CN113149183B - 一种利用湿地型微生物燃料电池监测水质的方法 - Google Patents

一种利用湿地型微生物燃料电池监测水质的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于水环境治理领域，具体涉及一种利用湿地型微生物燃料电池监测水质的系统及方法。所述方法具体为：以湿地型微生物燃料电池系统为基础，利用人工湿地中有机物浓度与电池电压的相关性，建立电压和水体有机物浓度的关系曲线，实现水体水质的监测。该方法通过结合人工湿地和微生物燃料电池建立湿地型微生物燃料电池系统，利用有机物浓度与电压信号的相关性，在系统进行水体修复的同时完成水体水质的监测。本发明所提供的方法不仅可以强化污染物去除，而且可以实时检测水质状况，还能避免电能的浪费，在水环境治理领域拥有极大的应用潜力。

Description

一种利用湿地型微生物燃料电池监测水质的方法
技术领域
本发明属于水环境治理领域，具体涉及一种利用湿地型微生物燃料电池监测水质的方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
地球生态系统因人类社会发展遭受严重破坏，尤其是人类生产生活产生的废水在未经高效处理的情况下排放到自然水体，造成水体富营养化。对生态系统和人类健康造成严重威胁。人工湿地是一种典型的经济高效的水环境治理技术，通过模拟自然环境，利用系统中填料、水生植物和微生物的物理、化学、生物三重协同作用对水体进行高效净化。与其他深度处理方法相比，其建设投资省、运行费用低、管理维护方便，同时美化环境，具有良好的生态效应，目前人工湿地已成为生态修复和污水治理的重要手段。
微生物燃料电池可利用微生物的催化作用将有机底物中的能量转化为电能，近年来大量研究将微生物燃料电池与其它污水处理技术相结合以加速污染物降解并实现电能回收。人工湿地内部不同高度具有显著的氧化还原电位梯度，即上部好氧环境和底部厌氧环境，这为人工湿地和微生物燃料电池技术的结合提供了条件。
湿地型微生物燃料电池是人工湿地与生物电化学系统巧妙结合的新兴技术。与人工湿地相比，湿地型微生物燃料电池在增加较低建设运行成本情况下即可强化污染物去除，同时还具有良好的产电性能。但在当前科技水平下，该系统产生的电能还无法被直接利用，因此大部分研究主要关注污染物的去除机制而忽略电能的作用。
同时，现有的人工湿地系统中，对于水质的监测是非常重要的环节，其能够实时反映出人过湿地内污水处理情况，但现有技术一般是采用水质监测传感器进行监测，这种监测装置成本较高，且需要多个部件配合发挥作用，限制了人工湿地水处理系统的广泛应用。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供一种利用湿地型微生物燃料电池监测水质的方法，该方法通过结合人工湿地和微生物燃料电池建立湿地型微生物燃料电池系统，利用有机物浓度与电压信号的相关性，在系统进行水体修复的同时完成水体水质的监测。本发明所提供的方法不仅可以强化污染物去除，而且可以实时检测水质状况，还能避免电能的浪费，在水环境治理领域拥有极大的应用潜力。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
本发明提供一种用湿地型微生物燃料电池监测水质的方法，具体为：以湿地型微生物燃料电池系统为基础，利用人工湿地中有机物浓度与电池电压的相关性，建立电压和水体有机物浓度的关系曲线，实现水体水质的监测。
本发明的一个或多个实施方式至少具有以下有益效果：
(1)本发明以湿地型微生物燃料电池系统为基础，不仅可以通过微生物燃料电池来强化污染物去除，还能利用有机物浓度与电压信号的相关性，在系统进行水体修复的同时完成水体水质的监测；
(2)采用电压与和水体有机物浓度的相关性来监测水体中有机物的含量，电压响应速度快，能够实现水体水质的实时监测；
(3)能够针对湿地型微生物燃料电池系统产生的电能进行直接利用，避免该系统中电能的浪费；
(4)利用该方法监测水体中的有机物浓度，是采用湿地型微生物燃料电池系统中现有的装置来进行，且无需引入水质监测传感器等装置，降低了水体监测成本。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为湿地型微生物燃料电池示意图；
图2本发明实施例1所得到的电压与COD浓度曲线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中，一方面，湿地型微生物燃料电池系统产生的电能还无法被直接利用，因此大部分研究主要关注污染物的去除机制而忽略电能的作用；另一方面，一般是采用水质监测传感器进行监测人工湿地中有机物的浓度，这种监测装置成本较高，且需要多个部件配合发挥作用，限制了人工湿地水处理系统的广泛应用。
为了解决如上的技术问题，本发明提供一种用湿地型微生物燃料电池监测水质的方法，具体为：以湿地型微生物燃料电池系统为基础，利用人工湿地中有机物浓度与电池电压的相关性，建立电压和水体有机物浓度的关系曲线，实现水体水质的监测。
由于微生物燃料电池产生的电压在一定范围内与有机物浓度呈正相关，因此可以利用微生物燃料电池产生电压信号表征阳极底物浓度。以湿地型微生物燃料电池系统为基础，利用人工湿地中有机物浓度与电压的相关性来监测水体水质，这种水质检测方法不仅能够实现了在利用生物电化学系统强化水质净化效果的同时完成水质监测过程，极大提升该技术在水环境治理领域的应用潜力，还能针对湿地型微生物燃料电池系统产生的电能进行直接利用，避免该系统中电能的浪费；而且采用电压与和水体有机物浓度的相关性来监测水体中有机物的含量，电压响应速度快，能够实现水体水质的实时监测。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述人工湿地系统为升流式垂直潜流人工湿地系统，由下至上依次为防渗层、基质层、水体层和湿地植物。
进一步的，所述防渗层包括黏土防渗层和混凝土防渗墙。
进一步的，所述基质层主要包括填料、土壤和植物根系；
更进一步的，所述填料主要包括细沙、粗砂、陶粒、石灰石、黏土等材料，优选为从下至上依次设置为粗砂，细砂和黏土，每层为45-55mm；
进一步的，所述湿地植物为根生挺水植物，包括但不限于芦苇、香蒲、美人蕉。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述微生物燃料电池包括阴极和阳极，阳极位于人工湿地的基质层，阴极位于水体层的水面，阴阳极通过钛丝连接，外接可变电阻。其中，阴极设置于水面，是为了与水面的氧气充分接触，形成重充足氧气的环境，有利于氧气在阴极分解，而阳极设置在基质层，基质层由于主要为填料、土壤和根系，氧含量很少，因此能够确保阳极反应正常进行。
为了维持微生物燃料电池的整体稳定性，本发明将微生物燃料电池的电极材料设定为碳布、碳毡、石墨板等性能稳定、成本低的材料，电极材料的厚度设定为8mm至20mm，在该厚度范围内电子传输过程良好。
作为优选的实施方式，先进行系统驯化，直至产生稳定电压后，再通过测量电压和水体有机物浓度建立电压和水体有机物浓度的关系曲线，该驯化过程能够避免在微生物燃料电池工作初期电压出现波动，不稳定，进而对最终拟合的电压与有机物浓度的关系曲线准确度造成影响。
进一步的，所述系统驯化阶段需要加入活性污泥，将厌氧活性污泥置于阳极附近驯化，直至系统产电稳定，驯化时间为15天至30天，训化期运行温度为20-25℃。
在本发明的一个或多个实施方式中，驯化完成后，利用数据采集器监测系统电压，通过重铬酸钾法测量COD浓度，然后建立电压和水体有机物浓度的关系曲线；系统正式运行后根据关系曲线和电压值计算水体中有机物浓度，有机物浓度监测范围由系统运行状况和水质状况决定。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
构建升流式垂直潜流湿地型微生物燃料电池(图1)，反应器为圆柱形，直径300mm，高200mm。由下至上依次为防渗层、基质层、水体层和湿地植物，防渗层包括黏土防渗层和混凝土防渗墙，基质层包括填料、土壤和植物根系，填料从下至上分别为粗砂，细砂和黏土，每层约50mm，选用芦苇作为湿地植物，阴阳极均为碳毡，阳极位于基质层，阴极位于水体层的水面，阴极和阳极通过钛丝与外电路连接，利用生活污水作为阳极底物，试验初期接种活性污泥，运行温度约25℃，稳定运行一个月后进入试验阶段。
通过改变入水COD浓度获得不同数值的电压，其中电压强度利用万用表测量，阳极附近水质有机物浓度通过重铬酸钾法测定，随后建立电压强度与COD浓度的关系曲线，如图2所示，建立关系曲线后，便可通过曲线和电压强度计算出对应的有机物浓度。
实施例2
构建升流式垂直潜流湿地型微生物燃料电池，反应器为圆柱形，直径300mm，高200mm。由下至上依次为防渗层、基质层、水体层和湿地植物，防渗层包括黏土防渗层和混凝土防渗墙，基质层包括填料、土壤和植物根系，填料从下至上分别为粗砂，细砂和黏土，每层约50mm，选用香蒲作为湿地植物，阴阳极均为碳毡，阳极位于基质层，阴极位于水体层的水面，阴极和阳极通过钛丝与外电路连接，利用生活污水作为阳极底物，试验初期接种活性污泥，运行温度约20℃，稳定运行一个月后进入试验阶段。
通过改变入水COD浓度获得不同数值的电压，其中电压强度利用万用表测量，阳极附近水质有机物浓度通过重铬酸钾法测定，随后建立电压强度与COD浓度的关系曲线。
实施例3
构建升流式垂直潜流湿地型微生物燃料电池，反应器为圆柱形，直径300mm，高200mm。由下至上依次为防渗层、基质层、水体层和湿地植物，防渗层包括黏土防渗层和混凝土防渗墙，基质层包括填料、土壤和植物根系，填料从下至上分别为粗砂，细砂和黏土，每层约50mm，选用芦苇作为湿地植物，阴阳极均为石墨板，阳极位于基质层，阴极位于水体层的水面，阴极和阳极通过钛丝与外电路连接，利用生活污水作为阳极底物，试验初期接种活性污泥，运行温度约25℃，稳定运行15天后进入试验阶段。
通过改变入水COD浓度获得不同数值的电压，其中电压强度利用万用表测量，阳极附近水质有机物浓度通过重铬酸钾法测定，随后建立电压强度与COD浓度的关系曲线。
实施例4
构建升流式垂直潜流湿地型微生物燃料电池，反应器为圆柱形，直径300mm，高200mm。由下至上依次为防渗层、基质层、水体层和湿地植物，防渗层包括黏土防渗层和混凝土防渗墙，基质层包括填料、土壤和植物根系，填料从下至上分别为粗砂，细砂和黏土，每层约50mm，选用芦苇作为湿地植物，阴阳极均为碳布，阳极位于基质层，阴极位于水体层的水面，阴极和阳极通过钛丝与外电路连接，利用生活污水作为阳极底物，试验初期接种活性污泥，运行温度约25℃，稳定运行20天后进入试验阶段。
通过改变入水COD浓度获得不同数值的电压，其中电压强度利用万用表测量，阳极附近水质有机物浓度通过重铬酸钾法测定，随后建立电压强度与COD浓度的关系曲线。
对比例1
构建升流式垂直潜流湿地型微生物燃料电池，反应器为圆柱形，直径300mm，高200mm。由下至上依次为防渗层、基质层、水体层和湿地植物，防渗层包括黏土防渗层和混凝土防渗墙，基质层包括填料、土壤和植物根系，填料从下至上分别为粗砂，细砂和黏土，每层约50mm，选用芦苇作为湿地植物，阴阳极均为碳毡，阳极位于水体层内，阴极位于水体层的水面，阴极和阳极通过钛丝与外电路连接，利用生活污水作为阳极底物，试验初期接种活性污泥，运行温度约25℃，稳定运行一个月后进入试验阶段。
通过改变入水COD浓度获得不同数值的电压，其中电压强度利用万用表测量，阳极附近水质有机物浓度通过重铬酸钾法测定，随后建立电压强度与COD浓度的关系曲线。结果表明，电压变化不稳定，曲线不连续，主要原因在于阳极位于水体层内时，水体层内含有部分溶解氧，对阳极的反应造成不利影响。
对比例2
构建升流式垂直潜流湿地型微生物燃料电池，反应器为圆柱形，直径300mm，高200mm。由下至上依次为防渗层、基质层、水体层和湿地植物，防渗层包括黏土防渗层和混凝土防渗墙，基质层包括填料、土壤和植物根系，填料从下至上分别为粗砂，细砂和黏土，每层约50mm，选用芦苇作为湿地植物，阴阳极均为碳毡，电极通过钛丝与外电路连接，利用生活污水作为阳极底物，直接进入试验阶段。
通过改变入水COD浓度获得不同数值的电压，其中电压强度利用万用表测量，阳极附近水质有机物浓度通过重铬酸钾法测定，随后建立电压强度与COD浓度的关系曲线。结果表明，电压变化不连续，出现较明显的波动，导致最终拟合出的关系曲线无法准确反应真实的电压与COD浓度的关系，体现出驯化过程的重要性。
对比例3
构建升流式垂直潜流湿地型微生物燃料电池，反应器为圆柱形，直径300mm，高200mm。由下至上依次为防渗层、基质层、水体层和湿地植物，防渗层包括黏土防渗层和混凝土防渗墙，基质层包括填料、土壤和植物根系，填料从下至上分别为粗砂，细砂和黏土，每层约50mm，选用芦苇作为湿地植物，阴阳极均为碳毡，电极通过钛丝与外电路连接，利用生活污水作为阳极底物，试验初期接种活性污泥，运行温度约25℃，稳定运行5天后进入试验阶段。
通过改变入水COD浓度获得不同数值的电压，其中电压强度利用万用表测量，阳极附近水质有机物浓度通过重铬酸钾法测定，随后建立电压强度与COD浓度的关系曲线。结果表明，电压的变化依旧不连续，说明5天的驯化时间还没有让系统产电稳定，驯化时间需在15天以上才能得到准确的电压强度与COD浓度的关系曲线。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用湿地型微生物燃料电池监测水质的方法，其特征在于：以湿地型微生物燃料电池系统为基础，利用人工湿地中有机物浓度与电池电压的相关性，建立电压和水体有机物浓度的关系曲线，实现水体水质的监测；
先进行湿地型微生物燃料电池系统驯化，直至产生稳定电压后，再通过测量电压和水体有机物浓度建立电压和水体有机物浓度的关系曲线；
所述系统驯化阶段需要加入活性污泥，将厌氧活性污泥置于阳极附近驯化，直至系统产电稳定；
驯化完成后，利用数据采集器监测系统电压，通过重铬酸钾法测量COD浓度，然后建立电压和水体有机物浓度的关系曲线；系统正式运行后根据关系曲线和电压计算水体有机物浓度；
所述人工湿地系统为升流式垂直潜流人工湿地系统，由下至上依次为防渗层、基质层、水体层和湿地植物；
所述微生物燃料电池包括阴极和阳极，阳极位于人工湿地的基质层，阴极位于水体层的水面，阴阳极通过钛丝连接，外接可变电阻。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述防渗层包括黏土防渗层和混凝土防渗墙。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述基质层包括填料、土壤和植物根系。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述填料包括细沙、粗砂、陶粒、石灰石、黏土中的一种或多种。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述填料，从下至上依次设置为粗砂、细砂和黏土，每层厚度为45-55mm。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述湿地植物为根生挺水植物，包括但不限于芦苇、香蒲、美人蕉。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：微生物燃料电池的电极材料选用碳布、碳毡或石墨板，厚度为8mm-20mm。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：驯化时间为15-30天；驯化期运行温度为20-25℃。
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