CN109607827A - 一种微曝气耦合微生物燃料电池的黑臭河道治理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微曝气耦合微生物燃料电池的黑臭河道治理系统，包括微孔曝气装置以及微生物燃料电池；微孔曝气装置用于将空气以微气泡的形式分散到河道水层中，微生物燃料电池用于分解河道水层以及河道底泥层中的有机质。微孔曝气装置由太阳能电池板、固定支架、空气压缩机、输气管以及纳米微孔曝气管网组成；微生物燃料电池由电极、铜导线、变阻器以及数据采集器组成。本发明可实现自动化控制，人工成本低较低，并且有较好的产电能力，对黑臭污泥进行修复的同时进行了资源化利用，与传统沉积物和水质原位修复技术相比不需要额外投加电子供体，所述装置维修简便，运行成本较低，针对黑臭河道的治理具有较大的市场前景和推广利用价值。
Description
技术领域
本发明涉及环境工程领域，具体涉及一种微曝气耦合微生物燃料电池的黑臭河道治理系统及方法。
背景技术
城市水体黑臭问题主要由水体中藻类和微生物的新陈代谢以及人类向水体中过度排放污染物引起，随着城市规模不断扩大，城市居住人口激增，人口布局相对集中造成城市污水处理能力不足，加之城市地表径流污染负荷较大，造成大量有机污染物排入水体。污水中的糖类、蛋白质、氨基酸、油脂等有机物的分解过程中消耗大量的溶解氧，造成水体缺氧，厌氧微生物大量繁殖并分解有机物产生大量致黑致臭物质，从而引起水体发黑发臭。
在黑臭水体形成原因中，溶解氧是水体发生黑臭的关键性因素，改善水体必须改善水体的缺氧或厌氧环境，修复水体生态系统，恢复水体自净能力。根据国内外相关经验，目前常用的整治措施主要有包括截污纳管，雨污分流等外源污染控制措施，以及以水体清捞维护和底泥清淤等外源污染控制措施，同时被清除的黑臭底泥的处理方式大多是脱水填埋，不能进行资源化回收利用。相应措施处理成本高，处理工程量浩大，需要消耗大量的人力物力，随着对黑臭水体的关注度日益提高，处理力度日渐增强，这些治理方法也面临着巨大挑战。微孔曝气方法有着高效率低能耗的特点，是改善底泥污染，提高水体溶解氧的有效手段
微生物燃料电池是利用微生物细胞中的酶作为生物催化剂，将有机质降解过程中释放的化学能转变为电能的一种技术。黑臭底泥本身含有大量微生物，通过构建微生物燃料电池可有效利用底泥中的土著微生物，对底泥中有机物进行降解，并同时回收电能，能高效，低能耗地对黑臭水体及底质进行改善。
申请号为201510223029.0的中国专利公开了一种一种受污染水体中黑臭底泥资源化处理的方法，以黑臭底泥、EM菌作为阳极底物，以河水或pH＝7的磷酸盐缓冲液作为阴极电解液，以石墨板和碳纤维布为电极材料构建了沉积型微生物燃料电池；申请号为201710996031.0的中国专利公开了一种微生物燃料电池，包括外部装置、绝缘外壳、视液窗、风机、曝气管、内部装置、液仓。但是上述的虽然利用了电化学技术将微生物代谢能直接转化为电能，但是均没有针对黑臭河道中普遍存在的低溶解氧，水体自净能力差的问题提出解决方式，因此其改善黑臭净化水质效果并不理想。
发明内容
本发明的目的在于针对黑臭河道中普遍存在的低溶解氧，水体自净能力差的问题，提供一种微曝气耦合微生物燃料电池的黑臭河道治理系统及方法，通过将微曝气与底泥微生物燃料电池耦合，使得黑臭河道水体中的溶解氧提高，水体自净能力得到恢复，降低底泥中的有机质，同时产生产电效果，达到黑臭河道水质和底质状况的改善和资源化利用的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种微曝气耦合微生物燃料电池的黑臭河道治理系统，包括河道水层以及河道底泥层，所述河道底泥层沉积于河道水层下方，所述系统还包括微孔曝气装置以及微生物燃料电池；所述微孔曝气装置用于将空气以微气泡的形式分散到河道水层中，所述微生物燃料电池用于分解河道水层以及河道底泥层中的有机质；
所述微孔曝气装置由太阳能电池板、固定支架、空气压缩机、输气管以及纳米微孔曝气管网组成；所述太阳能电池板通过固定支架固定安装于河道的护岸上，太阳能电池板下方设置空气压缩机；所述空气压缩机与太阳能电池板电连接，空气压缩机下端固定安装于河道护岸上；所述输气管一端与空气压缩机的出气口连接，另一端与纳米微孔曝气管网连接；所述纳米微孔曝气管网固定安装于河道水层中；
所述微生物燃料电池由电极、铜导线、变阻器以及数据采集器组成；所述电极通过铜导线与变阻器连接，组成闭合回路；所述数据采集器与变阻器并联连接。
本发明进一步解决的技术方案是，所述纳米微孔曝气管网是由5根平行设置的纳米曝气管组成的方形结构，纳米曝气管的两端分别与输气管连接，接收由空气压缩机传输的气体。
本发明进一步解决的技术方案是，所述纳米曝气管长1m，相邻两根纳米曝气管之间间隔为20cm。
本发明进一步解决的技术方案是，所述纳米微孔曝气管网安装于距离河道底泥层30cm处，组成方形纳米微孔曝气管网的四个顶点底部对应安装有支撑架，支撑架放置于河道底泥层的表面。
本发明进一步解决的技术方案是，所述输气管的出气量为2-4mL/(min·L)。
本发明进一步解决的技术方案是，所述电极由石墨板阳极和炭毡阴极组成，所述石墨板阳极和炭毡阴极分别通过铜导线与变阻器的正负极连接。
本发明进一步解决的技术方案是，所述石墨板阳极置于河道底泥层中，所述炭毡阴极置于河道水层中。
本发明还进一步保护微曝气耦合微生物燃料电池在黑臭河道水体沉积物治理修复中的应用。
本发明的有益效果为：
1.本发明相比传统的沉积物和水质原位修复技术，不需要额外投加电子供体，利用受污染水体和沉积物中本身大量存在的有机物作为碳源，避免了二次污染的产生。相比单一的微生物燃料电池，本发明将微曝气装置与微生物燃料电池耦合，微孔管将空气以微气泡的形式分散到水中，微气泡由水底向上浮，气泡在气体高氧分压作用下，氧气充分溶入水中，造成水流的旋转流动和上下流动，水流的上下流动将上层富含氧气的水带入底层，同时水流的旋转流动将微孔管周围富含氧气的水向外扩散，实现水体的均匀增氧，增强了河道内水的流动性的同时对黑臭污泥中的有机物进行了去除，提高了水体的自净能力，达到了从源头上解决黑臭，对水质与底质进行修复的目的。
2.本发明可实现自动化控制，人工成本低较低，并且有较好的产电能力，由于微生物燃料电池的产电能力有很大的提升空间，对黑臭污泥进行修复的同时进行了资源化利用，微生物燃料电池产生的电能可对微曝气装置中的空气压缩机提供动力。同时微曝气装置维修简便，运行成本较低，效果显著，针对黑臭河道的治理具有较大的市场前景和推广利用价值。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明微孔曝气装置部分结构示意图。
附图说明：1，太阳能电池板；2，固定支架；3，空气压缩机；4，输气管；5，支撑架；6，纳米曝气管；7，炭毡阴极；8，石墨板阳极；9，变阻器；10，数据采集器；11，铜导线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的发明内容作进一步地说明。
参见图1-2，一种微曝气耦合微生物燃料电池的黑臭河道治理系统，包括河道水层以及河道底泥层，所述河道底泥层沉积于河道水层下方；所述系统还包括微孔曝气装置以及微生物燃料电池，所述微孔曝气装置用于将空气以微气泡的形式分散到河道水层中，所述微生物燃料电池用于分解河道水层以及河道底泥层中的有机质；所述微孔曝气装置由太阳能电池板1、固定支架2、空气压缩机3、输气管4以及纳米微孔曝气管网组成；所述太阳能电池板1通过固定支架2固定安装于河道的护岸上，太阳能电池板1下方设置空气压缩机3；所述空气压缩机3与太阳能电池板1电连接，空气压缩机3下端固定安装于河道护岸上；所述输气管4一端与空气压缩机3的出气口连接，另一端与纳米微孔曝气管网连接；所述纳米微孔曝气管网固定安装于河道水层中，纳米微孔曝气管网是由5根平行设置的纳米曝气管6组成的方形结构，纳米曝气管6的两端分别与输气管连接，接收由空气压缩机3传输的气体；所述微生物燃料电池由电极、铜导线11、变阻器9以及数据采集器10组成；所述电极通过铜导线11与变阻器9连接，组成闭合回路，电极由石墨板阳极8和炭毡阴极7组成，石墨板阳极8和炭毡阴极7分别通过铜导线11与变阻器9的正负极连接，所述石墨板阳极8置于河道底泥层中，所述炭毡阴极7置于河道水层中；所述数据采集器10与变阻器9并联连接。
本实施例中，所述纳米曝气管6长1m，相邻两根纳米曝气管6之间间隔为20cm。
本实施例中，所述纳米微孔曝气管网安装于距离河道底泥层30cm处，组成方形纳米微孔曝气管网的四个顶点底部对应安装有支撑架5，支撑架5放置于河道底泥层的表面。
本实施例中，所述输气管4的出气量为2-4mL/(min·L)，以不掀起表层底泥为标准。
本发明的工作原理与运作过程：
由于微孔曝气装置的纳米曝气管网可以将空气以微气泡的形式分散到水中，微气泡由水底向上浮，气泡在气体高氧分压作用下，氧气充分溶入水中，造成水流的旋转流动和上下流动，水流的上下流动将上层富含氧气的水带入底层，同时水流的旋转流动将微孔管周围富含氧气的水向外扩散，实现水体的均匀增氧，增强了河道内水的流动性的同时对黑臭污泥中的有机物进行了去除；同时，根据微生物燃料电池自身具备电化学活性的产电菌，因此在产电菌的代谢活性下将进一步影响其产电性能，将石墨板阳极8插入河道底泥层的沉积物中，使其处于厌氧环境，沉积物中的有机物在活性产电菌的生物活动催化作用下被分解，并同时释放出电子和质子，而电子依附于合适的电子传递介体在生物组分和微生物体之间进行有效传递，并通过外电路传递到炭毡阴极7从而形成电流，而质子通过沉积物和水界面传递到悬浮于河道水层好氧水相中的炭毡阴极7，完成氧气的还原作用，水体和沉积物中的部分有机质被分解，从而可以降低水体的COD，装置运行后，通过与其并联的数据采集器10即可得到所应用的黑臭河道水质进化的结果。
应用例1
于南京某黑臭河道内构建微曝气耦合沉积物微生物燃料电池，所应用的河道水质根据地表水环境质量标准评价为劣Ⅴ类水，实施前水体中溶解性和悬浮性有机物含碳的总量TOC为79.82mg/L，溶解氧为2.36mg/L，烧失量LOI为12.62％。
将微曝气耦合沉积物微生物燃料电池系统安装于上述的黑臭河道中，连续运行1个月，每周对黑臭河道的水体水质和沉积物进行取样监测，结果如表1所示。
表1黑臭河道水质及沉积物中主要指标测试情况
| 测试指标 | TOC(mg/L) | 溶解氧(mg/L) | LOI(％) |
| 原水体水质 | 79.82 | 2.36 | 12.65 |
| 运行10天后 | 23.19 | 4.79 | 11.72 |
| 运行1个月后 | 19.02 | 6.26 | 9.56 |
| 去除率(％) | 76.17 | - | 24.43 |
由表可知，应用本发明所述的系统进行处理后，河道中的TOC值有了明显的降低为19.02mg/L，溶解氧量有了显著地提高为6.26mg/L，同时沉积物中LOI也有所下降为9.56％，因此本发明所述的系统对河道黑臭程度产生了减轻作用，同时解决了黑臭河道有机质高以及溶解氧低的问题。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种微曝气耦合微生物燃料电池的黑臭河道治理系统，包括河道水层以及河道底泥层，所述河道底泥层沉积于河道水层下方，其特征在于：所述系统还包括微孔曝气装置以及微生物燃料电池；所述微孔曝气装置用于将空气以微气泡的形式分散到河道水层中，所述微生物燃料电池用于分解河道水层以及河道底泥层中的有机质；
所述微孔曝气装置由太阳能电池板(1)、固定支架(2)、空气压缩机(3)、输气管(4)以及纳米微孔曝气管网组成；所述太阳能电池板(1)通过固定支架(2)固定安装于河道的护岸上，太阳能电池板(1)下方设置空气压缩机(3)；所述空气压缩机(3)与太阳能电池板(1)电连接，空气压缩机(3)下端固定安装于河道护岸上；所述输气管(4)一端与空气压缩机(3)的出气口连接，另一端与纳米微孔曝气管网连接；所述纳米微孔曝气管网固定安装于河道水层中；
所述微生物燃料电池由电极、铜导线(11)、变阻器(9)以及数据采集器(10)组成；所述电极通过铜导线(11)与变阻器(9)连接，组成闭合回路；所述数据采集器(10)与变阻器(9)并联连接。
2.根据权利要求1所述的一种微曝气耦合微生物燃料电池的黑臭河道治理系统，其特征在于：所述纳米微孔曝气管网是由5根平行设置的纳米曝气管(6)组成的方形结构，纳米曝气管(6)的两端分别与输气管连接，接收由空气压缩机(3)传输的气体。
3.根据权利要求2所述的一种微曝气耦合微生物燃料电池的黑臭河道治理系统，其特征在于：所述纳米曝气管(6)长1m，相邻两根纳米曝气管(6)之间间隔为20cm。
4.根据权利要求2所述的一种微曝气耦合微生物燃料电池的黑臭河道治理系统，其特征在于：所述纳米微孔曝气管网安装于距离河道底泥层30cm处，组成方形纳米微孔曝气管网的四个顶点底部对应安装有支撑架(5)，支撑架(5)放置于河道底泥层的表面。
5. 根据权利要求1所述的一种微曝气耦合微生物燃料电池的黑臭河道治理系统，其特征在于：所述输气管(4)的出气量为2-4 mL/(min·L)。
6.根据权利要求1所述的一种微曝气耦合微生物燃料电池的黑臭河道治理系统，其特征在于：所述电极由石墨板阳极(8)和炭毡阴极(7)组成，所述石墨板阳极(8)和炭毡阴极(7)分别通过铜导线(11)与变阻器(9)的正负极连接。
7.根据权利要求6所述的一种微曝气耦合微生物燃料电池的黑臭河道治理系统，其特征在于：所述石墨板阳极(8)置于河道底泥层中，所述炭毡阴极(7)置于河道水层中。
8.权利要求1-7任一项所述的微曝气耦合微生物燃料电池在黑臭河道水体沉积物治理修复中的应用。
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