CN114477464A - 一种强化型浮动生物生态系统及其在受污染水体修复中的应用 - Google Patents

Abstract

一种强化型浮动生物生态系统及其在受污染水体修复中的应用，属于受污染水体修复技术领域。本发明强化型浮动生物生态系统包括生物生态模块、电子受体模块、电子供体模块、电子传导模块和外电路模块；所述电子受体模块通过连接装置固定在生物生态模块上，所述电子供体模块固定于受污染水体下的沉积物中并通过电子传导模块与外电路模块的一端连接，所述外电路模块固定在生物生态模块上，所述外电路模块的另一端与电子受体模块连接。本发明构建了模块化、组装方便的强化型浮动生态系统，实现对受污染天然水体和沉积物的同步强化治理，具有效率高、构型灵活、能量回收且易施工维护的优点。

Description

一种强化型浮动生物生态系统及其在受污染水体修复中的 应用

技术领域

本发明属于受污染水体修复技术领域，具体涉及一种强化型浮动生物生态系统及其在受污染水体修复中的应用。

背景技术

面对形势严峻的水环境，目前提出了比较成熟的“控源截污、内源治理、生态修复、活水保质”的黑臭水体治理技术路线。其中生态修复作为重要的一环，要求修复技术具有修复效果好，维护费用低，集景观和净水功能一体化的功能。

目前市面上常见的生态修复技术主要有人工湿地、种植水生植物、投加生物菌剂和人工浮岛等。人工湿地主要依靠植物的新陈代谢，转移、转化和降解水中的污染物，然而其占地面积较大，构型单一，易堵塞，运营维护的成本较高。种植水生植物受水深、污染物负荷等因素的影响较大，主要依靠植物自身生长吸收氮磷等污染物，对污染物的去除效果有限，且需定期打捞水面上漂浮的腐败植物。投加生物菌剂虽可在短期内取得一定的效果，然而由于活性维持时间较短，水体容易复黑复臭。人工浮岛作为兼顾景观和水质净化功能为一体的技术在市场上广受青睐，目前市面上广泛应用的人工浮岛材质多为发泡聚苯乙烯、硬质塑料、合成树脂等高分子材料，植物生长速度和根系长度有限，通常达不到有效的治理效果。传统的人工浮岛强化手段主要有改良基质材料、添加悬挂填料，增加曝气装置等，这些强化手段在一定程度上强化了水体中的有机物污染物的去除效果，但无法解决水体中氮去除效果不佳的难题。目前的耦合微生物电化学技术的人工浮岛可以通过将沉积物中的有机质氧化，可以实现沉积物和水体的同步修复。然而现有的人工浮岛耦合生物电化学技术的授权专利采用的是空气阴极，寿命短、构型复杂，后期维护难，不能大规模施工应用。

综上所述，构建零能耗、施工方便、构型灵活的强化型浮动生态系统，耦合功能微生物和功能植物的最大功效解决上述问题的关键所在。本发明立足于此，通过电子受体模块和电子供体模块原位定向驯养富集功能微生物，并构建出电子异位补偿强化污染物去除效能，研发出了一种处理效果好、组装方便且维护费用低的强化型浮动生态系统。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于设计提供一种强化型浮动生物生态系统应用于受污染水体的修复。本发明构建了模块化、组装方便的强化型浮动生态系统，实现对受污染天然水体和沉积物的同步强化治理，本发明具有效率高、构型灵活、能量回收且易施工维护的优点。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种强化型浮动生物生态系统，其特征在于包括生物生态模块、电子受体模块、电子供体模块、电子传导模块和外电路模块；

所述电子受体模块通过连接装置固定在生物生态模块上，所述电子供体模块固定于受污染水体下的沉积物中并通过电子传导模块与外电路模块的一端连接，所述外电路模块固定在生物生态模块上，所述外电路模块的另一端与电子受体模块连接。

所述的一种强化型浮动生物生态系统，其特征在于所述生物生态模块包括穿孔式生物生态模块或拼装式生物生态模块，所述生物生态模块的上表面设置种植孔，种植孔的密度为15～50个/m²。生态模块表面设置种植孔，种植挺水植物，包括但不限于美人蕉、菖蒲、旱伞竹、芦苇、香蒲、水葱、千屈菜、翠芦莉、芦竹、再力花、梭鱼草、蒲苇、泽泻、铜钱草中的一种或几种，植物种类依据处理水质及气候确定。

所述的一种强化型浮动生物生态系统，其特征在于所述拼装式生物生态模块的拼装空间宽度为10cm～10m，长度为1～40m，拼装空间内每间隔5～100cm设置连接装置；

所述穿孔式生物生态模块的单体穿孔数为1～20个，孔径为2cm～5cm，所述穿孔式生物生态模块的穿孔处设置连接装置，拼装空间大小、穿孔个数和孔径可根据受污染水体污染程度选择。电子受体模块通过连接装置固定在生物生态模块上。

所述的一种强化型浮动生物生态系统，其特征在于所述连接装置包括不锈钢丝绳、聚合物连接环、捆扎带、钛丝、草坪钉中的至少一种，优选聚合物连接环包括聚酰胺或聚烯烃连接环。

所述的一种强化型浮动生物生态系统，其特征在于所述电子受体模块包括碳纤维材料、改性碳纤维材料、活性炭棒、石墨棒、生物炭棒、改性碳棒、碳毡、导电聚合物、钛丝、铜丝、铝丝、镍丝、导电橡胶、导电金属网中的一种或几种的组合；

优选碳纤维材料、改性碳纤维材料、活性炭棒、石墨棒、生物炭棒、改性碳棒的直径为1～10cm。电子受体模块通过连接装置固定在生物生态模块上，其长度和直径可根据受污染水体水深和污染程度选择。

所述的一种强化型浮动生物生态系统，其特征在于所述电子供体模块包括打孔聚合物箱体、导电金属丝、导电金属网、导电碳材料中的两种或几种组合；

优选打孔聚合物箱体包括PE、PVC中的至少一种，导电金属丝包括钛丝、铜丝、铝丝、镍丝中的至少一种，导电金属网包括钛网、不锈钢金属网中的至少一种，导电碳材料包括碳纤维丝、改性碳纤维丝、碳纤维布、改性碳纤维布、活性炭棒、石墨棒、生物炭棒、改性碳棒、碳毡、导电聚合物中的至少一种。

所述的一种强化型浮动生物生态系统，其特征在于沉积物或级配碎石覆盖在所述导电金属丝和/或导电金属网和/或导电碳材料上，所述打孔聚合物箱体笼罩在沉积物或级配碎石上；

所述碳纤维布和/或改性碳纤维布通过导电金属丝蛇形穿线缠绕固定于导电金属网上，所述碳纤维布和改性碳纤维布的长度为1～100m，宽度为0.5～10m，所述导电金属丝的间隔不大于2m，导电金属网的目数为20～100目，丝径为0.6～1.2mm，所述碳纤维丝、改性碳纤维丝、活性炭棒、石墨棒、生物炭棒和改性碳棒的直径为1～10cm，所述打孔聚合物箱体的单体模块长和宽为0.3～5m，所述沉积物或级配碎石覆盖厚度为5cm～2m，碎石粒径为0.5～10cm，尺寸和个数可根据现场施工条件、水质和沉积物污染情况选择。

所述的一种强化型浮动生物生态系统，其特征在于所述电子传导模块包括导线和聚合物软管，导线置于聚合物软管内；

优选导线包括钛丝、铜丝、铝丝、镍丝，聚合物软管包括聚丙烯或聚氨酯软管，导线的直径为0.5～3.0mm，长度不小于1m，聚合物软管的内径不小于3mm。

所述的一种强化型浮动生物生态系统，其特征在于所述外电路模块包括电容、LED灯、电阻、继电器、时间控制器、防水接线盒、草坪钉中的一种或几种组合，电阻、电容、继电器、时间控制器设置于防水接线盒中，通过草坪钉固定在生物生态模块上。

任一所述的一种强化型浮动生物生态系统在受污染水体及沉积物原位修复中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、生物生态模块通过拼装式和穿孔式两种形式分别提供不同的连接装置固定电子受体模块，方便施工。拼装式生物生态模块可使电子受体模块置于水面附近，通过大气复氧和植物根系泌氧为电子受体模块提供充足的电子受体，增强能量回收性能。穿孔式生物生态模块可使电子受体模块竖直置于水中，使得电子受体模块附近的溶解氧相对较低，主要以硝氮为电子受体，提高系统的反硝化能力。植物种植在种植孔中，可有效吸收氮磷等污染物质，并通过根系泌氧为生物生态模块表面附着的微生物提供自上而下，由高到低的溶氧梯度，丰富微生物种群结构，进而强化微生物对污染物的去除效果。

2、电子供体模块置于沉积物中，以沉积物中有机质作为电子供体，定向驯养功能微生物，在强化降解有机污染物的同时，电子通过电子传导模块和外电路模块传递至电子受体模块，实现电子异位补偿，通过功能微生物还原氧气和反硝化脱氮，实现受污染沉积物和水体同步净化，并有效解决水体脱氮难的难题。改性碳纤维布和改性碳纤维丝的应用提高了材料的比表面积、导电性和生物相容性，不仅缩短系统启动时间，还大大提高了功能微生物的电子传递效率，进而强化污染物的处理效果。

3、电子传导模块连接外电路模块、电子受体模块和电子供体模块，传递的电子通过外电路模块可进行能量回收，实现化学能转化为电能的过程，产生清洁能源。

4、外电路模块中的防水接线盒可保护电容、继电器、时间控制器和电阻等免受雨水侵蚀，造成外电路模块毁坏。

附图说明

图1为实施例1拼装式强化型浮动生物生态系统的结构示意图；

图2为实施例1拼装式强化型浮动生物生态系统对COD的去除效果；

图3为实施例1拼装式强化型浮动生物生态系统对TN的去除效果；

图4为实施例1在不同进水COD/TN条件下拼装式强化型浮动生物生态系统对COD和TN去除率；

图5为实施例2和实施例3穿孔式强化型浮动生物生态系统的结构示意图；

图6为实施例2穿孔式强化型浮动生物生态系统对TOC的强化去除效果；

图7为实施例2穿孔式强化型浮动生物生态系统对TN的强化去除效果；

图8为实施例2穿孔式强化型浮动生物生态系统对硝氮的强化去除效果；

图9为实施例2穿孔式强化型浮动生物生态系统对TP的强化去除效果。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例1利用拼装式模块化强化型浮动生物生态修复系统原位修复受污染水体及沉积物，生物生态模块采用拼接式，连接装置选用不锈钢丝绳、塑料软管、捆扎带组合，植物选择千屈菜和美人蕉，电子受体模块采用碳纤维丝和钛丝组合，电子供体模块选用碳纤维布、导电金属网和钛丝组合，电子传导模块选用钛丝和塑料软管，外电路模块选用电阻、防水接线盒和草坪钉。强化型浮动生物生态系统的构建方法如下：

(1)生物生态模块拼装空间为1m×20m，每隔45cm预留一个连接装置，连接装置由不锈钢丝环、不锈钢丝绳、捆扎带组成，连接固定生物生态模块和电子受体模块，千屈菜的种植密度为42株/m²，美人蕉的种植密度为21株/m²。

(2)电子受体模块采用的碳纤维丝和钛丝组成，直径为5cm，长度为1m。

(3)电子供体材料为碳纤维布和不锈钢网置于沉积物中，碳纤维布为1.5m×10m，不锈钢网为20目，丝径为0.8mm，钛丝蛇形穿线将碳纤维布和不锈钢网固定，间隔为1m，上覆沉积物深度为15cm。

(4)电子传导模块为直径0.5mm的钛丝，外电路模块为可调电阻箱(0～9999.9Ω)，置于防水接线盒内，由草坪钉固定在生物生态模块上。

对水体中污染物去除效果试验具体是按以下步骤完成的：构建的示范实验水面为8040m²，按上述方法构建的拼装式模块化强化型浮动生物生态修复系统面积为550.84m²，结构示意图如图1所示。

考察示范水塘10周(12月底至3月初)的水质，拼装式强化型浮动生物生态系统对COD和TN的去除效果如图2和图3所示。前期(第一周～第三周)处于驯养阶段，自3周后逐渐驯养完成。这一阶段COD和TN进水浓度较低，COD进水浓度为30mg/L，平均出水浓度为14mg/L，平均去除率为53.3％，TN进水浓度为1.5mg/L，平均出水浓度为1.1mg/L，平均去除率为12.8％，且个别高于进水浓度。随后几天，进水COD和TN浓度分别为33mg/L和2.3mg/L，4天后COD和TN出水浓度分别为9mg/L和0.6mg/L，COD和TN的去除率可达到72.7％和73.9％，且出水满足地表IV类标准。为进一步验证示范效果，加入碳源，致使进水浓度再次提高，进水COD和TN浓度分别为49mg/L和5.1mg/L，10天后出水浓度出水COD和TN浓度降至14mg/L和0.9mg/L。在近40d稳定运行期内，COD和TN出水平均浓度分别为14.3mg/L和1.3mg/L，达到地表IV类标准，平均去除率分别为70.7％和73.9％。

通过分析进水COD/TN不同的条件下COD和TN的去除率如图4可以看出，在驯养阶段COD/TN为27.3，TN的平均去除率为12.8％，随着进水COD/TN依次降低至14.4和9.6，TN的平均去除率均为73.9％，说明强化系统可在低碳浓度的条件下强化氮的去除，电子供体模块附着的功能微生物氧化底泥中的有机物产生电子，补偿至电子受体模块，供给硝氮还原所需要的电子，使得其在低碳的条件下依然保持较高的氮去除效率。

实施例2：

本实施例提出了一种穿孔式模块化强化型浮动生物生态系统，其结构示意图如图5，应用于受污染水体及沉积物的原位修复。其对水体中污染物去除效果试验具体是按以下步骤完成的：

构建小试反应器长×宽×高尺寸为22cm×22cm×30cm，底泥深度为10cm，上覆水为12cm，生物生态模块尺寸为15cm×15cm×8cm，为穿孔式。电子受体模块采用长宽尺寸为10cm×3cm的碳纤维材料和钛丝组合，电极供体模块采用长宽尺寸为15cm×15cm的碳纤维布、不锈钢丝网和钛丝三种组合，电子传导模块为钛丝，电路装置为1000Ω的电阻。其中碳纤维丝直径为3cm，穿孔个数为1个，间歇流水力停留时间为2d。穿孔式模块化强化型浮动生物生态系统对TOC、TN、硝氮及TP的强化效果如图6、7、8和9所示，通过对比TN进水为11.1±0.5mg/L，强化系统对TOC、TN、硝氮及TP的平均去除率为85.28％，80.8％，88.4％及74.9％。强化系统的硝氮去除率相比于对照系统提高了2.2倍。

该试验结果说明本实验中利用的生物生态模块基质可为微生物和植物提供生长载体，穿孔式的构型可以使电子受体模块表面附着更多的反硝化菌，且电子供体模块中增加不锈钢网可以提高电子收集效率，使得电子受体模块接受更多的电子进行反硝化，进而可以提高系统的反硝化效果，极大的提高了污染物的去除效能。

实施例3：

本实施例提出了一种强化型浮动生物生态系统，应用于受污染水体及沉积物的原位修复。生物生态模块采用穿孔式，连接装置为钛丝和草坪钉，植物选择菖蒲，电子受体模块采用改性碳纤维丝和钛丝组合。电子供体模块选用改性碳纤维布、不锈钢网和钛丝组合，电子传导模块选用钛丝，外电路模块选用电阻、防水接线盒和草坪钉。强化型浮动生物生态系统的构建方法如下：

(1)生物生态模块穿孔孔径为3cm，每个单体穿孔数为4个，连接装置由钛丝和草坪钉组成，连接固定生物生态模块和电子受体模块，菖蒲的种植密度为21株/m²。

(2)电子受体模块采用改性碳纤维丝和钛丝组成，直径为5cm，长度为1m。

(3)电子供体材料为改性碳纤维布和不锈钢网置于沉积物中，改性碳纤维布为1.2m×9m，不锈钢网为20目，丝径为0.8mm，钛丝蛇形穿线将改性碳纤维布和不锈钢网固定，间隔为1m，上覆沉积物深度为15cm。

(4)电子传导模块为直径0.5mm的钛丝，外电路模块为可调电阻箱(0～9999.9Ω)，置于防水接线盒内，由草坪钉固定在生物生态模块上。构建的穿孔式强化型浮动生物生态系统的结构示意图如图5。

Claims (10)

1.一种强化型浮动生物生态系统，其特征在于包括生物生态模块、电子受体模块、电子供体模块、电子传导模块和外电路模块；

所述电子受体模块通过连接装置固定在生物生态模块上，所述电子供体模块固定于受污染水体下的沉积物中并通过电子传导模块与外电路模块的一端连接，所述外电路模块固定在生物生态模块上，所述外电路模块的另一端与电子受体模块连接。

2.如权利要求1所述的一种强化型浮动生物生态系统，其特征在于所述生物生态模块包括穿孔式生物生态模块或拼装式生物生态模块，所述生物生态模块的上表面设置种植孔，种植孔的密度为15～50个/m²。

3.如权利要求2所述的一种强化型浮动生物生态系统，其特征在于所述拼装式生物生态模块的拼装空间宽度为10cm～10m，长度为1～40m，拼装空间内每间隔5～100cm设置连接装置；

所述穿孔式生物生态模块的单体穿孔数为1～20个，孔径为2cm～5cm，所述穿孔式生物生态模块的穿孔处设置连接装置，所述电子受体模块通过连接装置固定在生物生态模块上。

4.如权利要求3所述的一种强化型浮动生物生态系统，其特征在于所述连接装置包括不锈钢丝绳、聚合物连接环、捆扎带、钛丝、草坪钉中的至少一种，优选聚合物连接环包括聚酰胺或聚烯烃连接环。

5.如权利要求1所述的一种强化型浮动生物生态系统，其特征在于所述电子受体模块包括碳纤维材料、改性碳纤维材料、活性炭棒、石墨棒、生物炭棒、改性碳棒、碳毡、导电聚合物、钛丝、铜丝、铝丝、镍丝、导电橡胶、导电金属网中的一种或几种的组合；

优选碳纤维材料、改性碳纤维材料、活性炭棒、石墨棒、生物炭棒、改性碳棒的直径为1～10cm。

6.如权利要求1所述的一种强化型浮动生物生态系统，其特征在于所述电子供体模块包括打孔聚合物箱体、导电金属丝、导电金属网、导电碳材料中的两种或几种组合；

优选打孔聚合物箱体包括PE、PVC中的至少一种，导电金属丝包括钛丝、铜丝、铝丝、镍丝中的至少一种，导电金属网包括钛网、不锈钢金属网中的至少一种，导电碳材料包括碳纤维丝、改性碳纤维丝、碳纤维布、改性碳纤维布、活性炭棒、石墨棒、生物炭棒、改性碳棒、碳毡、导电聚合物中的至少一种。

7.如权利要求6所述的一种强化型浮动生物生态系统，其特征在于沉积物或级配碎石覆盖在所述导电金属丝和/或导电金属网和/或导电碳材料上，所述打孔聚合物箱体笼罩在沉积物或级配碎石上；

所述碳纤维布和/或改性碳纤维布通过导电金属丝蛇形穿线缠绕固定于导电金属网上，所述碳纤维布和改性碳纤维布的长度为1～100m，宽度为0.5～10m，所述导电金属丝的间隔不大于2m，导电金属网的目数为20～100目，丝径为0.6～1.2mm，所述碳纤维丝、改性碳纤维丝、活性炭棒、石墨棒、生物炭棒和改性碳棒的直径为1～10cm，所述打孔聚合物箱体的单体模块长和宽为0.3～5m，所述沉积物或级配碎石覆盖厚度为5cm～2m，碎石粒径为0.5～10cm。

8.如权利要求1所述的一种强化型浮动生物生态系统，其特征在于所述电子传导模块包括导线和聚合物软管，导线置于聚合物软管内；

优选导线包括钛丝、铜丝、铝丝、镍丝，聚合物软管包括聚丙烯或聚氨酯软管，导线的直径为0.5～3.0mm，长度不小于1m，聚合物软管的内径不小于3mm。

9.如权利要求1所述的一种强化型浮动生物生态系统，其特征在于所述外电路模块包括电容、LED灯、电阻、继电器、时间控制器、防水接线盒、草坪钉中的一种或几种组合，电阻、电容、继电器、时间控制器设置于防水接线盒中，通过草坪钉固定在生物生态模块上。

10.如权利要求1-9任一所述的一种强化型浮动生物生态系统在受污染水体及沉积物原位修复中的应用。

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