CN107010732B - 一种利用生物电化学原理缓解人工湿地填料污染的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用生物电化学与人工湿地耦合缓解填料污染的方法该方法基于生物电化学辅助型人工湿地系统实现，步骤为：1)组装生物电化学辅助型人工湿地系统；2)阳极层的活性炭颗粒培岩形成产电生物膜；3)连续运行处理污水，稳定运行4个月后利用全自动物理吸附仪测试填料比表面积，对比湿地层填料比表面积。本发明基于生物电化学辅助型人工湿地系统处理污水的同时缓解湿地处理方法中填料的污染问题，具有产电和缓解填料污染的双重作用，是一种经济环保的处理技术。
Description
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，涉及一种利用独特设计的生物电化学与人工湿地装置相结合以缓解人工湿地填料污染情况的方法。
背景技术
我国人均水资源相对贫乏且年污水排放总量较大，由于污水处理成本及技术管理等问题，污水总体处理率较低。与城镇生活污水二级处理厂普遍使用的活性污泥法及类似生化工艺的处理成本相比，人工湿地法处理成本低，操作简单，在集中式污水处理和开放水体的污染治理上都有应用。一般人工湿地是由人工构筑水池或沟槽，充填一定深度的基质层，种植水生植物，利用基质、植物、微生物的物理、化学、生物的三重协同作用使污水得到净化。我国在人工湿地的研究领域已经取得了一定的研究成果，在多个地区都有工程实际应用，但人工湿地污水处理法在发展应用过程中也暴露出一些不容忽视的问题，很多人工湿地在经历一段时间的运行之后都出现了填料堵塞的现象，直接导致处理效果下降。因此寻找一种可以提高填料抗污染性能的方法具有重要的意义。
生物电化学方法是近年来污染物资源与能源化研究的热点之一。该方法通过构建一个生物电化学系统，阳极区域的产电微生物在厌氧条件下分解水中的有机物，将产生的电子传递到阳极上，配合发生还原反应的阴极，在外电路得到持续的电流，实现污水中的化学能到电能的直接转化，在阴阳极之间保持一定的电位差，形成一个微小电场。由于一般污水中的悬浮颗粒物带负电，多数细菌表面也带有负电荷，因此可能受到微小电场的影响并改变其移动轨迹。
发明内容
本发明的目的在于克服人工湿地处理污水存在的填料污染问题，提供一种利用生物电化学辅助型人工湿地耦合技术缓解填料污染的方法。该方法利用生物电化学系统产生微小的电场，促进污染物颗粒以及带电微生物的移动，是一种经济环保的填料污染缓解技术。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种利用生物电化学原理缓解人工湿地填料污染的方法，该方法基于生物电化学辅助型人工湿地系统实现，生物电化学辅助型人工湿地系统包括一个采用有机玻璃制作的敞口圆柱形容器、电阻、数据采集卡和电脑，圆柱形容器的下部有一进水口，上部有一出水口；圆柱形容器从底部至顶部依次为碎石支撑层A、阳极层、碎石支撑层B、湿地层、碳毡阴极层。
所述的阳极层填充活性炭颗粒，所述的碳毡阴极层为碳毡，位于湿地层上方。所述的湿地层位于碎石支撑层B和碳毡阴极层之间，湿地层包括石墨板、活性炭颗粒和玻璃棉，玻璃棉位于湿地层下方，将湿地层与碎石支撑层B隔离，石墨板位于活性炭颗粒内部。所述的石墨板辅助碳毡阴极层收集电子，加强生物电化学系统的微电场。
所述的阳极层和碳毡阴极层通过钛丝与外电路连通，构成生物电化学辅助型人工湿地系统的完整回路，外电路上负载1000欧姆的电阻，并与数据采集卡连接，数据采集卡与电脑连接；污水通过蠕动泵由底部进水口连续进样，依次通过各部分最终从上端出水口出水，形成上升式水流模式。生物电化学辅助型人工湿地系统的流动模式是连续升流式。
该方法主要利用生物电化学系统产生微电场缓解生物电化学辅助型人工湿地系统中的填料污染，包括以下步骤：
第一步，构建生物电化学辅助型人工湿地系统
生物电化学辅助型人工湿地系统结构如上所示，从进水口处充入含菌源生活污水和活性污泥的混合液，进行菌源接种，使混合液微生物负载于阳极层的活性炭颗粒并逐渐形成产电生物膜，至连续出现三次以上电压上升、达到最大电压平稳运行、电压下降趋势，确认完全形成产电生物膜；产电生物膜中的产电微生物可稳定降解有机物产生质子和电子，电子通过外电路传输到阴极，质子依次经过碎石支撑层B和湿地层传输到碳毡阴极层，完成产电回路。
第二步，连续运行处理污水
在生物电化学辅助型人工湿地系统得到稳定产电生物膜之后，将污水通过蠕动泵底部进水口连续进样，依次通过各部分最终从上端出水口出水。系统运行4个月后，采用全自动物理吸附仪测试湿地层中活性炭颗粒的比表面积，得到该生物电化学辅助型人工湿地系统在运行过程中能够缓解填料污染。
本发明的益处和效果是利用生物电化学辅助型人工湿地装置处理污水的同时产生电能，利用质子的传输缓解填料的污染，实现同时处理污水和缓解填料污染的双重作用，是一种经济环保的缓解填料污染的技术。
附图说明
图1是本发明的生物电化学辅助型人工湿地系统结构图。
图2是本发明的生物电化学辅助型人工湿地系统的湿地层示意图。
图3是本发明的填料吸附脱附等温线图
图中：1进水口，2碎石支撑层A，3阳极层，4碎石支撑层B，5湿地层，6碳毡阴极层，7出水口，8电阻，9数据采集卡，10电脑，11石墨板，12活性炭颗粒，13玻璃棉。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种利用生物电化学原理缓解人工湿地填料污染的方法，该方法基于生物电化学辅助型人工湿地系统实现，生物电化学辅助型人工湿地系统包括一个采用有机玻璃制作的敞口圆柱形容器、电阻8、数据采集卡9和电脑10，圆柱形容器的下部有一进水口1，上部有一出水口7；圆柱形容器从底部至顶部依次为碎石支撑层A2、阳极层3、碎石支撑层B4、湿地层5、碳毡阴极层6。碎石支撑层B4、湿地层5构建模拟湿地。所述的阳极层填充活性炭颗粒，所述的碳毡阴极层为碳毡，位于湿地层上方。所述的湿地层位于碎石支撑层B和碳毡阴极层之间，湿地层包括石墨板、活性炭颗粒和玻璃棉，玻璃棉位于湿地层下方，将湿地层与碎石支撑层B隔离，石墨板位于活性炭颗粒内部。所述的石墨板辅助碳毡阴极层收集电子，加强生物电化学系统的微电场。
所述的阳极层和碳毡阴极层通过钛丝与外电路连通，构成生物电化学辅助型人工湿地系统的完整回路，外电路上负载1000欧姆的电阻，并与数据采集卡连接，数据采集卡与电脑连接；污水通过蠕动泵由底部进水口连续进样，依次通过各部分最终从上端出水口出水，形成上升式水流模式。
该方法主要利用生物电化学系统产生微电场缓解生物电化学辅助型人工湿地系统中的填料污染，包括以下步骤：
第一步，构建生物电化学辅助型人工湿地系统和普通人工湿地系统
生物电化学辅助型人工湿地系统结构如上所示，以直径为1cm左右活性炭作为阳极，组装圆柱形生物电化学系统反应器，从进水口处充入含菌源生活污水和活性污泥的混合液，进行菌源接种，使混合液微生物负载于阳极层的活性炭颗粒并逐渐形成产电生物膜，至连续出现三次以上电压上升、达到最大电压平稳运行、电压下降趋势，确认完全形成产电生物膜；产电生物膜中的产电微生物可稳定降解有机物产生质子和电子，电子通过外电路传输到阴极，质子依次经过碎石支撑层B和湿地层传输到碳毡阴极层，完成产电回路。
具有产电生物膜的活性炭阳极层接触污水降解有机物产生质子和电子通过电路向上传输，产生微小电场，促进污染物颗粒以及带电微生物的移动，缓解湿地层填料的污染。对照普通人工湿地采用与生物电化学辅助型人工湿地相同的结构，但是外电路并不连通，用于对比填料污染效果。
普通人工湿地系统与生物电化学辅助型人工湿地系统结构相同，但湿地层内部不放置石墨板，阳极层和阳极层不与外电路连通。
第二步，连续运行处理污水
在生物电化学辅助型人工湿地系统得到稳定产电生物膜之后，将取自污水处理厂的污水5L放入棕色瓶，相同条件下，将污水通过蠕动泵由两个系统的底部进水口连续进样，依次通过各部分最终从上端出水口出水。两套系统同步运行4个月后，分别测试两个系统中湿地层中活性炭颗粒的比表面积，对比得到该生物电化学辅助型人工湿地系统在运行过程中能够缓解填料污染。
反应器的运行性能及填料污染性分析：
(1)选取耐性较强植物放于生物电化学辅助型人工湿地系统中，首先加入活性污泥上清液和磷酸盐缓冲溶液为培养液稳定运行三星期，观察反应器的电压状况，发现可以长时间保持电压稳定，且采用上升流模式，保证生物电化学系统阳极层的厌氧环境，促使反应器运行良好。
(2)生物电化学辅助型人工湿地系统成功启动后，注入污水，利用耦合装置实现同步降解污水和产电。该反应器累计稳定运行4个月左右的时间，选取湿地层活性炭颗粒，用200目筛子筛选出细小活性炭颗粒，将其用去离子水清洗数次，然后晾干24h，使用全自动物理吸附仪进行两个系统的比表面积测试的吸附脱附等温线，然后再选取吸附等温线上相对压力(P/Po)在0.05-0.35区间的点通过BET公式拟合出来，进一步求得比表面积。通过上述方法最终求得空白活性炭填料的比表面积为133.8m2/g，对照人工湿地系统中填料的比表面积为38.1m2/g，生物电化学辅助人工湿地系统中填料的比表面积为58.2m2/g，生物电化学辅助人工湿地的填料表面污染情况比对照人工湿地减轻了21％,以此对比填料的堵塞情况得出利用生物电化学辅助型人工湿地装置实现同时处理污水和缓解填料污染的双重作用，是一种经济环保的缓解填料污染的技术。
Claims (3)
1.一种利用生物电化学原理缓解人工湿地填料污染的方法，其特征在于，该方法基于生物电化学辅助型人工湿地系统实现，生物电化学辅助型人工湿地系统包括一个采用有机玻璃制作的敞口圆柱形容器、电阻、数据采集卡和电脑，圆柱形容器的下部有一进水口，上部有一出水口；圆柱形容器从底部至顶部依次为碎石支撑层A、阳极层、碎石支撑层B、湿地层、碳毡阴极层；
所述的阳极层填充活性炭颗粒，所述的碳毡阴极层为碳毡；所述的湿地层位于碎石支撑层B和碳毡阴极层之间，湿地层包括石墨板、活性炭颗粒和玻璃棉，玻璃棉位于湿地层下部，将石墨板和活性炭颗粒与碎石支撑层B隔离，石墨板位于活性炭颗粒内部；所述的阳极层和碳毡阴极层通过钛丝与外电路连通，构成生物电化学辅助型人工湿地系统的完整回路，外电路上负载电阻，并与数据采集卡连接，数据采集卡与电脑连接；污水通过蠕动泵由底部进水口连续进样，依次通过各部分最终从上端出水口出水，形成上升式水流模式；
该方法主要利用生物电化学系统产生微电场缓解生物电化学辅助型人工湿地系统中的填料污染，包括以下步骤：
第一步，构建生物电化学辅助型人工湿地系统
生物电化学辅助型人工湿地系统结构如上所示，从进水口处充入含菌源生活污水和活性污泥的混合液，进行菌源接种，使混合液微生物负载于阳极层的活性炭颗粒并逐渐形成产电生物膜，至连续出现三次以上电压上升、达到最大电压平稳运行、电压下降趋势，确认完全形成产电生物膜；产电生物膜中的产电微生物可稳定降解有机物产生质子和电子，电子通过外电路传输到阴极，质子依次经过碎石支撑层B和湿地层传输到碳毡阴极层，完成产电回路；
第二步，连续运行处理污水
在生物电化学辅助型人工湿地系统得到稳定产电生物膜之后，将污水由底部进水口连续进样，依次通过各部分最终从上端出水口出水；运行一段时间后，测试湿地层中活性炭颗粒的比表面积，得到该生物电化学辅助型人工湿地系统在运行过程中填料污染情况。
2.根据权利要求1所述的一种利用生物电化学原理缓解人工湿地填料污染的方法，其特征在于，所述的电阻为1000欧姆。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用生物电化学原理缓解人工湿地填料污染的方法，其特征在于，采用全自动物理吸附仪测试活性炭颗粒的比表面积。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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