CN109867420A - 一体式微生物脱盐电池-人工湿地装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种一体式微生物脱盐电池‑人工湿地装置，在上下层基质材料中间及交汇处中设置微生物脱盐电池电极材料，且相邻2个电极之间均设置离子交换膜。在上层人工湿地基质种植有耐盐的挺水植物，且挺水植物的根部靠近最顶层人工湿地基质的电极种植。含盐废水在下层基质阳极厌氧环境下，废水中有机物在微生物作用下分解释放电子，电子通过外电路传递到阴极产生电流；由于阴阳极间存在电势差，盐离子会经离子交换膜自发移动至阴/阳电极，实现脱盐。废水中氮、磷等有机污染物随水流运动在湿地基质、水生植物、微生物的协同作用下被去除。本发明可有效净化不同富营养化程度含盐含微藻水体，是一种成本低、能耗低且能循环利用的环保技术。

Description

一体式微生物脱盐电池-人工湿地装置

技术领域

本发明涉及水体净化，具体涉及到一种用于富营养化近岸海水的一体式微生物脱盐电池-人工湿地装置。

背景技术

随着经济发展，水资源短缺和水环境污染成为热点。近岸海域由于陆地和海岛生活污水的直接排放及水产养殖业的发展，致使氮、磷等营养物质流入海陆交接带的近岸区域，对滨海湿地、红树林、珊瑚礁等影响巨大，同时近岸水体富营养化的加剧，对近岸水环境也造成严重威胁。

水体富营养化破坏水生态平衡，且对人类自身健康威胁巨大(如亚硝酸及其化合物具有致癌、致畸、致突变性)。最直接、最有效的处理近岸富营养化水体的方法是物理化学法，但成本高昂且易造成二次污染，生物修复法安全、可持续，但也存在微生物驯化效果不稳定、去污对象单一、高盐度海水中菌群生存能力差等弊端。

人工湿地(constructed wetland，简称CW)利用自然生态系统中物理、化学和生物三重协同作用来实现多种污染物的同步净化，广泛应用于生活污水、农耕废水及养殖水体的工艺处理。CW易受自然环境(温度、光照等)、进水水质(是否预处理、污染物浓度)、植物种类(植物耐盐性、根系吸收与输氧等)及水动力条件影响，且CW去污微生物耐盐能力不佳，致使其处理近岸富营养化水体效果难提高。

微生物脱盐电池(Microbial desalination cells，简称MDC)是一种利用微生物降解有机物促使化学能转化为电能的装置。优点为原料广泛、结构简单、能量利用率高且无污染。利用MDC处理含有微藻的近岸富营养化水体既能提高产电效率(水体导电性高、内阻低)，又能提高净化效果(藻类光合作用产生氧气，提高溶解氧，促进微生物活动)。

基于此，针对近岸富营养化海水污染现状，优化设计一种同步耐盐、产电及净化污染物的生态化一体式微生物脱盐电池-人工湿地技术方法非常值得探索。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种结构简单、可自动循环运行，在净化多种污染物的同时产生电能的装置。针对富营养化的近岸海水进行处理，是一种具有耐盐功能，适用性强、去除效果好，出水水质稳定的一体式微生物脱盐电池-人工湿地技术方法。具体方案如下：

一种一体式微生物脱盐电池-人工湿地装置一体式微生物脱盐电池-人工湿地装置，所述装置包括：

竖直方向上分布的若干层人工湿地基质；

微生物脱盐电池电极，设置在上下层基质材料中间及交汇处中，且电池电极通过外接电路两两相连；

离子交换膜，水平布置在上下相邻两层人工湿地基质中的电池电极之间；

挺水植物，种植在最顶层人工湿地基质上，其根部靠近最顶层人工湿地基质中的电池电极种植；

进水口，与最底层人工湿地基质的一侧相连，用于将待处理富营养化海水输送至最底层人工湿地基质；

出水口，与最顶层人工湿地基质的另一侧相连，用于将脱盐处理的海水排出。

进一步的，所述微生物脱盐电池电极为石墨毡。

进一步的，上下相邻两层人工湿地基质中的电极之间均设有两层所述离子交换膜，从上至下为阳离子交换膜、阴离子交换膜，且相邻离子交换膜之间有间距。

进一步的，进水口通过一蠕动泵与水箱相连。

进一步的，经一体式微生物脱盐电池-人工湿地装置处理后的待处理富营养化海水覆盖最顶层人工湿地基质表层至少2cm。

进一步的，所述挺水植物选用耐盐的美人蕉、菖蒲、香蒲、芦苇、千屈菜、鸢尾、灯芯草、海蓬子、水葱中的任意一种或多种。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

(1)近岸含盐水体提高微生物脱盐电池的运行效率，降低内电阻，提高产电能力。内外电路循环可有效解离吸附在离子交换膜上的阴/阳离子，实现交换膜的长期循环使用。

(2)近岸富营养化水体中的藻类发生光合作用，提高进水溶解氧，有效降解有机物及氮的转化，实现了污染物的无害化。

(3)微生物脱盐电池产电并刺激微生物生长，提高人工湿地内原微生物与耐盐产电微生物间的相互同化与适应，保证高适用关键微生物同步去污产电能力，优化微生物群落结构，强化产电能力，加速电子转移，提高各污染物氧化-还原降解效应。

(4)将新兴的微生物脱盐电池技术与人工湿地技术相结合，拓展了电化学修复技术在水处理领域的应用。

(5)工艺操作简单，处理效果好，具有广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种用于富营养化近岸海水的一体式微生物脱盐电池-人工湿地装置的示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

一种用于富营养化近岸海水的一体式微生物脱盐电池-人工湿地装置，所述装置包括：

竖直方向上分布的若干层人工湿地基质；

微生物脱盐电池电极8，分布在上下两层人工湿地基质中间及交汇处中，且微生物脱盐电池电极8通过外接电路4两两相连；

离子交换膜，水平布置在上下相邻两层人工湿地基质中的微生物脱盐电池电极8之间；

挺水植物1，种植在最顶层人工湿地基质10上，且根部尽可能靠近微生物脱盐电池电极8种植；

进水口5，与最底层人工湿地基质30的一侧相连，用于将待处理富营养化海水输送至最底层人工湿地基质10，含盐废水在下层基质阳极厌氧环境下，微生物被富集，废水中有机物在微生物作用下分解释放电子，电子通过外电路传递到阴极产生电流；由于阴阳极间存在电势差，盐离子会经离子交换膜自发移动至阴/阳电极，实现脱盐；

出水口3，与最顶层人工湿地基质的另一侧相连，用于将脱盐处理的海水排出。

如图1所示，在一可选的实施例中，设置有上下两层人工湿地基质，最顶层人工湿地基质10、最底层人工湿地基质20。两层人工湿地基质由不同尺寸粒径构成，上层人工湿地基质10粒径大，下层人工湿地基质20粒径小。可选的，铺设的每层人工湿地基质厚度均为0.5m，同时在人工湿地基质的最底层下面还铺设有一颗粒物构成的底基质层30，该底基质层30的粒径大于所述最底层人工湿地基质的粒径(可以与最顶层人工湿地基质10的粒径相同)，厚度为0.1m，作用在于防止堵塞。其中，进水口5在下部，平行于下部大粒径铺设位置，距离底部0.1m，出水口3在上部，略高于人工湿地基质表层。

人工湿地基质可采用石英砂、沸石、高岭土等常规湿地基质的任意一种。

所述外接电路4设置调节电阻和电压表，通过调节电阻以便监控所产电流。

可选的，微生物脱盐电池电极8为石墨毡材料。

上下相邻两层人工湿地基质中的电极之间均设有两层离子交换膜，从上至下依次为阳离子交换膜、阴离子交换膜，且相邻离子交换膜之间有间距。在一实施例中，上下相邻的两个微生物脱盐电池电极8之间设置有两个上下分布的离子交换膜9a和离子交换膜9b，其中9a为阳离子交换膜，9b为阴离子交换膜。

进水口5通过一蠕动泵6与水箱7相连，且经进水口5输送的待处理富营养化海水2覆盖最顶层人工湿地基质10表层至少2cm。待处理富营养化海水可为含盐含微藻的受污染水体，近岸、近岛或入海口等不同富营养化程度的自然水体。

所述挺水植物1选用耐盐性能较好的美人蕉、菖蒲、香蒲、芦苇、千屈菜、鸢尾、灯芯草、海蓬子、水葱中的任意一种或多种，同时所述挺水植物1的根部尽可能靠近最顶层人工湿地基质10中的微生物脱盐电池电极8种植。

实施本发明的原理为：

①待处理污水自下而上经多孔水管均匀进入湿地系统，污水分别由下部进水口5推入湿地，并由上部出水口3排出。污水中的氮、磷、有机物等污染物通过湿地基质的吸附、植物同化、微生物的分解等作用得以有效去除。

②垂直流人工湿地上中下层设有微生物脱盐电池电极8，所述微生物脱盐电池电极8由石墨毡构成，两个微生物脱盐电池电极8间连接外接电路3，设置电压表，调节电阻以便监控电流。且在微生物脱盐电池电极8之间设置阳离子交换膜9a、阴离子交换膜9b，用于阻隔盐离子。氮、磷及有机污染物等随水流运动或被湿地的基质吸附、植物吸收、微生物分解，或经微生物脱盐电池发生电化学反应使其得以去除。

③待处理污水中含有大量盐离子，一方面可减小装置内阻，加强微生物脱盐电池的产电能力及解吸离子交换膜9所阻隔的阴/阳离子，有效实现离子交换膜的循环使用；另一方面在微电流的强化下加剧系统微生物的生物量及耐盐力。从而进一步提高污染物的去除效果。

该方法综合利用物理、化学、生物、生态和电化学等作用，将微生物脱盐电池技术与垂直流人工湿地技术相结合，一方面为微生物提供栖息载体，微生物脱盐电池所产电能刺激微生物，积累生物量并提高电子转移速率；另一方面微生物脱盐电池-人工湿地的多方协同作用(耐盐产电微生物的生物作用、微生物脱盐电池的生物电化学作用、人工湿地的物理-化学-生物作用)相互影响、共同促进，提高微生物适用性及污染物降解能力，达到近岸富营养化水体修复和成本节约的双赢效果。

该装置在不改变人工湿地构造的基础上，充分利用微生物脱盐电池的电化学作用和人工湿地的结构特点，仅通过埋入微生物脱盐电池电极8和离子交换膜9改造湿地的运行的创新手段，将多种技术相互优化配置，显著提高对水体的净化效果、节约水处理经济成本，结构简单，管理使用方便。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

(1)近岸含盐水体提高微生物脱盐电池的运行效率，降低内电阻，提高产电能力。内外电路循环可有效解离吸附在离子交换膜上的阴/阳离子，实现交换膜的长期循环使用。

(2)近岸富营养化水体中的藻类发生光合作用，提高进水溶解氧，有效降解有机物及氮的转化，实现了污染物的无害化。

(3)微生物脱盐电池产电并刺激微生物生长，提高人工湿地内原微生物与耐盐产电微生物间的相互同化与适应，保证高适用关键微生物同步去污产电能力，优化微生物群落结构，强化产电能力，加速电子转移，提高各污染物氧化-还原降解效应。

(4)将新兴的微生物脱盐电池技术与人工湿地技术相结合，拓展了电化学修复技术在水处理领域的应用。

(5)工艺操作简单，处理效果好，具有广阔的应用前景。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种一体式微生物脱盐电池-人工湿地装置一体式微生物脱盐电池-人工湿地装置，其特征在于，所述装置包括：

竖直方向上分布的若干层人工湿地基质；

微生物脱盐电池电极，设置在上下层基质材料中间及交汇处中，且电池电极通过外接电路两两相连；

离子交换膜，水平布置在上下相邻两层人工湿地基质中的电池电极之间；

挺水植物，种植在最顶层人工湿地基质上，其根部靠近最顶层人工湿地基质中的电池电极种植；

进水口，与最底层人工湿地基质的一侧相连，用于将待处理富营养化海水输送至最底层人工湿地基质；

出水口，与最顶层人工湿地基质的另一侧相连，用于将脱盐处理的海水排出。

2.如权利要求1所述的一体式微生物脱盐电池-人工湿地装置，其特征在于，所述微生物脱盐电池电极为石墨毡。

3.如权利要求1所述的一体式微生物脱盐电池-人工湿地装置，其特征在于，上下相邻两层人工湿地基质中的电极之间均设有两层所述离子交换膜，从上至下为阳离子交换膜、阴离子交换膜，且相邻离子交换膜之间有间距。

4.如权利要求1所述的一体式微生物脱盐电池-人工湿地装置，其特征在于，进水口通过一蠕动泵与水箱相连。

5.如权利要求1所述的一体式微生物脱盐电池-人工湿地装置，其特征在于，经一体式微生物脱盐电池-人工湿地装置处理后的待处理富营养化海水覆盖最顶层人工湿地基质表层至少2cm。

6.如权利要求1所述的一体式微生物脱盐电池-人工湿地装置，其特征在于，所述挺水植物选用耐盐的美人蕉、菖蒲、香蒲、芦苇、千屈菜、鸢尾、灯芯草、海蓬子、水葱中的任意一种或多种。