CN104211180B - 一种用于河道油污污染原位修复的微生物燃料电池浮盆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于河道油污污染原位修复的微生物燃料电池浮盆，所述盆壁与浮盘围成的空腔中容纳水体，所述水体中布置电极阴极和水泵，并种植绿色沉水植物；所述盆壁为中空结构，盆壁的中空腔中填充石墨颗粒及生物膜；所述电极阴极与石墨颗粒之间连接蓄电池，蓄电池连接水泵；所述水泵连接喷水管，喷水管通至河道的河底，喷水管外套设有油污收集管。所述蓄电池连接水泵，水泵直通河底，以水力冲击将淤泥内油污冲散，然后收集至阳极再次降解产能。本发明能够原位修复水体油污，同时去除中的氮、磷和油污，极大提高了修复效率。

Description

一种用于河道油污污染原位修复的微生物燃料电池浮盆

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及微生物燃料电池水体油污污染修复，并且同时该装置可作为景观浮盆，可用于美化水体。

背景技术

随着经济的发展，人类对能源的需求以及使用也不断扩大。石油是由上千种化学性质不同的物质组成的复杂混合物，主要包括饱和烃、芳香烃类化合物、沥青质、树脂类等。石油的开采、冶炼、使用和运输过程的污染和遗漏事故，以及含油废水的排放、污水灌溉，各种石油制品的挥发、不完全燃烧物飘落等引起一系列石油污染问题。

河流湖泊水体污染主要是受炼制石油产生的废水以及石油产品造成的。在炼油工业中，有大量含油废水排出，由于排放量大，常超出水体的自净能力，易形成油污染。另外，油轮洗舱水以及船舶在水域中航行时所产生的主要污染物油污，也会对水域造成污染。这些污染使河流、湖泊水体以及底泥的物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的使用价值，甚至危害到人的健康。

石油和石油化工产品，经常以非水相液体(NAPL)的形式污染土壤、含水层和地下水。防止油水合二为一的唯一选择是喷洒清除剂，因为只有化学药剂才能使原油加速分解，但是化学破乳、氧化处理等方法对于清除海洋、江河、湖泊这般大面积油污染是非常困难的。而利用活性炭或者海绵等进行物理吸附则只局限于水体表面油污，对于被水体束缚的NAPL油污则很难去除，由此导致水体中低浓度的油污成为了一种持久性的污染源。除此以外，油污在水体迁移过程中，有很大部分被河底表层淤泥吸附，也成为另一种持久性的油污污染源。

目前，对于水体残余油污常使用植物修复技术，即将挺水植物栽种在河边的滩地、斜坡上，也可栽种在盆、缸及竹木框之类的容器做成的定床上，利用河底淤泥在墙边构筑一定宽度，并有斜坡的湿地带，创造挺水植物生长的条件。但这种方法有诸多弊病，例如修复时间长且难以管理，对油污等污染物降解能力弱，效果差。

微生物燃料电池(MFC)是一种能够将有机质能转化为电能的新技术，将MFC技术和水生植物修复相结合可以提高景观浮盆的去污能力，而且可以将有机污染物产生电能。

发明内容

本发明提供了一种用于河道油污污染原位修复的微生物燃料电池浮盆，实现了无耗能条件下水体油污的高效吸附、原位降解及能源化，并且该发明可以同步脱氮除磷，极大提高了修复效率。

一种用于河道油污污染原位修复的微生物燃料电池浮盆，包括盆壁和位于盆壁底部的浮盘；其特征在于，

所述盆壁与浮盘围成的空腔中容纳水体，所述水体中布置电极阴极和水泵，并种植绿色沉水植物；

所述盆壁为中空结构，盆壁的中空腔中填充石墨颗粒及生物膜；

所述电极阴极与石墨颗粒之间连接蓄电池，蓄电池连接水泵；

所述水泵连接喷水管，喷水管通至河道的河底，喷水管外套设有油污收集管。

本发明的处理原理：

盆壁反应(阳极反应)：盆壁中的膨胀石墨颗粒对于油污等有机物有极强的吸附性，盆壁外围细石墨颗粒用于保护生物膜不流失并辅助吸附油污作用。油污吸附至膨胀石墨颗粒表面，作电子供体为被微生物被降解，降解过程中产生电子转移至石墨颗粒进入MFC体系，形成阳极室。

盆内反应(阴极反应)：盆内水藻等沉水植物通过光合作用将氮、磷等污染物吸收，并且产生氧气，氧气转移到石墨电极附近，作为电子受体，形成MFC阴极室。MFC产生的电能由蓄电池储能。

水泵用途：水泵将盆内干净的水体喷射至河底，溅起底泥，同时将油污也冲起，油污上浮，被集油管收集并移动至盆壁进行阳极降解，淤泥再次下沉，水泵由蓄电池供电。因此，作为优选，所述油污收集管包括开口朝上的喇叭口上罩盖、直管和开口朝下的喇叭口下罩盖，所述喇叭口上罩盖、直管和喇叭口下罩盖依次连接，喇叭口上罩盖与盆壁的底部连接，喇叭口下罩盖覆盖河道底部的河泥。

为适应不同深度河道内水体的处理，作为优选，所述喷水管和油污收集管均为长度可调的收缩管，二者管底距河底的距离为5-30cm；更优选为20cm。

集油管及喷水管相对长度保持相同，距离河底5-30cm，过低导致淤泥和油污分散所需空间不足，过高导致油污分散至水体，无法进入集油管，同时喷水管的冲击力会被降低。

为进一步增强盆壁结构对水体油污的原位修复效果，作为优选，盆壁结构包括：紧贴中空腔壁的细纱布层、紧贴细纱布填充的细石墨颗粒层和位于两侧细石墨颗粒层中间的粗石墨颗粒层，生物膜生长在粗石墨颗粒表层。

进一步优选，粗石墨颗粒层材料为膨胀石墨。粗石墨颗粒作为电极阳极，与电极阴极之间连接蓄电池。

进一步优选，所述细纱布的孔径小于1mm；粗石墨颗粒的粒径为5-10mm，粗石墨颗粒层的厚度为3-10cm；细石墨颗粒的粒径为1-2mm，细石墨颗粒层厚度为1-2cm。厚度的选择可根据水流流速而定，流速越大，厚度越大。

更优选，细纱布的孔径为0.5mm；粗石墨颗粒的粒径为5mm，粗石墨颗粒层的厚度为8cm；细石墨颗粒的粒径为1mm，细石墨颗粒层厚度为1cm。

粗石墨颗粒需选择膨胀石墨等强吸附性石墨材料，能够高效吸附溶于水体的油污，细石墨颗粒的吸附性需低于粗石墨颗粒。盆壁结构在上述优选参数的组合下，对水体的修复效果更好。

盆壁中的污泥形态为生物膜，生物膜与电极接触面积大，易于电子传递，同时不易流失，作为优选，所述生物膜的优势菌群为地杆菌或希瓦氏菌。

进一步优选，所述电极阴极与盆壁之间的距离为5-10cm，所述盆体内的水体深度不超过50cm，盆体的外径为30-50cm。

所述电极阴极及电极阳极的材料均采用石墨板、石墨棒、碳毡或碳刷。阳极材料即为粗石墨颗粒。

本发明中，盆壁外围为纱布及细石墨颗粒，用于避免盆壁中的粗石墨颗粒及生物膜被河水冲走，并起到一定的污染物吸附作用。为降低MFC内阻，提高电子传递效率，增加产能，阳极与阴极的距离应控制在5-10cm；为了防止电极腐烂，避免电极对河泥微生物以及沉水植物的毒害作用，MFC电极均选用石墨材料；进一步优选，阴极电极选用比表面积适中的形状(例如碳毡)，防止电极遮住沉水植物的光源。

本发明的盆壁结构中，水体中的氮磷则可以通过碰壁进入盆内，通过盆内豢养沉水植物的光合作用脱除废水中的氮，磷；水体中的油污经过盆壁时被石墨颗粒截留，在阳极进行生物降解。

盆壁可以有效防止盆内沉水植物泄漏至自然水体，也可以防止外界大颗粒垃圾进入盆内反应水体。而外界自然水体及水体内污染物又可以轻松进入盆内水体，充分实现了污染物的轻松交换。

因此本发明的盆壁结构可以轻松实现大小污染物的分离，实现不同污染物种类的分离，实现反应区域的划分。使得盆内阴阳极各司其职，各有针对，提高处理效率。

本发明还提供一种利用所述微生物燃料电池浮盆进行河道油污污染原位修复的方法，包括如下步骤：

将若干个微生物燃料电池浮盆以无石墨颗粒面垂直水流方向置于被污染河道，水体进入所述微生物燃料电池浮盆中，盆壁中的石墨颗粒吸附油污，细石墨颗粒保护生物膜不流失并辅助吸附油污，油污吸附至石墨颗粒表面作为电子供体被微生物降解，降解过程中产生电子转移至石墨颗粒，形成阳极室；

同时，盆内沉水植物通过光合作用将氮、磷污染物吸收，并且产生氧气，氧气转移到石墨颗粒附近，作为电子受体，形成阴极室；此过程中产生的电能由蓄电池储能；

水泵将盆内干净的水体喷射至河底，溅起底泥，同时将油污也冲起，油污上浮，被油污管收集并移动至盆壁进行阳极降解，淤泥再次下沉；如此循环，对流过所述微生物燃料电池浮盆的水体进行原位修复。

所述水泵由蓄电池供电，由于产能限制，设计水泵运作形式为间歇式，且运行时间及水量随降解过程而改变。

水泵冲击过程分三个阶段：第一阶段主要通过大流量水力冲击将河底淤泥整体冲起，使得油污分散，具体的冲击水量及视河底淤泥污染深度而定。经第一次冲击后，河底最深处的淤泥已经排油完全，然后利用第二阶段处理中层淤泥；第三阶段处理表层淤泥。

作为优选，所述水泵抽取盆内清水冲击至河底，冲击过程分三个阶段：第一阶段保持4-6d，启动时间2-3min，间隔为1-2h，水量为6-12L/min；第二阶段保持2-4d，启动时间1-2min，间隔为2-4h，水量为3-6L/min；第三阶段保持2-4d，启动时间0.5-1min，间隔为4-6h，水量为1-3L/min。

更优选地，第一阶段保持5d，启动时间2.5min，间隔为1.5h，水量为8L/min；第二阶段保持3d，启动时间1.5min，间隔为3h，水量为4L/min；第三阶段保持3d，启动时间0.75min，间隔为5h，水量为2L/min。

作为优选，微生物燃料电池浮盆每隔1-3h旋转90度；更优选，每隔2h旋转90度。

产甲烷菌与产电菌会争夺有机物及生存环境，降低产电效率，因此产甲烷菌的抑制可以有效提高产电效率。

产甲烷菌是一种非常严格厌氧菌，可以通过氧气来杀死，相比产甲烷菌，产电菌能耐氧而且生长周期短，因此，选择偶尔旋转，使得盆内氧气因水流作用，富集到下游盆壁，来杀死下游盆壁的生物膜上部分的菌，其中产甲烷菌更易杀死且生长极其缓慢，而产电菌生长略快，在没接触氧气的过程中会重新生长，因此经过初期几次旋转后，产甲烷菌被完全抑制了。

利用水流将部分氧气覆盖至下游盆壁，杀死产甲烷菌。间隔时间过短则没能抑制产甲烷菌，时间过长，则对产电菌也会产生危害。

本发明的有益效果：

1)本发明能同时对河道水体及淤泥中的油污进行高效吸附，原位降解及能源化。

2)本发明能同步高效河道中的氮，磷，减轻水体营养化程度，清洁水体。

3)本发明在河道修复过程中无需任何耗能，可日夜运行，极大的提高了修复效率。

附图说明

图1是本发明装置的立体结构示意图。

图2是本发明装置盆壁结构内部示意图(虚线以左)和装置运行原理图(虚线以右)。

图中所示附图标记如下：

1-盆壁	2-油污收集管	3-喷水管
			4-浮盘	5-电极阴极	6-蓄电池
7-水泵

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1

如图1和图2所示，一种用于河道内水体修复的微生物燃料电池景观浮盆，包括盆体，盆体包括盆壁1和盆壁1底部的浮盘4，盆壁1与浮盘4围成的空腔内流通水体，水体中种植沉水植物，沉水植物为藻类，电极阴极5布置在水体中。

盆壁1为中空腔结构(如图2所示)，包括：紧贴中空腔壁的细纱布层、紧贴细纱布填充的细石墨颗粒层和位于两侧细石墨颗粒层中间的粗石墨颗粒层，生物膜生长在粗石墨颗粒的表层。

细纱布的孔径小于1mm；粗石墨颗粒的粒径为5-10mm，粗石墨颗粒层的厚度为3-10cm；细石墨颗粒的粒径为1-2mm，细石墨颗粒层厚度为1-2cm。

在盆体中还设置水泵，水泵固定在浮盘4上，水泵连接喷水管3，喷水管3外套设油污收集管2，喷水管3和油污收集管2均通至河底，喷水管2和油污收集管2均为长度可调的收缩管，二者管底距河底的距离为5-30cm。

污收集管2的结构包括开口朝上的喇叭口上罩盖、直管和开口朝下的喇叭口下罩盖，喇叭口上罩盖、直管和喇叭口下罩盖依次连接，喇叭口上罩盖与盆壁的底部连接，喇叭口下罩盖覆盖河道底部的河泥，直管段高度可调。

盆壁中的粗石墨颗粒作电极阳极，与电极阴极5之间通过导线连接蓄电池6，导线连接石墨颗粒的一端直接插入石墨颗粒中，蓄电池6为水泵7供电。粗石墨颗粒材料为膨胀石墨，水体中的电极阴极采用石墨板，与电极阳极相平行布置，电极阴极与电极阳极之间的距离为在5-10cm。

将多个浮盆置于被污染河道，浮盆个数视河道污染程度而定。河道中的受污染水体透过石墨颗粒盆壁，进入盆内部水体，水中的氮，磷等污染通过沉水植物去除，同时沉水植物通过光合作用产生氧气，氧气作为电子受体；受污染水体中的油污等有机质被盆壁内的粗石墨颗粒，作为电子供体表面生物膜降解；阴阳极的电子转移使得MFC产生电能，由蓄电池储能，蓄电池给水泵供电，水泵将盆内清水冲击至河底淤泥，使得淤泥内油污分散，油污上浮被集油管收集转移至盆壁再次被吸收降解产能。

水泵抽取盆内清水冲击至河底，冲击过程分三个阶段：第一阶段保持4-6d，启动时间2-3min，间隔为1-2h，水量为6-12L/min；第二阶段保持2-4d，启动时间1-2min，间隔为2-4h，水量为3-6L/min；第三阶段保持2-4d，启动时间0.5-1min，间隔为4-6h，水量为1-3L/min。

该实施例中选用沉水植物为小球藻，浮盆沉水深度为30cm，盆壁外围纱布孔径为0.5mm，细石墨颗粒粒径为1mm，厚度为1cm，粗石墨颗粒粒径为5mm，厚度为8cm，阴极采用编制成网格状的石墨棒，阴阳极间最近距离为5cm，盆体外围直径为40*40cm。

水泵冲击过程分三个阶段：第一阶段保持5d，启动时间2.5min，间隔为1.5h，水量为8L/min；第二阶段保持3d，启动时间1.5min，间隔为3h，水量为4L/min；第三阶段保持3d，启动时间0.75min，间隔为5h，水量为2L/min；浮盆每隔2h旋转90度。

实验室模拟水池体积为1000L，COD为45mg/L，含氮量为4mg/L，含磷量为2mg/L(此为过营养化状态)，静态反应11天，COD降低至4mg/L，含氮及含磷量降低至无法检出。

实施例2

装置结构整体结构域实施例1相同，该实施例中选用的挺水植物为莲，沉水植物为金鱼藻，浮盆沉水深度为40cm，阳极和阴极均采用碳刷，阴阳极间最近距离为7cm。

水泵冲击过程分三个阶段：第一阶段保持4d，启动时间3min，间隔为2h，水量为12L/min；第二阶段保持4d，启动时间1min，间隔为4h，水量为6L/min；第三阶段保持4d，启动时间0.5min，间隔为4h，水量为1L/min；浮盆每隔1h旋转90度。

实验室模拟水池体积为1000L，COD为45mg/L，含氮量为4mg/L，含磷量为2mg/L(此为过营养化状态)，静态反应12天，COD降低至4mg/L，含氮及含磷量降低至无法检出。

实施例3

装置结构整体结构域实施例1相同，实施例中选用的挺水植物为菖蒲，沉水植物为黑藻，浮盆沉水深度为50cm，阳极和阴极均采用碳刷，阴阳极间最近距离为10cm。

水泵冲击过程分三个阶段：第一阶段保持5d，启动时间2.5min，间隔为1.5h，水量为8L/min；第二阶段保持3d，启动时间1.5min，间隔为3h，水量为4L/min；第三阶段保持3d，启动时间0.75min，间隔为5h，水量为2L/min；浮盆每隔3h旋转90度。

实验室模拟水池体积为1000L，COD为45mg/L，含氮量为4mg/L，含磷量为2mg/L(此为过营养化状态)，静态反应11天，COD降低至7mg/L，含氮及含磷量降低至无法检出。

实施例4

实施方式与上述相同。实施例中无挺水植物，沉水植物为小球藻，浮盆沉水深度为30cm，阳极和阴极均采用碳刷，阴阳极间最近距离为5cm。

水泵冲击过程分三个阶段：第一阶段保持6d，启动时间2.5min，间隔为1.5h，水量为8L/min；第二阶段保持4d，启动时间1.5min，间隔为3h，水量为4L/min；第三阶段保持4d，启动时间0.75min，间隔为5h，水量为2L/min；浮盆每隔2h旋转90度。

实验室模拟水池体积为1000L，COD为71mg/L，含氮量为12mg/L，含磷量为2mg/L(此为过营养化状态)，静态反应14天，COD降低至9mg/L，含氮及含磷量降低至无法检出。

Claims (9)

1.一种用于河道油污污染原位修复的微生物燃料电池浮盆，包括盆壁和位于盆壁底部的浮盘；其特征在于，

所述盆壁与浮盘围成的空腔中容纳水体，所述水体中布置电极阴极和水泵，并种植绿色沉水植物；

所述盆壁为中空结构，盆壁的中空腔中填充石墨颗粒及生物膜；

所述电极阴极与石墨颗粒之间连接蓄电池，蓄电池连接水泵；

所述水泵连接喷水管，喷水管通至河道的河底，喷水管外套设有油污收集管，所述喷水管和油污收集管管底距河底的距离为5-30cm。

2.根据权利要求1所述用于河道油污污染原位修复的微生物燃料电池浮盆，其特征在于，所述油污收集管包括开口朝上的喇叭口上罩盖、直管和开口朝下的喇叭口下罩盖，所述喇叭口上罩盖、直管和喇叭口下罩盖依次连接，喇叭口上罩盖与盆壁的底部连接，喇叭口下罩盖覆盖河道底部的河泥。

3.根据权利要求1所述用于河道油污污染原位修复的微生物燃料电池浮盆，其特征在于，所述喷水管和油污收集管均为长度可调的收缩管。

4.根据权利要求1所述用于河道油污污染原位修复的微生物燃料电池浮盆，其特征在于，盆壁结构包括：紧贴中空腔壁的细纱布层、紧贴细纱布填充的细石墨颗粒层和位于两侧细石墨颗粒层中间的粗石墨颗粒层，生物膜生长在粗石墨颗粒表层。

5.根据权利要求4所述用于河道油污污染原位修复的微生物燃料电池浮盆，其特征在于，所述细纱布的孔径小于1mm；粗石墨颗粒的粒径为5-10mm，粗石墨颗粒层的厚度为3-10cm；细石墨颗粒的粒径为1-2mm，细石墨颗粒层厚度为1-2cm。

6.根据权利要求1所述用于河道油污污染原位修复的微生物燃料电池浮盆，其特征在于，所述生物膜的优势菌群为地杆菌或希瓦氏菌。

7.一种利用权利要求1～6任一项权利要求所述微生物燃料电池浮盆进行河道油污污染原位修复的方法，其特征在于，包括如下步骤：

将若干个微生物燃料电池浮盆置于被污染河道，水体进入所述微生物燃料电池浮盆中，盆壁中的石墨颗粒吸附油污，细石墨颗粒保护生物膜不流失并辅助吸附油污，油污吸附至石墨颗粒表面作为电子供体被微生物降解，降解过程中产生电子转移至石墨颗粒，形成阳极室；

同时，盆内沉水植物通过光合作用将氮、磷污染物吸收，并且产生氧气，氧气转移到石墨电极附近，作为电子受体，形成阴极室；此过程中产生的电能由蓄电池储能；

水泵将盆内干净的水体喷射至河底，溅起底泥，同时将油污也冲起，油污上浮，被油污管收集并移动至盆壁进行阳极降解，淤泥再次下沉；如此循环，对流过所述微生物燃料电池浮盆的水体进行原位修复。

8.根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述水泵抽取盆内清水冲击至河底，冲击过程分三个阶段：第一阶段保持4-6d，启动时间2-3min，间隔为1-2h，水量为6-12L/min；第二阶段保持2-4d，启动时间1-2min，间隔为2-4h，水量为3-6L/min；第三阶段保持2-4d，启动时间0.5-1min，间隔为4-6h，水量为1-3L/min。

9.根据权利要求7所述方法，其特征在于，微生物燃料电池浮盆每隔1-3h旋转90度。