导线，并进行连接点的绝缘密封处理。
本实施例的应用MFC净化湖泊水体的组合生态浮床的装置其运行原理是这样的，
在健全的浮床生态系统的基础上，构建组合生态浮床耦合MFC装置，发挥水生植物、水生动物及微生物尤其是产电菌各自的生物活性及生物净化功能，构成较为完整的食物链，形成高效生态净化效能，不仅促进污染物物质在浮床生态系统中的物质循环，使生物要素间的协同净化效应得到充分发挥，而且加强能量从污染物化学能向电能和植物生物质能的转化。即通过植物根际效应对水体中的污染物进行去除、转化和固持，同时植物根部分泌的酶也促进了污染物的降解，此外根毛细胞分泌的乙酸盐等简单化合物，以及根际微生物降解污染物后的小分子化合物，更易被产电菌吸收与降解，因而能够提高产电菌的生物活性；通过滤食性水生动物贝类对颗粒性有机物的滤食及代谢，促进有机污染物的可溶化、无机化及可生化性的提高；通过人工介质对微生物富集以及水生动物的强化，使得难降解性有机物及氮、磷等营养物在浮床生态系统流动过程中得到有效降解和去除。使具有较强的藻类及藻毒素去除效能和产能效能的组合型生态浮床耦合MFC技术成型，考察复合系统对污染物的净化效果及作用机理，研究系统中的物质与能量流通，并且为健康水生生态系统的恢复提供理论和实践依据。同时实施过程和后续效果不但能确保对人体健康和水生生物的安全保障，而且在治理过程中还能美化水域景观，对水生生物的发展也能起到积极的促进作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (6)

1. 一种应用微生物燃料电池净化湖泊水体的组合生态浮床的装置，其特征在于：该装置包括组合生态浮床以及微生物燃料电池两部分，
组合生态浮床从上到下包括表层水生植物单元、中层水生动物单元及下层人工介质单元，
其中，水生植物单元由水生经济植物（1）及固定水生植物的导电材料（2）构成，水生动物单元挂养滤食性水生动物贝类（3），人工介质单元由纳米活性炭人工介质（4）大量富集微生物，形成高效生物膜净化区； 
所述的导电材料（2）通过导线（5）导出该装置外，构成微生物燃料电池空气阴极电极；所述的纳米活性炭人工介质（4）利用纳米技术在其表面均匀喷涂纳米活性炭颗粒，合成具有良好导电性能以及高比表面积的微生物燃料电池阳极电极。
2. 根据权利要求1所述的应用微生物燃料电池净化湖泊水体的组合生态浮床的装置，其特征在于：所述的水生经济植物是空心菜、水芹、菖蒲、茭白、莲、或菰米。
3. 根据权利要求1所述的应用微生物燃料电池净化湖泊水体的组合生态浮床的装置，其特征在于：所述的导电材料于投影面上开有直径4cm圆孔以固定水生经济植物，材料采用活性炭毡、不锈钢丝网、碳布或石墨毡。
4. 根据权利要求1所述的应用微生物燃料电池净化湖泊水体的组合生态浮床的装置，其特征在于：所述的滤食性水生动物贝类是三角帆。
5. 根据权利要求1所述的应用微生物燃料电池净化湖泊水体的组合生态浮床的装置，其特征在于：所述的纳米活性炭人工介质其骨架人工介质是阿科蔓生态基、兼具软性及半软性特征的高效组合人工介质。
6. 根据权利要求1所述的应用微生物燃料电池净化湖泊水体的组合生态浮床的装置，其特征在于：所述的导线为钛导线或铜导线。
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