CN112850903A - 一种生物电磁强化的自调节保温式生态浮岛 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物电磁强化的自调节保温式生态浮岛，该生态浮岛包括分为I区、II区和III区的浮岛载体置于水体上，各区域下层厌氧区设有阳极、上层好氧区设有阴极，阳极和阴极通过导线连接电阻形成若干电流回路，电阻R₁、电阻R₄和电阻R₇分别连接于区域内部阳极和阴极之间形成微生物电化学‑生态浮岛单元，电阻R₂、电阻R₃、电阻R₅和电阻R₆分别串联连接于相邻区域阳极和阴极之间形成内部微生物电化学处理单元，还包括固定支架均匀分布于浮岛载体下方。本发明将电化学与生态浮岛耦合，通过电流微磁场刺激植物生长和微生物富集提高对水体的修复能力，可以用于城市黑臭水体、富营养化水体、河道湖泊的治理工程。

Description

一种生物电磁强化的自调节保温式生态浮岛

技术领域

本发明属于污水技术处理领域，具体涉及一种生物电磁强化的自调节保温式生态浮岛。

背景技术

目前常用的水体修复技术有物理、化学和生物类，物理类存在瞬时性和不稳定性，化学类易造成二次污染，致使理化类水体修复技术不宜推广，生物修复包括植物修复和微生物修复，植物修复是利用植物的吸收、吸附和拦截去除污染物，微生物修复是通过微生物的生长繁殖吸收碳氮磷等物质达到对污染物的降解。生态浮岛是集植物修复和微生物修复于一体，具有净化水质、美化水面景观、提供水生生物栖息空间且对环境友好等优点，能够利用植物吸收、基质吸附、微生物降解等途径有效去除水中污染物，减轻水体由于封闭或自循环不足带来的水体黑臭、富营养化问题，但是在实际应用中仍然存在瓶颈。微生物电化学是利用微生物为催化剂，将有机物中的化学能转化为电能，电流和其形成的微磁场可以提高微生物活性与丰度(尤其是产电菌)，刺激植物更好的生长，增强植物抗逆性，可以使生物更好地发挥功能，强化生态浮岛在实际应用过程中的效果。此外植物的存在和微生物的富集也会增强电化学系统的产电能力，构建微生物电化学-生态浮岛耦合系统，通过两个系统之间相互协同作用可以强化系统去除常规污染物以及难降解有机物的效能。

现有的人工湿地型微生物燃料电池(CW-MFC)通过在人工湿地中构建MFC，将人工湿地的下层厌氧环境改造成MFC的阳极，上层接触空气的漫水区域作为MFC的空气阳极，再将阴极和阳极用导线导出，外电路连接负载电阻形成电流回路，能够高效去除水中有机物、氮磷等污染物，促进染料脱色。人工湿地填料一般采用砾石或石英砂，阴/阳极材料采用活性炭颗粒，并在活性炭中埋设不锈钢丝网片以增加接触面积，促进导电；电极由钛导线导出到外电路，然后用铜导线连接外电阻形成闭合回路，暴露于反应器溶液中的钛导线用环氧树脂密封，与溶液隔绝。上述装置虽然能够提供有效的水体净化，但其植物生长和微生物活性易受到如温度、污染物浓度等因素影响，导致生物功能不能有效发挥，载体基质的选择使得整体保温性差，影响低温条件下植物存活率及微生物存活与生长，从而限制其整体运行和去除效果。此外，由于整个装置占地面积较大且不具备浮动性，连接组装较为复杂，在实际工程应用中也受到限制。

发明内容

为克服现有的生态浮岛保温性差、经济成本过高、运行季节受限以及污染物去除效率较低的问题，本发明的目的是提供一种生物电磁强化的自调节保温式生态浮岛，将微生物电化学与生态浮岛耦合，通过电流微磁场刺激植物生长和微生物富集，优化生态浮岛的去污效果，可以有效去除水中COD及氮、磷等污染物。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种生物电磁强化的自调节保温式生态浮岛，包括浮岛载体，依次分为I区、II区和III区三个区域置于水体上，每个区域的下层厌氧区设有阳极、上层好氧区设有阴极，所述阳极和阴极通过导线连接负载电阻形成若干电流回路；其中：

所述负载电阻由电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅、电阻R₆和电阻R₇组成，其中，电阻R₁、电阻R₄和电阻R₇分别连接于I区、II区和III区内部阳极和阴极之间形成三个小型微生物电化学-生态浮岛单元，电阻R₂、电阻R₃、电阻R₅和电阻R₆分别串联连接于I区、II区和III区相邻阳极和阴极之间形成内部微生物电化学处理单元；

还包括若干固定支架均匀分布于所述浮岛载体下方，一端固定于所述浮岛载体上，一端设有固定块可将所述浮岛载体固定在水体中。

优选地，所述浮岛载体为由矿渣拉丝形成的疏松多孔结构。

优选地，所述浮岛载体的I区、II区和III区分别种植有挺水植物，包括但不限于菖蒲、鸢尾和美人蕉。

优选地，所述阳极和所述阴极的材质均为碳毡，电极均经环氧树脂密封的钛导线导出与所述导线连接。

更优选地，所述导线为铜导线。

优选地，所述固定支架为防腐蚀性固定支架，所述固定块为防腐蚀性固定块。

优选地，所述固定块固定于水体底部或经牵引绳固定于水域外周。

本发明的自调节保温式生态浮岛适用于去除水体中一般污染物如氮、磷、COD、难降解有机物等，采用以矿渣拉丝的材料作为浮岛载体，载体上种植具有不同景观效应的植物，并耦合微生物电化学系统；其中：载体基质由于其疏松多孔、高透水性、保温性强的特性，既具有强的吸附能力，又给植物和微生物的生长提供良好的温床，缓解低温条件下浮岛的运行限制，丰富浮床所附着的微生物种类和丰度，异氧微生物作用时发生电子转移，产生电势差和微电流，进而促使系统周围产生微电流磁场，电磁效应促进植物生长与微生物富集；系统内部由于异养微生物作用产生的微电流磁场对植物、微生物有刺激作用，使得生物更好发挥功能；不同植物的选择与搭配在保证景观效能的同时增强微生物活性，提高浮床系统稳定性、景观性和经济性。通过浮岛载体、电化学、水生植物和微生物四者间的协同作用，既缓解低温条件下浮岛系统的运行限制，又保证系统内部植物生长与微生物生化过程实现对水中各类污染物的有效去除。另外，本发明造以低成本、高效率的特性净化水质，加快降解水体中氮、磷等污染物，实现水体净化、经济环保和景观工程建设的三重效益，为城市黑臭水体、富营养化水体以及河道湖泊的治理工程等应用提供技术支撑。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明采用矿渣拉丝材料作为浮岛载体，充分利用材料的保温绝热、疏松多孔、透水性强和高保水性等特点，为植物与微生物提供有效生活环境，增加微生物附着面积，促进植物本身吸附截留泌氧能力、微生物硝化反硝化等活性，提高对污染物的吸附能力，增强浮岛对低温的耐受性，降低季节局限性，提高微生物电化学-生态浮岛系统的去污能力。

(2)本发明通过对植物的筛选以及不同植物的搭配营造不同的景观效果，达到不同的去污效能，同时植物生长能够抑制藻类生长，促进微生物富集且增强系统产电能力，通过与电化学的协同作用优化系统对水体的净化效果。

(3)本发明通过电化学促进微生物富集，提高微生物群落的多样性、活性和丰度，优化微生物群落结构，刺激植物生长，增强其抗逆性，最大化发挥生物在水处理过程中的作用。

(4)本发明将电化学与生态浮岛耦合，通过微生物、植物、电化与基质之间相互促进、相互协同作用提高对水体的修复能力，形成一种高效、节能、美观、耐低温、操作简单、经济持久且应用范围广的新型水处理技术。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1是一实施例中生物电磁强化的自调节保温式生态浮岛的结构示意图；

图2是一实施例中生物电磁强化的自调节保温式生态浮岛的俯视图；

图3是一实施例中生物电磁强化的自调节保温式生态浮岛的左视图；

附图标记如下：1-浮岛载体(I区101、II区102、III区103)、2-导线、3-阳极(阳极301、阳极302、阳极303)、4-阴极(阴极401、阴极402、阴极403)、5-负载电阻(电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅、电阻R₆、电阻R₇)、6-固定支架、7-固定块。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1至图3示例性地描述了一种生物电磁强化的自调节保温式生态浮岛，包括浮岛载体1，依次分为I区101、II区102和III区103三个区域置于水体上，且每个区域的下层厌氧区设有阳极3、上层好氧区设有阴极4，阳极3和阴极4通过导线2连接负载电阻5形成若干电流回路；其中：阳极3由分别位于I区101、II区102和III区103的阳极301、阳极302和阳极303组成，阴极4由分别位于I区101、II区102和III区103的阴极401、阴极402和阴极403组成；负载电阻5由电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅、电阻R₆和电阻R₇组成，其中电阻R₁、电阻R₄和电阻R₇分别连接于I区101、II区102和III区103内部阳极和阴极之间形成三个小型微生物电化学-生态浮岛单元，电阻R₂、电阻R₃、电阻R₅和电阻R₆分别串联连接于I区101、II区102和III区103相邻阳极和阴极之间形成内部微生物电化学处理单元，强化整体浮岛系统的产电能力，扩大电流的覆盖面；还包括若干固定支架6，均匀分布于浮岛载体1下方，其一端固定于浮岛载体1上，一端设有固定块7固定浮岛载体1在水体中的位置。

浮岛载体1可以选为由矿渣拉丝形成的疏松多孔结构，该结构有利于植物根系深入其中生存，提高植物吸附、截留、泌氧能力，高保水性与良好渗透系数有助于增加水流停留时间，促进微生物富集与活性发挥。另外，浮岛载体本身具有伴随湿度增加其传热率上升的特性，具备一定保温作用，能够有效延长微生物与植物生长时间，增强植物代谢净化作用，促进功能性微生物活性使生物最大化发挥自身作用，增强污染物的净化效果。

浮岛载体1的I区101、II区102和III区103可以分别种植有挺水植物菖蒲、鸢尾和美人蕉。上述挺水植物经充分考虑植物生长特性、耐受能力、去除效果和景观效益筛选得到，可按自身生长—枯萎—再生长进行健康循环利用，节省大量后期维护的人力财力，其中：美人蕉根系发达、根系复氧能力强，具有发达的维管束结构，有利于氧气在根部中运输、可强化对氮、磷等污染物去除效果，同时具备耐旱、耐湿、耐盐、耐瘠生命力强等特点；鸢尾根茎粗壮、适应性强、排水良好、耐旱性强；菖蒲耐湿、耐寒，适应性及产氧能力强、生命力旺盛且能很好的去除碳氮污染物。通过上述植物根系强大的吸收、吸附、截留作用达到对污染物的初步去除，同时促进微生物的挂膜与富集，增强系统的产电能力，实现对富营养化和黑臭水体中的氮、磷等污染物高效降解。此外，菖蒲、鸢尾和美人蕉均为花卉植物，观赏价值高，使浮岛系统具有良好景观效应，既美化视觉，同时也能通过植物间相互作用处理水体污染物，有利于实现生态系统的完全与半完全自我循环，而且不同植物能够增加物种多样性，通过优化生物结构增强生态浮岛的稳定性和去污功能，对病虫害的防治也有很好的效果。特别地，挺水植物不局限于上述三种，可以根据不同实际工程需要，在综合考虑经济、景观与净化效益的前提下进行合理搭配。

阳极3和阴极4的材质可以为碳毡，电极均经环氧树脂密封的钛导线导出与导线2连接，导线2可为铜导线。

固定支架6可以为防腐蚀性固定支架，固定块7可为防腐蚀性固定块。

固定块7可以固定于水体底部用于流动性较强的水体区域或者某些排污口定点净化水体，或经牵引绳固定于水体区域外周用于弱流动性河段，使浮岛能够在河道中通过牵引移动从而最大范围净化河道水质。

以上通过实施例对本发明进行了详细说明，但内容仅为本发明的较佳实例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种生物电磁强化的自调节保温式生态浮岛，其特征在于，

包括浮岛载体，依次分为I区、II区和III区三个区域置于水体上，每个区域的下层厌氧区设有阳极、上层好氧区设有阴极，所述阳极和阴极通过导线连接负载电阻形成若干电流回路；其中：所述负载电阻由电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅、电阻R₆和电阻R₇组成，所述电阻R₁、电阻R₄和电阻R₇分别连接于I区、II区和III区内部阳极和阴极之间形成三个小型微生物电化学-生态浮岛单元，所述电阻R₂、电阻R₃、电阻R₅和电阻R₆分别串联连接于I区、II区和III区相邻阳极和阴极之间形成内部微生物电化学处理单元；

还包括若干固定支架均匀分布于所述浮岛载体下方，一端固定于所述浮岛载体上，一端设有固定块可将所述浮岛载体固定在水体中。

2.根据权利要求1所述的自调节保温式生态浮岛，其特征在于，所述浮岛载体为由矿渣拉丝形成的疏松多孔结构。

3.根据权利要求1或2所述的自调节保温式生态浮岛，其特征在于，所述浮岛载体的I区、II区和III区分别种植有包括但不限于菖蒲、鸢尾和美人蕉的挺水植物。

4.根据权利要求1所述的自调节保温式生态浮岛，其特征在于，所述阳极和所述阴极的材质均为碳毡，电极均经环氧树脂密封的钛导线导出与所述导线连接。

5.根据权利要求1或4所述的自调节保温式生态浮岛，其特征在于，所述导线为铜导线。

6.根据权利要求1所述的自调节保温式生态浮岛，其特征在于，所述固定支架为防腐蚀性固定支架，所述固定块为防腐蚀性固定块。

7.根据权利要求1或6所述的自调节保温式生态浮岛，其特征在于，所述固定块固定于水体底部或经牵引绳固定于水域外周。

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