CN108623011A - 一种生态浮岛与微生物燃料电池的耦合装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生态浮岛与微生物燃料电池的耦合装置，包括水下微生物燃料电池模块和水上浮岛模块，水下微生物燃料电池模块包括由多个不锈钢钢丝笼组成的组合式阳极主体和作为阴极的导电曝气膜组件，不锈钢钢丝笼内部填充导电颗粒状石墨或活性碳，组合式阳极主体上侧架设若干个导电曝气膜组件，水下微生物燃料电池模块通过中部竖向布置的若干根支撑柱与水上浮岛模块相连；水上浮岛模块由中心浮体和植物浮床构成，所述植物浮床通过缆绳连接在中心浮体四周，中心浮体的上端通过支撑杆和风光发电装置相连。本发明具有结构简单，组装方便等优点，并能实现对水体与底泥中污染物的同步去除，满足河流水质净化与保障需求。
Description
技术领域
本发明涉及环境工程领域，特别是涉及一种生态浮岛与微生物燃料电池的耦合装置。
背景技术
河流作为城市生态系统的重要组成部分，在维护生态平衡、调节气候环境、防控洪涝灾害、塑造城市景观等方面发挥着重要作用。随着城市快速发展、人口迅速增长，河流逐渐成为消纳污染物的载体，承受着生活污水、工业废水的污染，河流生态系统严重退化。此外，水系分隔封闭、生态基流不足、城市面源污染等进一步加剧了河流生态环境问题，富营养化、蓝藻水华，甚至是黑臭现象屡见不鲜，已对人居环境造成较大的负面影响。
近年来河流生态环境治理受到了广泛关注，已有的城市河流治理技术包括曝气充氧、底泥疏浚、化学或生物制剂投放、水生植被及湿地重建、生态浮岛布置等。其中，生态浮岛可通过植物根系对氮、磷的吸收、根系微生物对污染物的降解、根系释放的化感物质对藻类的抑制，以及浮岛对光线的遮蔽达到提升河流水质、控制藻类水华的目的，具有无二次污染、低投资、景观好等优点，是城市河流治理中应用较广的技术之一。
目前，生态浮岛对河流水体发挥净化作用的主体是植物。然而，研究表明植物吸收对脱氮除磷的贡献率较小，且受制于季节、植物生物量和浮岛面积的限制，净化效果有限。此外，对于污染程度较重的黑臭水体，水中较低溶解氧浓度会影响植物的正常生长，进一步降低生态浮岛的净化效能。后续有必要强化依附于生态浮岛的微生物群落的净化作用。在生态浮岛下方挂载生物填料有利于微生物的附着，发挥微生物的净化功能(如专利号为2016104352545的名称为多介质强化修复受污染水体的模块化人工浮岛及其应用的专利，对生态浮岛的净化进行了描述)。此外，通过在浮岛下方挂载曝气膜组件，并进行微孔曝气，有利于提高膜组件表面微生物群落的多样性，充分发挥微生物对水体的净化效果。
除了河流水体，底泥污染的治理也不容小觑。各种来源的污染物经水体悬浮颗粒物的吸附和沉降作用，最终被富集沉淀在底部沉积物中。底泥中污染物的释放会对水体产生“二次污染”，严重影响水污染的治理效果。虽然微生物在厌氧沉积环境的物质转化过程中扮演着重要角色，但是，厌氧环境中微生物往往缺乏充足的电子受体，造成基于微生物的厌氧沉积物环境中污染物降解效果缓慢。研究表明向沉积物中添加电子受体(如硝酸盐、氧气和三价铁)，可促进厌氧环境中污染物的降解效果。然而，添加电子受体成本高、不易操作，且往往伴随二次污染。
微生物燃料电池是一种利用产电微生物将有机物的化学能转化为电能的新兴技术。微生物燃料电池首先通过微生物在低电势的阳极催化有机物分解，产生电子和质子，然后，电子通过外电路到达高电势阴极并与电子受体(O2、NO2 -和NO3 -等)和来自阳极的质子相结合，实现污染物降解并产生电能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种生态浮岛与微生物燃料电池的耦合装置，具有结构简单，组装方便等优点，可实现曝气增氧，阴极脱氮，阳极除碳、在线监测等多重功能，并能实现对水体与底泥中污染物的同步去除，满足河流水质净化与保障需求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种生态浮岛与微生物燃料电池的耦合装置，包括水下微生物燃料电池模块和水上浮岛模块，所述的水下微生物燃料电池模块包括由多个不锈钢钢丝笼组成的组合式阳极主体和作为阴极的导电曝气膜组件，所述的不锈钢钢丝笼内部填充导电颗粒状石墨或活性碳且多个不锈钢钢丝笼首位相接组成“口”字形的阳极主体，所述的组合式阳极主体上侧架设若干个导电曝气膜组件，所述的水下微生物燃料电池模块通过中部竖向布置的若干根支撑柱与水上浮岛模块相连；
所述的水上浮岛模块由中心浮体和植物浮床构成，所述植物浮床通过缆绳连接在中心浮体四周，所述的中心浮体的内部空腔内安装有风光互补发电收集系统、微生物燃料电池电能收集系统、水质在线监测系统、数据实时传输系统、充气泵与可调式电阻箱，所述的中心浮体的上端通过支撑杆和风光发电装置相连，所述的风光互补发电收集系统包括充放电控制器和蓄电池，所述风光发电装置的输出线路通过充放电控制器的控制电路与蓄电池连接，所述充气泵使用蓄电池中储存的电能驱动并通过设在支撑柱中的若干条气路与导电曝气膜组件连接。
作为对本发明所述的技术方案的一种补充，所述的不锈钢钢丝笼外侧边缘位置均并排设有一对外侧插杆和供外侧插杆插入的外侧插槽，两根外侧插杆之间布置有上下移动的外侧卡槽条，所述不锈钢钢丝笼内侧壁上安装有支撑柱、内侧插槽、内侧卡槽条和连接件，相邻两个不锈钢钢丝笼通过将支撑柱插入同一个内侧插槽进行固定，所述的内侧卡槽条两端通过连接件分别与两根内支撑柱相连并沿着支撑柱上下移动。
进一步的，相对应的外侧卡槽条和内侧卡槽条处于同一高度且两者之间安装有若干个导电曝气膜组件。
进一步的，所述的导电曝气膜组件由聚偏氟乙烯或聚丙烯中空纤维与碳纤维交织而成。
进一步的，所述中心浮体外侧为方形，中央为圆台状凸起，内部为空腔，上侧由圆台盖板、圆台顶板和圆台舱门组成，所述的支撑杆设置在圆台顶板上端。
进一步的，所述的微生物燃料电池电能收集系统包括电压实时监测设备、超级电容、升压直流转换器，对水下微生物燃料电池模块产生的电能进行储存，形成可持续工作的备份电源。
进一步的，所述的水质在线监测系统包括传感器和数据采集卡，实时监测水温、pH、溶解氧和电导率，所述数据实时传输系统将电压实时监测结果与传感器监测结果通过GPRS传输，将数据上传至互联网云平台。
进一步的，所述的组合式阳极主体的中央种植有沉水植物，密度为40-60株/m2。
进一步的，所述的植物浮床上设有用于布置植物的种植杯插孔，所述种植杯插孔内安插有种植杯，用于种植各种水生植物，种植密度20株/m2。
有益效果：本发明涉及一种生态浮岛与微生物燃料电池的耦合装置，利用太阳能、风能、微生物燃料电池等能源作为驱动供气设备，取代传统的人工供电，可降低系统能耗、节约能源，同时减少了传统供电设施所需的电源布线问题。该装置具有结构简单，组装方便、投资运行费用低、管理方便、美观实用等优点，可实现曝气增氧，阴极脱氮，阳极除碳、在线监测等多重功能，并能实现对水体与底泥中污染物的同步去除，满足河流水质净化与保障需求，有利于降低水体与沉积物中的营养物质负荷，减轻富营养化水平，提高水生态系统生物多样性。
附图说明
图1是本发明所述的水下微生物燃料电池模块的结构示意图；
图2是本发明所述的水上浮岛模块的结构示意图。
图示：1、不锈钢钢丝笼；2、外侧插杆；3、外侧插槽；4、外侧卡槽条；5、支撑柱；6、内侧插槽；7、内侧卡槽条；8、连接件；9、圆台盖板；10、圆台顶板；11、圆台舱门；12、连接插孔；13、支撑杆；14、风光发电装置；15、植物浮床。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1-2所示，本发明的实施方式涉及一种生态浮岛与微生物燃料电池的耦合装置，包括水下微生物燃料电池模块和水上浮岛模块，所述的水下微生物燃料电池模块包括由多个不锈钢钢丝笼1组成的组合式阳极主体和作为阴极的导电曝气膜组件，所述的不锈钢钢丝笼1内部填充导电颗粒状石墨或活性碳且多个不锈钢钢丝笼1首位相接组成“口”字形的阳极主体，所述的组合式阳极主体上侧架设若干个导电曝气膜组件，所述的水下微生物燃料电池模块通过中部竖向布置的若干根支撑柱5与水上浮岛模块相连；
所述的水上浮岛模块由中心浮体和植物浮床15构成，所述植物浮床15通过缆绳连接在中心浮体四周，所述的中心浮体的内部空腔内安装有风光互补发电收集系统、微生物燃料电池电能收集系统、水质在线监测系统、数据实时传输系统、充气泵与可调式电阻箱，所述的中心浮体的上端通过支撑杆13和风光发电装置14相连，所述的风光互补发电收集系统包括充放电控制器和蓄电池，所述风光发电装置14的输出线路通过充放电控制器的控制电路与蓄电池连接，所述充气泵使用蓄电池中储存的电能驱动并通过设在支撑柱5中的若干条气路与导电曝气膜组件连接。
作为对本发明所述的技术方案的一种补充，所述的不锈钢钢丝笼1外侧边缘位置均并排设有一对外侧插杆2和供外侧插杆2插入的外侧插槽3，两根外侧插杆2之间布置有上下移动的外侧卡槽条4，所述不锈钢钢丝笼1内侧壁上安装有支撑柱5、内侧插槽6、内侧卡槽条7和连接件8，相邻两个不锈钢钢丝笼1通过将支撑柱5插入同一个内侧插槽6进行固定，所述的内侧卡槽条7两端通过连接件8分别与两根内支撑柱5相连并沿着支撑柱5上下移动。
相对应的外侧卡槽条4和内侧卡槽条7处于同一高度且两者之间安装有若干个导电曝气膜组件。
所述的导电曝气膜组件由聚偏氟乙烯或聚丙烯中空纤维与碳纤维交织而成。
所述中心浮体外侧为方形，中央为圆台状凸起，内部为空腔，上侧由圆台盖板9、圆台顶板10和圆台舱门11组成，所述的支撑杆13设置在圆台顶板10上端。
所述的微生物燃料电池电能收集系统包括电压实时监测设备、超级电容、升压直流转换器，对水下微生物燃料电池模块产生的电能进行储存，形成可持续工作的备份电源。
所述的水质在线监测系统包括传感器和数据采集卡，实时监测水温、pH、溶解氧和电导率，所述数据实时传输系统将电压实时监测结果与传感器监测结果通过GPRS传输，将数据上传至互联网云平台。
所述的组合式阳极主体的中央种植有沉水植物，密度为40-60株/m2。
所述的植物浮床15上设有用于布置植物的种植杯插孔，所述种植杯插孔内安插有种植杯，用于种植各种水生植物，种植密度20株/m2。
作为本发明的一种具体实施例：
在面积为40m2、水深1.5m、泥深0.5m的池塘中，构建生态浮岛与微生物燃料电池的耦合装置。
所述的组合式阳极主体采用的不锈钢钢丝笼1的尺寸为长3m、宽1m、高0.3m，内部填充导电颗粒状石墨或活性碳(粒径1.0-3.0cm)，口字形阳极中央种植苦草、黑藻等沉水植物，安装好外侧插杆2、外侧插槽3、外侧卡槽条4、支撑柱5、内侧插槽6、内侧卡槽条7和连接件8等部件，并在外侧卡槽条4和内侧卡槽条7之间安装很多导电曝气膜组件，内侧卡槽条7和外侧开槽条4处于离不锈钢丝笼1表层10-30cm的高度。
所述中心浮体外侧为方形，中央为圆台状凸起，内部为空腔(长2m、宽2m、高0.7m)，支撑柱5插入到中心浮体顶角处的连接插孔内。
所述的水下微生物燃料电池模块的多组阴、阳极相互串联，并与所述可调式电阻箱连接，通过调整电阻大小控制回路中电流，优化对河流水体和沉积物中污染物的净化作用。
所述植物浮床15的尺寸为长2m、宽1m、高0.2m，通过缆绳连接在中心浮体四周，此外，多组所述植物浮床间可通过缆绳扩展连接，拼接成不同面积大小的水上浮岛模块。所述植物浮床上设有用于布置植物的种植杯插孔，所述种植杯插孔内安插有种植杯，用于种植美人蕉、菖蒲、香蒲等各种水生植物，种植密度20株/m2。
经10天处理，对池塘上覆水中氨氮、总氮与COD的去除率分别为89％，70％和80％，池塘水体所属水环境质量类别由劣V类提升至III类，此外，池塘沉积物中总有机碳含量降低了15％。
本发明具有结构简单，组装方便等优点，可实现曝气增氧，阴极脱氮，阳极除碳、在线监测等多重功能，并能实现对水体与底泥中污染物的同步去除，满足河流水质净化与保障需求。
Claims (9)
1.一种生态浮岛与微生物燃料电池的耦合装置，其特征在于，包括水下微生物燃料电池模块和水上浮岛模块，所述的水下微生物燃料电池模块包括由多个不锈钢钢丝笼(1)组成的组合式阳极主体和作为阴极的导电曝气膜组件，所述的不锈钢钢丝笼(1)内部填充导电颗粒状石墨或活性碳且多个不锈钢钢丝笼(1)首位相接组成“口”字形的阳极主体，所述的组合式阳极主体上侧架设若干个导电曝气膜组件，所述的水下微生物燃料电池模块通过中部竖向布置的若干根支撑柱(5)与水上浮岛模块相连；
所述的水上浮岛模块由中心浮体和植物浮床(15)构成，所述植物浮床(15)通过缆绳连接在中心浮体四周，所述的中心浮体的内部空腔内安装有风光互补发电收集系统、微生物燃料电池电能收集系统、水质在线监测系统、数据实时传输系统、充气泵与可调式电阻箱，所述的中心浮体的上端通过支撑杆(13)和风光发电装置(14)相连，所述的风光互补发电收集系统包括充放电控制器和蓄电池，所述风光发电装置(14)的输出线路通过充放电控制器的控制电路与蓄电池连接，所述充气泵使用蓄电池中储存的电能驱动并通过设在支撑柱(5)中的若干条气路与导电曝气膜组件连接。
2.根据权利要求1所述的生态浮岛与微生物燃料电池的耦合装置，其特征在于：所述的不锈钢钢丝笼(1)外侧边缘位置均并排设有一对外侧插杆(2)和供外侧插杆(2)插入的外侧插槽(3)，两根外侧插杆(2)之间布置有上下移动的外侧卡槽条(4)，所述不锈钢钢丝笼(1)内侧壁上安装有支撑柱(5)、内侧插槽(6)、内侧卡槽条(7)和连接件(8)，相邻两个不锈钢钢丝笼(1)通过将支撑柱(5)插入同一个内侧插槽(6)进行固定，所述的内侧卡槽条(7)两端通过连接件(8)分别与两根内支撑柱(5)相连并可沿着支撑柱(5)上下移动。
3.根据权利要求2所述的生态浮岛与微生物燃料电池的耦合装置，其特征在于：相对应的外侧卡槽条(4)和内侧卡槽条(7)处于同一高度且两者之间安装有若干个导电曝气膜组件。
4.根据权利要求3所述的生态浮岛与微生物燃料电池的耦合装置，其特征在于：所述的导电曝气膜组件由聚偏氟乙烯或聚丙烯中空纤维与碳纤维交织而成。
5.根据权利要求1所述的生态浮岛与微生物燃料电池的耦合装置，其特征在于：所述中心浮体外侧为方形，中央为圆台状凸起，内部为空腔，上侧由圆台盖板(9)、圆台顶板(10)和圆台舱门(11)组成，所述的支撑杆(13)设置在圆台顶板(10)上端。
6.根据权利要求1所述的生态浮岛与微生物燃料电池的耦合装置，其特征在于：所述的微生物燃料电池电能收集系统包括电压实时监测设备、超级电容、升压直流转换器，对水下微生物燃料电池模块产生的电能进行储存，形成可持续工作的备份电源。
7.根据权利要求1所述的生态浮岛与微生物燃料电池的耦合装置，其特征在于：所述的水质在线监测系统包括传感器和数据采集卡，实时监测水温、pH、溶解氧和电导率，所述数据实时传输系统将电压实时监测结果与传感器监测结果通过GPRS传输，将数据上传至互联网云平台。
8.根据权利要求1所述的生态浮岛与微生物燃料电池的耦合装置，其特征在于：所述的组合式阳极主体的中央种植有沉水植物，密度为40-60株/m2。
9.根据权利要求1所述的生态浮岛与微生物燃料电池的耦合装置，其特征在于：所述的植物浮床(15)上设有用于布置植物的种植杯插孔，所述种植杯插孔内安插有种植杯，用于种植各种水生植物，种植密度20株/m2。
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