CN108706720A - 一种利用微生物燃料电池-水生植物原位修复黑臭水体的方法及装置 - Google Patents

一种利用微生物燃料电池-水生植物原位修复黑臭水体的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用微生物燃料电池‑水生植物原位修复黑臭水体的方法及装置，步骤是：A、在黑臭水体底泥‑水界面下处埋设阳极板；B、将水生植物根系穿过阳极板上的圆孔，扎根底泥中；C、在水‑空气界面设置阴极板，使得阴极板悬浮在水面中，阴极板暴露于空气中；D、将阳极板和阴极板用外导线和外电阻连接起来，形成电流回路。阳极板位于泥‑水界面下处，阳极板上有等距阵列排列的圆形开孔，水生植物根系穿过阳极板开孔处，扎入底泥中，阴极板悬浮于上覆水‑空气界面处，阳极板与阴极依次通过外导线、外电阻连接形成电流通路。方法简单，操作便捷，结构简单，促进了水生植物对营养物质的吸收，转变成植物生物量，改善水体黑臭和富营养化。

Description

一种利用微生物燃料电池-水生植物原位修复黑臭水体的方 法及装置
技术领域
本发明属于湖泊、河道、沟渠等水体的生态修复技术领域，更具体涉及一种利用沉积物燃料电池-水生植物协同治理和原位修复黑臭水体的方法，同时还涉及一种联合水生植物和微生物燃料电池原位修复黑臭水体的装置。
背景技术
水体黑臭是水体有机污染的一种极端现象，是对水体极端污染状态的一种描述。所谓“黑臭”，在视觉感官上，水体呈现令人不悦的颜色(黑色或泛黑色)和(或)散发令人不适气味(H2S、NH3等刺激性气体)；从形成机理上，水体发黑发臭主要是在缺氧或厌氧状况下，水体内有机污染物发生系列物理、化学、生物作用的结果。黑臭程度的判断可依据透明度、溶解氧、氧化还原电位及氨氮4项指标(《城市黑臭水体整治工作指南》)。一般来说，当水体中DO≤2mg·L－1、ORP＜－100mg·L－1、NH4 +-N≥8mg·L－1时，就开始黑臭了；当ORP＜－200mg·L－1时，处于严重黑臭状态(程江等，平原河网地区水体黑臭预测评价关键指标研究，中国给水排，2006,22(9):18-22；吕佳佳等，黑臭水形成的水质和环境条件研究，华东师范大学学报:自然科学版，2014，48(5):711－716)。
外源性有机污染物(主要包括有机碳污染源、有机氮污染物以及含磷化合物)的流入是造成水体黑臭现象的主要原因之一。这些污染物主要来自废水、污水中的糖类、蛋白质、氨基酸、油脂等有机物的分解，在分解过程中消耗大量的溶解氧，使得水体中耗氧速率＞复氧速率，造成水体缺氧。在缺氧水体中，产臭过程会与致黑同步，有机物厌氧分解产生甲烷(CH4)、硫化氢(H2S)、氨(NH3)等具有异味易挥发的小分子化合物溢出水面进入大气，因而散发出臭味。没有被氧化和同化的H2S一部分与水体中的Fe2+等形成黑色沉积物FeS。水体中微小的悬浮物质会吸附一部分FeS，而部分沉积于水底的FeS沉积物还会在厌氧分解产生的气体或气泡托浮作用下重新进人水体，再加上其他因素的协同作用，使水体呈现黑色。
在控制外源污染输入的前提下，底泥再悬浮引起的内源污染物释放成为导致水体黑臭的最重要因素。底泥在水力冲刷、人为扰动以及生物活动影响下发生再悬浮，悬浮颗粒中的腐殖酸和富里酸因吸附络合了Fe、Mn和S的化合物成为主要致黑化合物，同时吸附在底泥颗粒上的污染物与孔隙水发生交换，向水体中释放污染物，导致水体发黑、发臭。
工程上常用原位处理技术主要有物理修复、化学修复及生物修复三类。物理修复措施是用包括底泥疏浚、原位覆盖和曝气等手段来改变底泥的物理性质；化学修复是通过对污染底泥中加入化学药剂(氯化铁、钙盐、CaO、CaO2、Ca(NO3)2及NaNO3等)，使其与污染物发生氧化还原、沉淀、聚合等反应，使污染物从底泥中分离，或降解转化成低毒或无毒的化学形态。主要化学方法包括氧化还原法、湿式氧化法、化学脱氯法、化学浸提法、聚合、络合、水解和调节pH等(Annet al.,1999；Chen et al.,2016)。物理、化学方法虽然见效快，但是要么工程量大，成本高，要么难以长期稳定维持，都不是最理想的方法(Zhong et al.,2008；Palermo，1998；林建伟等，2005)。
生物修复与其它修复技术比，费用省，去污率高，效果持久，主要包括植物修复、微生物修复等。微生物修复主要指投撒微生物菌剂，通过微生物菌剂中的优势种群通过良性竞争，营养竞争，生活环境竞争等以及特有菌群分泌的蛋白酶及生物酶，来抑制水体中的有害菌类，有害藻类，同时分解水体中的有机化合物，维持良好的微生态平衡。单一的微生物修复虽然效果好，但需要多次反复投加、且投加量大，成本也相应较高。
水生植物修复是利用沉水植物生长过程中能够通过一系列方式作用于“泥-水”界面氮、磷动态平衡：1)吸收上覆水、间隙水和泥中的无机氮、无机磷；2)直接和间接碱性磷酸酶(APA)的活性；3)改变水体动力学，以及上覆水体和沉积物中溶解氧、pH、氧化还原电位等，进而影响水体及底泥中各形态氮、磷含量及存在形式。利用水生植物来修复水体和底泥污染是消除黑臭、抑制水华暴发的重要可持续方法之一，一度作为法宝，成为水体生态修复的代名词。但是一些诸如水位过深、风浪过大，底质厌氧或是底质过硬、氮磷浓度过高、水体透明度过低等不适宜生境往往成为实践中沉水植物初期恢复的障碍。因此，需要利用其他技术方法改善或创造适合于沉水植物初期恢复的生境，使得水生植物快速定植并能形成一定的生物量。
沉积物微生物燃料电池(Sediment Microbial Fuel Cell,SMFC)是一种可降解底泥中有机污染物、去除氮、磷的原位修复技术，通过产电微生物附着于阳极表面形成的导电生物膜并利用底泥中的有机物作为代谢底物进行修复。SMFC能显著提高底泥氧化还原电位，改善底泥厌氧状况。
耦合SMFC和水生植物，耦合系统持可克服单一SMFC受产电阳极酸化、阴极区碱化的影响以及沉水植物初期难以形成一定生物量、后期衰败后残体形成二次污染的缺陷，使得可持续、低成本、原位修复黑臭河道将成为可能。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种沉水植物和微生物燃料电池联合原位修复黑臭水体的方法，方法简单易行，操作便捷，原位利用阳极产生的电子以及根系释放的氧气改善底泥的氧化还原环境，使得底泥中致黑致臭物质被氧化，通过产电过程促进水生植物对营养物质的吸收，转变成植物生物量，改善水体黑臭和富营养化。
本发明的另一个目的是在于提供了一种联合水生植物和微生物燃料电池原位修复黑臭水体的装置，结构简单，组装方便，使用效果好，可显著的消除了水体黑臭。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
通过微生物燃料电池和水生植物的有效协同，使得底泥氧化还原电位升高，底泥中的致黑(FeS)、致臭(CH4、H2S、NH3)等物质被氧化从而消除水体黑臭。产电过程中富集在阳极区的产电菌群与富集在水生植物根区菌群一起形成功能更强、结构更稳定的的微生物群落，促进沉水植物植株的生长繁殖，对黑臭水体进行可持续修复。
技术方案：在黑臭水体底泥中填埋阳极板，将水生植物根系穿过阳极板上的穿孔扎根在底泥中，在水-空气表面设置阴极版，使用导线依次连接阳极、外电阻和阴极，形成微生物燃料电池水生植物耦合系统构型，进一步通过底泥氧化还原环境改变，避免了底泥中有机物厌氧分解释放出臭味物质，引起水体发黑的FeS也因Fe2+被氧化成Fe3+而不复存在，相应阳极区和水生植物根际富集的功能菌群，促进了植物的生长，有利于水生植被恢复。
一种利用微生物燃料电池-水生植物原位修复黑臭水体的方法，其步骤如下：
A、在黑臭水体底泥-水界面下3-10cm处埋设阳极板；
B、将水生植物根系穿过阳极板上的圆孔，扎根底泥中；
C、在水-空气界面设置阴极板，使得阴极板悬浮在水面中，并且阴极板须有30％-70％的面积暴露于空气中；
D、将阳极板和阴极板用外导线和外电阻连接起来，形成电流回路。阳极附近(10厘米以内任意距离均可)逐渐富集大量产电菌群和铁氧化还原菌群等，可促进铁的氧化还原循环过程，利于黑臭底泥中大分子有机物降解成小分子有机酸，以及小分子有机酸的彻底氧化。
所述的水生植物包括沉水植物和挺水植物。
沉水植物为苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻、菹草、海菜花、篦齿眼子菜等其中的一种或一至七种的任意组合。
挺水植物为鸢尾、茭白、菖蒲、香蒲、再力花、风车草等其中的一种或一至六种的任意组合。
所述的阳极板材料包括：石墨毡、石墨板、碳毡、不锈钢板、不锈钢网等其中的任一种。
所述的阴极板材料包括：石墨毡片、碳毡片等其中的任一种。
所述的导线为铜丝导线或钛丝导线。
所述的外电阻是50-2000欧姆的可调电阻或固定阻值电阻或用电器。
上述四个步骤的技术措施中，关键是步骤A和B。步骤A中，阳极板设置在底泥-水界面下3-10cm处，这是因为底泥中的黑臭物质一般聚集在中、上层，而这部分的氧化还原电位较低，阳极板设置在这个深度范围内，有利于此区域氧化还原条件改善，同时这个深度范围也是水生植物根区所在深度范围，利于产电作用与植物根区作用的协同。步骤B中，水生植物根系要穿过阳极板上的圆孔，扎根底泥中，是因为阳极靠近根系附近，能更好地富集结构稳定的产电菌群、铁氧化还原功能菌群等。步骤C中，30％-70％的阴极板面积暴露于空气中，是为了形成的生物阴极同时存在氧气(O2)和硝酸盐氮(NO3 -)作为电子受体，较高的产电效率利于产电菌群的富集，同时硝酸盐被用作电子受体时，利于转变为N2从水体中脱除。
经过上述方法步骤，底泥中的氧化还原电位会因为植物根系释氧和产电菌产电且电子转移而提高，使得黑臭底泥从还原态转变为氧化态，黑臭水体中NH4 +-N浓度控制在1mg·L－1以下，透明度提高30-50cm，利于沉水植物的初期恢复。
一种利用微生物燃料电池-水生植物原位修复黑臭水体的装置，该装置自下而上由底泥层、阳极板、水生植物、上覆水层、阴极板、外导线和外电阻组成，其特征在于：阳极板位于泥-水界面下3-10cm处，阳极板上有等距阵列排列的直径8-15cm圆形开孔，水生植物根系穿过阳极板开孔处，扎入底泥中，阴极板悬浮于上覆水-空气界面处、且有30％-70％的面积暴露于空气中。阳极板与阴极依次通过外导线、外电阻(或用电器)连接形成电流通路。
所述底泥层厚度为10-35cm。
所述的水生植物可以是沉水植物。沉水植物包括苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻、菹草、海菜花、篦齿眼子菜等其中的一种或一至七种的任意组合。
所述的挺水植物包括：鸢尾、茭白、菖蒲、香蒲、再力花、风车草等其中的一种或一至六种的任意组合。
所述的阳极板为正方形电极板，上有等距阵列排列的直径为5-10cm圆形开孔，便于成束的水生植物穿孔扦插入底泥层中。
所述的阳极板材料包括：石墨毡、石墨板、碳毡、不锈钢板、不锈钢网等其中的任一种。
所述的阴极板为6－12块面积小块的电极材料通过阴极板连接导线连接而成，为了保证一定面积暴露于空气中，同时若干小块连接不至于遮挡阳光，影响到植物的光合作用。
所述的阴极板材料包括：石墨毡片、碳毡片等其中的任一种。
所述的导线为铜丝导线或钛丝导线。
所述的外电阻是50-2000欧姆的可调电阻或固定阻值电阻。
所述上覆水层高度为50-100cm。
上述装置中最关键的是阳极板的埋设位置以及水生植物穿过阴极板上圆孔扎根底泥中。阳极板需要在沉积物-水界面下3-10cm处、且沉水植物根系附近，才能更好的利用阳极产电菌和沉水植物根系的协同作用，促进根区和阳极富集丰度更多、结构更稳定的产电和铁氧化还原功能菌群等，提高底泥氧化还原电位、提高水体透明度，促进水生植物初期生长恢复。
使用该装置后，上覆水层中NH4 +含量下降了85％以上，水生植物生物量增加了50％以上，阳极存在着铁柄杆菌属(Gallionella)(丰度0.2％)等铁细菌，以及地杆菌属(Geobacter)(丰度10.4％)、芽孢杆菌属(Bacillus)(丰度4.4％)等铁还原菌，显著促进了铁的氧化还原循环过程，利于黑臭底泥中大分子有机物降解成小分子有机酸，以及小分子有机酸的彻底氧化，而无需消耗水体中的溶解氧。
本发明与现有的技术相比，具有以下的优点和效果：
1、本发明通过在黑臭水体中进行简单的水生植物种植、电极填埋以及导线连接，利用阳极产电、电子外电路迁移，水生植物根系释氧等提高底泥的氧化还原电位，原位改善了黑臭水体底质氧化还原环境，可从还原态转变为氧化态，有利于底泥有机物的矿化，底泥和水体中致黑致臭等还原物质的氧化，从而消除黑臭。
2、本发明中微生物燃料电池-水生植物耦合系统原位修复黑臭水体，与单一沉积物微生物燃料电池系统或单一种植水生植物相比，微生物产电过程和水生植物相互促进协同，使得阳极、植物根系区富集了丰度更高的产电、除磷脱氮等功能菌群，同时促进植物对水体和底泥中的营养盐吸收，促进植株生长，加速黑臭水体修复。
附图说明
图1为一种利用沉积物微生物燃料电池-水生植物原位修复黑臭水体的方法和装置示意图。
图2为阳极板开孔示意图。
图3为阴极板连接示意图。
图中：1-底泥层；2-阳极板；3-水生植物；4-上覆水层；5-阴极板；6-外导线；7-外电阻(普通，市场购置)；8-开孔；9-阴极板连接导线。
具体实施方式
以下结合附图1-3对发明的具体实施例进行解释和说明，并不构成对本发明的限制。
实施例1：
一种利用微生物燃料电池-水生植物原位修复黑臭水体的方法，其步骤如下：
A、在黑臭水体底泥-水界面下3或5或8或10cm处埋设阳极板；这样设置是因为底泥中的黑臭物质一般聚集在中、上层，而这部分的氧化还原电位较低，阳极板设置在这个深度范围内，有利于此区域氧化还原条件改善，同时这个深度范围也是水生植物根区所在深度范围，利于与产电作用与植物根区作用的协同。
B、将水生植物根系穿过阳极板上的圆孔，扎根底泥中，利用植物根系与阳极产电菌群协同作用，促进结构稳定的产电菌群、铁氧化还原功能菌群等更好地富集。
C、在水-空气界面设置阴极板，使得阴极板悬浮在水面中，并且须有30％-70％的面积暴露于空气中，为了形成空气-生物阴极，以氧气(化学式：O2)作为电子受体可维持较高的产电效率促进产电菌群富集，同时也可利用水体中的硝酸盐(NO3 -)作为电子受体，使得NO3 -转变为N2从水体中脱除，也促进了水体中更多的氨氮(NH4 +)发生氨氧化反应，从上覆水中脱除。
D、将阳极板和阴极板用外导线和外电阻连接起来，形成电流回路。阳极附近(10厘米以内任意距离均可)逐渐富集大量产电菌群和铁氧化还原菌群等，可促进铁的氧化还原循环过程，使得黑臭底泥中大分子有机物降解成小分子有机酸，小分子有机酸彻底氧化。
所述的水生植物包括沉水植物。沉水植物为苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻、菹草、海菜花、篦齿眼子菜等其中的一种或一至七种的任意组合。
所述的挺水植物为鸢尾、茭白、菖蒲、香蒲、再力花、风车草等其中的一种或一至六种的任意组合。
所述的阳极板材料包括：石墨毡、石墨板、碳毡、不锈钢板、不锈钢网等其中的任一种。
所述的阴极板材料包括：石墨毡片、碳毡片等其中的任一种。
所述的导线为铜丝导线或钛丝导线。
所述的外电阻是50-2000欧姆的可调电阻或固定阻值电阻或用电器。
实验结果表明：采用该方法后，底泥层氧化还原电位平均提高500mV以上，从还原态转变为氧化态，黑臭水体中NH4 +-N浓度在1mg·L－1以下，透明度提高。
实施例2：
一种利用微生物燃料电池和水生植物联合原位修复黑臭水体的装置，该装置自下而上铺设有底泥层1、阳极板2、水生植物3、上覆水层4、阴极板5、外导线6、外电阻7。其特征在于：阳极板2位于底泥层1表层下，深度为3或5或8或10cm，水生植物3的根系穿过阳极板2的开孔8处并扎进底泥层1中，阴极板5悬浮于上覆水层4中并部分暴露(30％-70％在这个范围内面积均可)在空气中，外导线6的一端连接阳极板2，外导线6另一端与外电阻7相连，外电阻7分别与外导线6、阴极板5相连，形成电流通路。阳极附近逐渐富集大量产电菌群和铁氧化还原菌群等，可促进铁的氧化还原循环过程，使得黑臭底泥中大分子有机物降解成小分子有机酸，小分子有机酸彻底氧化。
所述底泥层1厚度为10或18或22或30或35cm，为黑臭湖泊、河道、沟渠等水体中的底泥。
所述的水生植物3可以是沉水植物和挺水植物。沉水植物包括苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻、菹草、海菜花、篦齿眼子菜等其中的一种或一至七种的任意组合。
所述的挺水植物包括：鸢尾、茭白、菖蒲、香蒲、再力花、风车草等其中的一种或一至六种的任意组合。
所述的阳极板1为正方形电极板，上有等距阵列排列的直径为5或7或8.5或10cm圆形开孔8，便于成束的水生植物穿过孔扦插到底泥层1中。
所述的阳极板1材料包括：石墨毡、石墨板、碳毡、不锈钢板、不锈钢网等其中的任一种。
所述的阴极板5为6或7或8或9或10或11或12块(或更多)面积小块的电极材料通过阴极板连接导线9连接而成，为了保证一定面积暴露于空气中，同时若干小块连接不至于遮挡阳光，影响到植物的光合作用。
所述的阴极板5材料包括：石墨毡片、碳毡片等其中的任一种。
所述的外导线6为铜丝导线或钛丝导线。
所述的外电阻7是50-2000欧姆的可调电阻或固定阻值电阻或用电器。
所述上覆水层高度为50-100cm。
实验结果表明：采用本发明中的装置运行一段时间后，原黑臭水体中NH4 +-N浓度从5mg/L下降到0.8mg·L－1，Eh从-411mV上升到140mV，透明度从30cm上升到50cm。
实施例3：
实验比较了MFC-苦草系统和单一种植苦草系统在相同环境条件下对黑臭水体的修复效果，结果显示：耦合MFC系统的苦草生物量增加了30-50％；阳极存在着铁柄杆菌属(Gallionella)(丰度0.2％)等铁细菌，以及地杆菌属(Geobacter)(丰度10.4％)、芽孢杆菌属(Bacillus)(丰度4.4％)等铁还原菌，可促进铁的氧化还原循环过程，利于黑臭底泥中大分子有机物降解成小分子有机酸，以及小分子有机酸的彻底氧化，而无需更多消耗水体中的溶解氧。
其实施步骤、结构与实施例1和实施例2相同。

Claims (6)

1.一种利用微生物燃料电池-水生植物原位修复黑臭水体的方法，其步骤是：
A、在黑臭水体底泥-水界面下3-10cm处埋设阳极板；
B、将水生植物根系穿过阳极板上的圆孔，扎根底泥中；
C、在水-空气界面设置阴极板，使得阴极板悬浮在水面中，阴极板有30-70％的面积暴露于空气中；
D、将阳极板和阴极板用外导线和外电阻连接起来，形成电流回路，阳极附近逐渐富集大量产电菌群和铁氧化还原菌群，促进铁的氧化还原循环过程，利于黑臭底泥中大分子有机物降解成小分子有机酸，及小分子有机酸的氧化；
所述的水生植物包括沉水植物和挺水植物：
所述的沉水植物为苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻、菹草、海菜花、篦齿眼子菜其中的一种或一至七种的任意组合；
所述的挺水植物为鸢尾、茭白、菖蒲、香蒲、再力花、风车草其中的一种或一至六种的任意组合；
所述的阳极板材料包括：石墨毡、石墨板、碳毡、不锈钢板、不锈钢网其中的任一种；
所述的阴极板材料包括：石墨毡片、碳毡片其中的任一种；
所述的导线为铜丝导线或钛丝导线；
所述的外电阻是50-2000欧姆的可调电阻或固定阻值电阻或用电器。
2.权利要求1所述的一种利用微生物燃料电池和水生植物联合原位修复黑臭水体的装置，它由底泥层(1)、阳极板(2)、水生植物(3)、上覆水层(4)、阴极板(5)、外导线(6)、外电阻(7)，其特征在于：阳极板(2)位于底泥层(1)表层下，深度为3－10cm，水生植物(3)的根系穿过阳极板(2)的开孔(8)处并扎进底泥层(1)中，阴极板(5)悬浮于上覆水层(4)中并暴露30％-70％面积在空气中，外导线(6)的一端连接阳极板(2)，外导线(6)另一端与外电阻(7)相连，外电阻(7)分别与外导线(6)、阴极板(5)相连。
3.根据权利要求2所述的一种利用微生物燃料电池和水生植物联合原位修复黑臭水体的装置，其特征在于：所述的底泥层(1)厚度为10-35cm，为黑臭湖泊、河道、沟渠水体中的底泥。
4.根据权利要求2所述的一种利用微生物燃料电池和水生植物联合原位修复黑臭水体的装置，其特征在于：所述的水生植物(3)是沉水植物：沉水植物包括苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻、菹草、海菜花、篦齿眼子菜等其中的一种或一至七种的任意组合；
所述的挺水植物包括：鸢尾、茭白、菖蒲、香蒲、再力花、风车草其中的一种或一至六种的任意组合。
5.根据权利要求2所述的一种利用微生物燃料电池和水生植物联合原位修复黑臭水体的装置，其特征在于：所述的阳极板(1)为正方形电极板，上有等距阵列排列的直径为5－10cm圆形开孔(8)，阳极板(1)包括：石墨毡、石墨板、碳毡、不锈钢板、不锈钢网其中的任一种。
6.根据权利要求2所述的一种利用微生物燃料电池和水生植物联合原位修复黑臭水体的装置，其特征在于：所述的阴极板(5)为6－12块面积的电极材料通过阴极板连接导线(9)连接；所述的阴极板(5)包括：石墨毡片、碳毡片其中的任一种。
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