CN108689497A - 一种基于微电结构模块化湿地基质及利用其净化黑臭水体方法 - Google Patents

Abstract

一种基于微电结构模块化湿地基质及利用其净化黑臭水体方法，属于污水治理领域。所述湿地基质由若干个模块化湿地基质主体组成，所述若干个模块化湿地基质主体结构均为水平截面为六边形块体的模块化基质，每个模块化湿地基质主体均包含栽种区和基质区；所述栽种区为数个均匀分布于基质区中的从顶部到底部的贯穿孔，孔径为3~4cm；所述基质区为由混凝土均匀等比例固化废钢渣、超细碳纤维和铁丝构造成型的六边形块体基质，所述六边形块体基质的外接圆直径为500~600mm，厚度为100~300mm，六边形块体基质底部埋入钢制搭钩。本发明的湿地基质结构简单，建设灵活，维护方便，南方、北方均可采用。微电结构配合生态系统协同净化黑臭水体，具有更高范围更广的污染物去除效能。

Description

一种基于微电结构模块化湿地基质及利用其净化黑臭水体 方法

技术领域

本发明属于污水治理领域，涉及一种基于微电结构模块化湿地基质及利用其净化黑臭水体方法。

背景技术

城市水体是城市生态环境的重要组成部分，具有景观、生态和泄洪河等多重功能，但是由于环境污染的加剧，污水的无序排放，造成了城市水体变黑发臭进而成为黑臭水体，黑臭水体的治理是全世界所面临的难题，国内外对黑臭水体的治理从底泥清淤、引水冲污、投加药剂、投加菌种到生态修复采用了多重手段和方法，其中生态修复中的人工湿地技术是公知的最节能、成本最低、景观效果最好的长效修复技术，所以湿地护坡、浮岛湿地以及直接湿地修复等均在黑臭水体治理中得以应用。但这些公知的湿地在实际运行中易发生基质堵塞、基质流失，尤其浮岛湿地基质流失严重，所以公知浮岛湿地不填充基质或少填充基质，这势必影响湿地净化效能。而且公知人工湿地的基质净化功能限于过滤、吸附、植物吸收分解、基质微生物降解来实现对污水净化。对一些特征污染物：氮和磷的净化效能差，除臭能力有限。

发明内容

本发明针对公知的人工湿地的基质存在的问题，提供了一种基于微电结构模块化湿地基质及利用其净化黑臭水体方法，本发明的模块化湿地基质不会出现基质流失和堵塞，拼装施工更便捷，可以漂浮安装形成浮岛湿地，护坡铺装，形成湿地护坡，也可以固定在河道底部，有效控制和治理底泥。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于微电结构模块化湿地基质，所述湿地基质由若干个模块化湿地基质主体组成，所述若干个模块化湿地基质主体结构均为水平截面为六边形块体的模块化基质，每个模块化湿地基质主体均包含栽种区和基质区；其中：

所述栽种区：为数个均匀分布于基质区中的从顶部到底部的贯穿孔，孔径为3~4cm，有利于植物移栽和根系的固定，提高植物的成活率；

所述基质区：为由混凝土均匀等比例固化废钢渣、超细碳纤维和铁丝构造成型的六边形块体基质，所述六边形块体基质的外接圆直径为500~600mm，厚度为100~300mm，六边形块体基质底部埋入钢制搭钩，便于施工和维护，根据现场条件利用搭钩多块拼装扩大基质面积，也可以多层叠合安装，提高基质层厚度，叠合安装时栽种孔上下对齐保持贯通；

所述基质区：按质量比废钢渣占比50%、铁丝占比10%、超细碳纤维占比20%、混凝土占比20%，他们由混凝土均匀固化成型，构成基质区围绕在植物根系周围，形成丰富的微纳孔结构和微生物附着体，与植物根系共同构成根际微生物菌群附着生长微环境；利用微生物和植物根际酶氧化分解有机物，硝化去除氨氮等；

当若干个模块化湿地基质主体采用平面布设方式时，每相邻两个模块化湿地基质主体均采用钢制搭钩连接在一起，所述栽种区内栽种有植物；

当若干个模块化湿地基质主体采用叠放布设方式时，位于上层的若干个模块化湿地基质主体与位于下层的若干个模块化湿地基质主体一一对应设置，每层若干个模块化湿地基质主体的每相邻两个模块化湿地基质主体均采用钢制搭钩连接在一起，位于上层的若干个模块化湿地基质主体的若干个栽种区与位于下层的若干个模块化湿地基质主体的若干个栽种区一一对应设置，每个一一对应设置的栽种区内栽种有植物；

所述铁丝和超细碳纤维复合而成的导电体及铁丝和超细碳纤维构成的电解池-铁碳微电解为微电结构。

所述废钢渣为炼钢厂产生的废渣，所述废钢渣3-1包含有Mn、Fe等多种微量离子，所述废钢渣（3-1）中包含大孔和中孔，所述大孔直径为350~400微米，所述中孔直径为80~100微米，大孔中孔发达，能够有效吸附微生物，Mn、Fe离子提高产电细菌的产电性能；

所述超细碳纤维（3-3）中包含有微米孔和纳米孔（0.5~1nm）的碳纤维体，其中纳米孔占比80%，改善基质的孔隙结构，具有高效的吸附性能；

所述铁丝（3-2）：协同超细碳纤维（3-3）构成原电池和电解池，在产电细菌产电过程中传递电荷，并作为电极参与铁碳微电解反应，提高对有机物的降解能力和除臭能力（COD的去除率提高10%，总氮的去除率25%，臭味的去除能力提高43%），这种微电结构的复合基质，是公知的湿地所不具备的；

所述微电结构将超细碳纤维（3-3）基质表面和废钢渣（3-1）基质表面附着生长的产电细菌产生的电子由低电位区（厌氧区（溶解氧小于0.5mg/L））传递到异位高电位区参与还原反应-氧的还原反应或反硝化细菌利用参与反硝化脱氮反应；同时这种微电结构通过电化学氧化降解有机物高效除臭，利用厌氧菌分解有机物产生电荷，这是一种复杂的原电池和电解池复合作用的微电结构，具有多重电化学机制。

一种利用上述的基于微电结构模块化湿地基质净化黑臭水体方法，实现了对黑臭水体的净化及产电，所述方法包括如下步骤：

步骤一：黑臭水体流入包含植物的模块化湿地基质主体内，基质区的废钢渣和超细碳纤维吸附污染物、并利用附着生长的微生物和根际酶协同氧化有机污染物、氨氮，实现对黑臭水体的初步净化，植物也同步吸收氮、磷污染物对黑臭水体进行同步净化；

步骤二：附着于基质区的产电微生物和根际酶氧化有机污染物产生电子，电子通过微电结构中的铁丝和超细碳纤维快速到达高电位点（阴极点），实现电子的快速传递与再分配，电子被电子受体（氧等）、反硝化细菌利用，参与还原反应，完成氧化还原反应过程，实现反硝化脱氮，完成产电，基于这一基质的反硝化脱氮反应只有在这种结构的湿地中才能发生；

步骤三：铁丝和超细碳纤维构成电解池-铁碳微电解，具有很强的氧化除臭效能；

步骤四：黑臭水体中的铁丝，在好氧环境下被氧化成铁离子Fe³⁺，铁离子Fe³⁺与磷酸根反应形成沉淀，沉积于基质区内，被植物吸收，进一步强化除磷。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

1、利用本发明的模块化湿地基质构建湿地，拼装搭建，建设周期短，不堵塞不会发生基质流失，可以在黑臭水体的护坡、浮岛湿地、沉积湿地中广泛应用。

2、微电结构配合生态系统协同净化黑臭水体，具有更高范围、更广的污染物去除效能，是公知湿地所不具备的。

3、本发明结构简单，建设灵活，维护方便，南方、北方均可采用。

附图说明

图1为模块化湿地基质结构图；

图2为图1的模块化湿地基质1-1剖面图；

图3为图1的模块化湿地基质2-2剖面图；

图4为模块化湿地基质平面拼合图；

图5为模块化湿地基质叠拼图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明利用混凝土将废钢渣、超细碳纤维、铁丝固化成型，构造多孔多效能湿地模块化基质，既可以防止颗粒态基质流失，也可以通过更换或者冲洗，有效防治基质堵塞；其中：废钢渣和超细碳纤维共同实现造孔和构成微生物载体，废钢渣具有较高孔隙率，同时包含Fe、Mn等残留特征离子能够提高吸附微生物种群中产电细菌的产电能力，进而促进脱氮；超细碳纤维微孔发达，比表面积大3000~4000m²/g，吸附能力强；废钢渣在超细碳纤维的协同作用下，改善基质的孔隙结构，使基质中孔（80~100微米）发达，微纳孔（0.5~1nm）致密而有序，进而提高基质的透水性能和改善微生物种群结构，提高净水能力。基质内嵌贯穿顶部和底部的铁丝既能增加基质的强度，又具有特殊的微生物功效，它和超细碳纤维一起作为导体可以将厌氧环境中产电细菌分解有机污染物产生的电荷传递到高电位点参与还原反应，实现电荷的快速传递和再分配，这种特殊的原电池结构使该基质湿地对氮磷以及有机污染物的净化效能远高于公知湿地；同时铁丝和超细碳纤维协同构成铁碳微电解单元，电化学氧化水体中的臭气，可以高效快速除臭，这种原电池配合电解池的微电结构是治理黑臭水体的有效方法。

本发明的模块化基质不会出现基质流失和堵塞，拼装施工更便捷。可以漂浮在水面上构成浮岛湿地，也可以作为河堤护坡铺装，形成湿地护坡，构建生态护坡治理黑臭水体，防止基质流失，提高湿地的生态效能。该微电机构模块化湿地基质也可以固定覆盖在河道底泥表面构建沉积型湿地，抑制底泥上浮，分解治理底泥，解决的公知的浮岛湿地没有办法直接接触底泥，治理底泥功效差的问题。同时该模块化基质也可以用在通用的人工湿地中作为基质，施工便捷迅速，防止堵塞维护便利。

具体实施方式一：如图1、图2、图3所示，本实施方式记载的是一种基于微电结构模块化湿地基质，所述湿地基质由若干个模块化湿地基质主体1组成，所述若干个模块化湿地基质主体1结构均为水平截面为六边形块体的模块化基质，每个模块化湿地基质主体1均包含栽种区2和基质区3；其中：

所述栽种区2：为数个均匀分布于基质区3中的从顶部到底部的贯穿孔，孔径为3~4cm，有利于植物移栽和根系的固定，提高植物的成活率；

所述基质区3：为由混凝土均匀等比例固化废钢渣3-1、超细碳纤维3-3和铁丝3-2构造成型的六边形块体基质，所述六边形块体基质的外接圆直径为500~600mm，厚度为100~300mm，六边形块体基质底部埋入钢制搭钩1-1，便于施工和维护，根据现场条件利用搭钩多块拼装扩大基质面积，也可以多层叠合安装，提高基质层厚度，叠合安装时栽种孔上下对齐保持贯通；

所述基质区3：按质量比废钢渣3-1占比50%、铁丝3-2占比10%、超细碳纤维3-3占比20%、混凝土3-4占比20%，他们由混凝土均匀固化成型，构成基质区围绕在植物根系周围，形成丰富的微纳孔结构和微生物附着体，与植物根系共同构成根际微生物菌群附着生长微环境；利用微生物和植物根际酶氧化分解有机物，硝化去除氨氮等；

当若干个模块化湿地基质主体1采用平面布设方式时，每相邻两个模块化湿地基质主体1均采用钢制搭钩1-1连接在一起，所述栽种区2内栽种有植物，如图4所示；

当若干个模块化湿地基质主体1采用叠放布设方式时，位于上层的若干个模块化湿地基质主体1与位于下层的若干个模块化湿地基质主体1一一对应设置，每层若干个模块化湿地基质主体1的每相邻两个模块化湿地基质主体1均采用钢制搭钩1-1连接在一起，位于上层的若干个模块化湿地基质主体1的若干个栽种区2与位于下层的若干个模块化湿地基质主体1的若干个栽种区2一一对应设置，每个一一对应设置的栽种区2内栽种有植物，如图5所示；

所述铁丝3-2和超细碳纤维3-3复合而成的导电体及铁丝3-2和超细碳纤维3-3构成的电解池-铁碳微电解为微电结构。

设置的钢制搭钩1-1便于施工和维护，根据现场条件利用钢制搭钩1-1可以多块拼装和多层叠合安装，扩大湿地面积，提高基质区厚度，可以快速拼合构建浮岛湿地、人工湿地，建设周期极大缩小；所述基质区3具有中孔（80~100微米）发达、微孔（0.5~1nm）致密而有序的特点，该结构有助于提高水的通透率和氧的溶解率（溶解氧2~3mg/L），形成微生物的附着体；所述基质区3围绕在植物根系周围，形成丰富的孔结构和微生物附着体，与植物根系共同构成根际微生物菌群附着生长微环境；利用微生物和植物根际酶氧化分解有机物，硝化去除氨氮等；有利于植物移栽和根系的固定，提高植物的成活率，污水流过植物栽种区，利用植物实现对污染物的吸附、吸收、分解净化水质。

具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种基于微电结构模块化湿地基质，所述废钢渣为炼钢厂产生的废渣，所述废钢渣3-1包含有Mn、Fe等多种微量离子，所述废钢渣3-1中包含大孔和中孔，所述大孔直径为350~400微米，所述中孔直径为80~100微米，大孔中孔发达，能够有效吸附微生物，Mn、Fe离子提高产电细菌的产电性能；

所述超细碳纤维3-3中包含有微纳米微孔（0.5~1nm）的碳纤维体，其中纳米孔占比80%，改善基质的孔隙结构，具有高效的吸附性能；

所述铁丝3-2：协同超细碳纤维3-3构成原电池和电解池，在产电细菌产电过程中传递电荷，并作为电极参与铁碳微电解反应，提高对有机物的降解能力和除臭能力（COD的去除率提高10%，总氮的去除率25%，臭味的去除能力提高43%），这种微电结构的复合基质，是公知的湿地所不具备的；

所述微电结构将超细碳纤维3-3基质表面和废钢渣3-1基质表面附着生长的产电细菌产生的电子由低电位区（厌氧区（溶解氧小于0.5mg/L））传递到异位高电位区参与还原反应-氧的还原反应或反硝化细菌利用参与反硝化脱氮反应；同时这种微电结构通过电化学氧化降解有机物高效除臭，利用厌氧菌分解有机物产生电荷，这是一种复杂的原电池和电解池复合作用的微电结构，具有多重电化学机制。

具体实施方式三：一种利用具体实施方式一或二所述的基于微电结构模块化湿地基质净化黑臭水体方法，实现了对黑臭水体的净化及产电，所述方法包括如下步骤：

步骤一：黑臭水体流入包含植物的模块化湿地基质主体1内，基质区3的废钢渣3-1和超细碳纤维3-3吸附污染物、并利用附着生长的微生物和根际酶协同氧化有机污染物、氨氮，实现对黑臭水体的初步净化，植物也同步吸收氮、磷污染物对黑臭水体进行同步净化；

步骤二：附着于基质区3的产电微生物和根际酶氧化有机污染物产生电子，电子通过微电结构中的铁丝3-2和超细碳纤维3-3快速到达高电位点（阴极点），实现电子的快速传递与再分配，电子被电子受体（氧等）、反硝化细菌利用，参与还原反应，完成氧化还原反应过程，实现反硝化脱氮，完成产电，基于这一基质的反硝化脱氮反应只有在这种结构的湿地中才能发生；

步骤三：铁丝3-2和超细碳纤维3-3构成电解池-铁碳微电解，具有很强的氧化除臭效能；

步骤四：黑臭水体中的铁丝3-2，在好氧环境下被氧化成铁离子Fe³⁺，铁离子Fe³⁺与磷酸根反应形成沉淀，沉积于基质区3内，被植物吸收，进一步强化除磷。

表1 大型钢铁企业转炉钢渣的化学成分，%

Claims (3)

1.一种基于微电结构模块化湿地基质，其特征在于：所述湿地基质由若干个模块化湿地基质主体（1）组成，所述若干个模块化湿地基质主体（1）结构均为水平截面为六边形块体的模块化基质，每个模块化湿地基质主体（1）均包含栽种区（2）和基质区（3）；其中：

所述栽种区（2）：为数个均匀分布于基质区（3）中的从顶部到底部的贯穿孔，孔径为3~4cm；

所述基质区（3）：为由混凝土均匀等比例固化废钢渣（3-1）、超细碳纤维（3-3）和铁丝（3-2）构造成型的六边形块体基质，所述六边形块体基质的外接圆直径为500~600mm，厚度为100~300mm，六边形块体基质底部埋入钢制搭钩（1-1）；

所述基质区（3）：按质量比废钢渣（3-1）占比50%、铁丝（3-2）占比10%、超细碳纤维（3-3）占比20%、混凝土（3-4）占比20%；

当若干个模块化湿地基质主体（1）采用平面布设方式时，每相邻两个模块化湿地基质主体（1）均采用钢制搭钩（1-1）连接在一起，所述栽种区（2）内栽种有植物；

当若干个模块化湿地基质主体（1）采用叠放布设方式时，位于上层的若干个模块化湿地基质主体（1）与位于下层的若干个模块化湿地基质主体（1）一一对应设置，每层若干个模块化湿地基质主体（1）的每相邻两个模块化湿地基质主体（1）均采用钢制搭钩（1-1）连接在一起，位于上层的若干个模块化湿地基质主体（1）的若干个栽种区（2）与位于下层的若干个模块化湿地基质主体（1）的若干个栽种区（2）一一对应设置，每个一一对应设置的栽种区（2）内栽种有植物；

所述铁丝（3-2）和超细碳纤维（3-3）复合而成的导电体及铁丝（3-2）和超细碳纤维（3-3）构成的电解池-铁碳微电解为微电结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于微电结构模块化湿地基质，其特征在于：所述废钢渣（3-1）中包含大孔和中孔，所述大孔直径为350~400微米，所述中孔直径为80~100微米；

所述超细碳纤维（3-3）中包含有微纳米微孔的碳纤维体，其中纳米孔占比80%；

所述铁丝（3-2）：协同超细碳纤维（3-3）构成原电池和电解池，在产电细菌产电过程中传递电荷，并作为电极参与铁碳微电解反应；

所述微电结构将超细碳纤维（3-3）基质表面和废钢渣（3-1）基质表面附着生长的产电细菌产生的电子由低电位区传递到异位高电位区参与还原反应-氧的还原反应或反硝化细菌利用参与反硝化脱氮反应；同时这种微电结构通过电化学氧化降解有机物高效除臭，利用厌氧菌分解有机物产生电荷。

3.一种利用权利要求1或2所述的基于微电结构模块化湿地基质净化黑臭水体方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤一：黑臭水体流入包含植物的模块化湿地基质主体（1）内，基质区（3）的废钢渣（3-1）和超细碳纤维（3-3）吸附污染物、并利用附着生长的微生物和根际酶协同氧化有机污染物、氨氮，实现对黑臭水体的初步净化，植物也同步吸收氮、磷污染物对黑臭水体进行同步净化；

步骤二：附着于基质区（3）的产电微生物和根际酶氧化有机污染物产生电子，电子通过微电结构中的铁丝（3-2）和超细碳纤维（3-3）快速到达高电位点，实现电子的快速传递与再分配，电子被电子受体、反硝化细菌利用，参与还原反应，完成氧化还原反应过程，实现反硝化脱氮，完成产电；

步骤三：铁丝（3-2）和超细碳纤维（3-3）构成电解池-铁碳微电解；

步骤四：黑臭水体中的铁丝（3-2），在好氧环境下被氧化成铁离子Fe³⁺，铁离子Fe³⁺与磷酸根反应形成沉淀，沉积于基质区（3）内，被植物吸收，进一步强化除磷。