CN106800336A - 一种用于受污染水体原位修复的集成式装置及修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于受污染水体原位修复的集成式装置及修复方法，用于受污染水体原位修复的集成式装置包括电子收集端、电子导出端、电子传导系统和集成支撑体系，电子收集端置于受污染水体上层或水面空气中，电子导出端置于受污染水体下层的污染底泥中，电子收集端富集好氧微生物，电子导出端富集厌氧产电微生物，发生氧化还原反应，可有效去除水体和底泥中的污染物。本发明电子收集端、电子导出端无需催化剂或粘合剂，通过富集产电微生物达到去除污染物的目的，可广泛应用于受污染的水体，适用不同水位高度，环保安全造价低，维护简单，并可以实现受污染水体和沉积物同步修复。

Description

一种用于受污染水体原位修复的集成式装置及修复方法
技术领域
本发明涉及受污染水体的修复领域，具体涉及一种用于受污染水体原位修复的集成式装置及修复方法。
背景技术
沉积物是水体的重要组成部分，也是水体富营养物和污染物富集的区域。以往改善水体多采用冲刷河道，换水稀释等物理方法，可以再短期内达到是水体洁净的目的。然而一经水动力扰动或环境变化(温度、pH)等外因干扰，水体沉积物中富含污染物往往会向上层水体二次释放，从而导致水环境恶化。相对于物理修复方法和化学修复方法，近年来生物修复因成本相对低，副作用小，作用温和等优势逐渐被采用。然而因植物、微生物等对环境(如温度、光照、COD等)具有较高的要求往往限制了生物修复的使用。
微生物电化学系统(Microbial-electrochemical System，MES)，将此技术运用于有机质丰富的沉积物中可以获得电能。而这种系统的构建必须满足：①将阳极材料放置于厌氧的沉积物中，支撑材料位于上层好氧的水相中，阴极和阳极之间通过导线和电阻相连接；②沉积物中有机物能够在阳极区附近被沉积物中土著微生物氧化分解，产生的电子能够传递到阳极，再经过外电路到达阴极，与阴极区中的氧气和从阳极区传递来的质子结合生成水，从而实现在去除沉积物中有机污染物的同时又回收能量的目的。这种阴阳极分开且需要另外利用导线连接的特殊构造使得生物电化学系统在应用的过程中遇到很多困难，例如施工需要先排水，阴阳极需要花费大量人工布置，导线用量很大，难以回收，成本较高等。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种促进有机物降解将受污染水体原位修复的集成式装置及修复方法。本发明基于微生物电化学系统(Microbial-electrochemicalSystem，MES)提出一种低成本、效率高的应用于受污染水体及湖泊沉积物的微生物氧还原-原位修复集成式装置，同时能够输出电能用于其他用电器。
本发明采用了如下技术方案：
一种用于受污染水体原位修复的集成式装置，其包括电子收集端、电子导出端、电子传导系统和集成支撑体系；电子收集端由辅助系统和支撑材料；所述的电子导出端固定在集成支撑体系下端表面，电子收集端固定在集成支撑体系上端，电子收集端置于受污染水体上层或/和水面空气中，电子导出端置于受污染水体下层的污染底泥中，电子传到系统连接电子收集端、电子导出端。
辅助系统置于支撑材料的上方或/和下方。
当电子收集端在水体上层时，辅助系统置于支撑材料的上方，辅助系统可收集水体中溶解氧用于电子收集端发生氧化还原反应；当电子收集端在水面空气中时，辅助系统置于支撑材料的下方，辅助系统具有的亲水性可传导水体中的水和质子到达电子收集端用于发生氧化还原反应；当水面波动较大或潮汐时，辅助系统支撑材料的上方和下方均设置辅助系统。
所述的辅助系统为亲水性的耐腐蚀环保材料，电子导出端为具有导电性和生物亲和性的碳基材料或金属基材料。
所述的支撑材料为具有导电性的碳基或金属基材料；集成支撑体系为棒状或杆状绝缘材料。
所述的电子传导系统包括第一导线、第二导线和电阻，电子收集端通过第一导线与电阻的一端相连接，电子导出端通过第二导线与电阻的另一端相连接。
电子收集端富集好氧微生物，电子导出端富集厌氧产电微生物。
利用上述受用于污染水体原位修复的集成式装置进行修复方法，其特征在于：按以下步骤进行：
将用于受污染水体原位修复的集成式装置中的集成支撑体系垂直插入受污染水体的底泥之中，且调整电子导出端位置使之置于受污染水体下层的污染底泥之中，电子收集端置于上层水体的上层或/和水面空气中且接近水面，使用第一导线和第二导线将电子收集端和电子导出端分别与电阻两端相连接，电子收集端开始富集好氧微生物，电子导出端开始富集厌氧产电微生物，启动运行后60天内，去除水体和底泥中的污染物。
本发明与现有的技术相比有如下有益的技术效果：
一、本发明受污染水体原位修复的集成装置中的电子收集端、电子导出端固定在集成支撑体系上，传统反应器二者必须分开放置的构型缺陷，大大减少施工量和施工费用使其能适用于自然水体修复；
二、本发明受污染水体原位修复的集成装置中的电子收集端、电子导出端无需催化剂或粘合剂，通过富集产电微生物达到去除污染物的目的；
三、本发明应用于底泥修复的生物电化学系统的电子收集端辅助系统具有良好的传递水和物质功能，使本装置能适用于不同水位高度的环境；
四、本发明可广泛应用于受污染的湖泊，城乡及农田的小河道、沟渠等底泥及水体的污染去除，环保安全造价低，维护简单；
五、本发明设计的修复系统可与人工湿地耦合，达到受污染水体和沉积物同步修复的目的。
附图说明
图1为本发明用于受污染水体原位修复的集成式装置的结构示意图。
图2受污染水体原位修复的集成式装置在电阻为1000Ω下原位修复哈尔滨阿什河松花江入水口段受污染底泥的电压变化曲线图。
图3为哈尔滨阿什河松花江入水口段受污染底泥中的TOC的变化柱状图。
图4为哈尔滨阿什河松花江入水口段受污染底泥中的TN的变化柱状图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例来详细解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
图1中用于受污染水体原位修复的集成式装置，其包括电子收集端1、电子导出端2、电子传导系统3、集成支撑体系4。
所述的电子收集端1包括辅助系统5和支撑材料6。
所述的电子导出端2为具有一定导电性和生物亲和性的碳基材料或金属基材料。
所述的辅助系统5为耐腐蚀的环保聚合材料或耐腐蚀的环保再生材料，当电子收集端1在水面下方时辅助系统可收集水体中溶解氧用于电子收集端1发生氧化还原反应，当电子收集端1在水面上方时辅助系统具有的亲水性可传导水体中的水和质子到达电子收集端1用于发生氧化还原反应，当水面波动较大或潮汐时电子收集端1的上部和下部分别设置辅助系统。
所述的支撑材料6为具有导电性的碳基或金属基材料。
所述的集成支撑体系4为棒状或杆状绝缘材料。
所述的电子导出端2固定在集成支撑体系4下端表面，支撑材料6固定在集成支撑体系4上端。
所述的电子传导系统3包括第一导线7、第二导线8和电阻9，电子收集端1通过第一导线7与电阻9的一端相连接，电子导出端2通过第二导线8与电阻9的另一端相连接。
所述电子导出端2置于受污染水体下层的污染底泥中，受污染水体原位修复的集成式装置中的电子收集端1置于受污染水体上层或水面空气中。所述的受污染水体原位修复的集成式装置中的电子导出端部分置于受污染水体下层的污染底泥中，受污染水体原位修复的集成装置式中的电子收集端置于受污染水体上层水体中。
利用一种促进有机物降解并受污染水体原位修复的装置原位修复受污染水体的方法，是按以下步骤完成的：
将受污染水体原位修复的集成装置中的电子导出端置于受污染水体下层的污染底泥之中，电子收集端置于上层水体中，使用第一导线和第二导线将电子收集端和电子导出端分别与电阻相连接，电子收集端开始富集好氧微生物，电子导出端开始富集厌氧产电微生物，启动运行后60天内，得到去除污染物的水体和去除污染物的底泥。
采用以下实例验证本发明的有益效果：
取100L哈尔滨阿什河松花江入水口段受污染底泥置于350L反应器中再加入200L水，将受污染水体原位修复的集成装置中的电子导出端置于哈尔滨阿什河松花江入水口段受污染底泥之中，电子收集端固定在集成支撑体系上，将集成支撑体系和电子收集端1置于哈尔滨阿什河松花江入水口段受污染底泥上层的水体中，使用传导系统电子将电子收集端和电子导出端分别与电阻相连接，人工湿地系统中的挺水植物种植于电子导出端上面的污染底泥中，人工湿地系统中的浮水植物固定在电子收集端上面，电子收集端开始富集好氧微生物，电子导出端开始富集厌氧产电微生物，电阻为1000Ω，平均电压保持在90mV，运行反应器。
图3为TOC的变化柱状图，随着反应器运行时间的延长，底泥中TOC含量下降明显，说明该发明提出的一种用于受污染水体原位修复的集成装置及修复方法对受污染的底泥中含碳污染物去除效果明显。
图4为TN的变化柱状图，随着反应器运行时间的延长，底泥中TN含量下降明显，说明该发明提出的技术方案对受污染的底泥中含氮污染物去除效果明显。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于受污染水体原位修复的集成式装置，其包括电子收集端(1)、电子导出端(2)、电子传导系统(3)和集成支撑体系(4)；
电子收集端(1)由辅助系统(5)和支撑材料(6)；
所述的电子导出端(2)固定在集成支撑体系(4)下端表面，电子收集端(1)固定在集成支撑体系(4)上端，电子收集端(1)置于受污染水体上层或/和水面空气中，电子导出端(2)置于受污染水体下层的污染底泥中，电子传到系统(3)连接电子收集端(1)、电子导出端(2)。
2.根据权利要求1所述的集成式装置，其特征在于：辅助系统(5)置于支撑材料(6)的上方或/和下方。
3.根据权利要求2所述的集成式装置，其特征在于：当电子收集端(1)在水体上层时，辅助系统(5)置于支撑材料(6)的上方，辅助系统(5)可收集水体中溶解氧用于电子收集端(1)发生氧化还原反应；当电子收集端(1)在水面空气时，辅助系统(5)置于支撑材料(6)的下方，辅助系统(5)具有的亲水性可传导水体中的水和质子到达电子收集端用于发生氧化还原反应；当水面波动较大或潮汐时，辅助系统(5)支撑材料(6)的上方和下方均设置辅助系统。
4.根据权利要求1所述的集成式装置，其特征在于：所述的辅助系统(5)为亲水性的耐腐蚀环保材料，电子导出端(2)为具有导电性和生物亲和性的碳基材料或金属基材料。
5.根据权利要求1所述的集成式装置，其特征在于：所述的支撑材料(6)为具有导电性的碳基或金属基材料；集成支撑体系(4)为棒状或杆状绝缘材料。
6.根据权利要求1所述的集成式装置，其特征在于：所述的电子传导系统(3)包括第一导线(7)、第二导线(8)和电阻(9)，电子收集端(1)通过第一导线(7)与电阻(9)的一端相连接，电子导出端(2)通过第二导线(8)与电阻(9)的另一端相连接。
7.根据权利要求1所述的集成式装置，其特征在于：电子收集端(1)富集好氧微生物，电子导出端(2)富集产电微生物。
8.利用权利要求6所述的一种受用于污染水体原位修复的集成式装置进行修复方法，其特征在于：按以下步骤进行：
将用于受污染水体原位修复的集成式装置中的集成支撑体系(4)垂直插入受污染水体的底泥之中，且调整电子导出端(2)位置使之置于受污染水体下层的污染底泥之中，电子收集端(1)置于上层水体的上层或/和水面空气中且接近水面，使用第一导线(7)和第二导线(8)将电子收集端(1)和电子导出端(2)分别与电阻(9)两端相连接，电子收集端(1)开始富集好氧微生物，电子导出端(2)开始富集厌氧产电微生物，启动运行后60天内，去除水体和底泥中的污染物。
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