CN115925125A - 景观水体修复处理生态浮床装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种景观水体修复处理生态浮床装置，包括用于提供浮力的浮床浮体，浮床浮体上向下设置有种植篮，种植篮内填充有水处理用的填料，种植篮上种植有植物，种植篮内壁还设置有电极使得种植篮内腔形成电场，其特征在于，填料内还分布设置有若干微型电极。本发明具有水体净化效果更好，稳定性更好，对水体生物影响更小等优点。
Description
本申请为申请号202210081698.9，申请日2022-01-24的《一种景观水体修复处理方法》专利的分案申请。
技术领域
本发明涉及景观水体修复处理技术领域，具体涉及一种景观水体修复处理生态浮床装置。
背景技术
随着城镇化的不断推进，城市中出现了越来越多的景观水体，包括天然和人工湖泊、景观池塘、景观河道等。这些景观水体因为修建较多导致维护频率较低，水体中的垃圾、淤泥等清理不及时而导致水体呈现黑臭以及富营养化的现象。这些景观水体的主要特点有流速缓慢、流动性差、水体面积小、极易被污染、水体自净能力不足、水环境承载能力低等。而抗生素从发现至今已有数十年历史，人们对这类药物的使用也越来越频繁，包括且不限于大量用于养殖领域的磺胺类抗生素、用在医药领域的以氧氟沙星等为代表的喹诺酮类抗生素和以红霉素为代表的大环内酯类抗生素等，这些抗生素往往无法在人或者动物体内得到完全的代谢，而以尿液的形式排入下水系统中，之后进入污水处理厂进行处理，但是当前的污水厂对这些抗生素的处理效果并不理想，比如对磺胺类药物的处理仅仅不到50%，而目前城市景观水体的水源主要来自于污水厂的再生回用水，因此，这些含有大量抗生素的再生水排入景观水体后，不仅有在环境中产生抗性基因（ARGs）的潜力，并且由于景观水体自净能力较差的缘故，而使其有着逐渐积累后随着食物链再次进入人体的风险，具有较大的环境风险水平。
而目前对于受污染景观水体的净化方法主要是物理法、化学法、生态修复法，其中物理法耗时费力，化学法效果虽好但治标不治本，且容易造成二次污染，生态修复发则主要以人工湿地、生态浮床等为主。而生态修复法中的人工湿地占地面积大，修建维护费用高，不适用于城市大部分景观水体，因此多数采用生态浮床的方法，但是传统的生态浮床对氮、磷污染物的去除效果虽然较好，但及其容易受到环境的影响，比如其在低温下去除效果下降剧烈，且对于水中的难降解有机物比如抗生素的去除效果一般，主要依靠填料的吸附作用，随着时间的推移，填料也要及时更换，填料更换后不仅会影响植物的生长，且新填料要面临微生物重新挂膜等问题，而旧填料的处置也是一个难以解决的问题。
综上所述：传统的生态浮床存在以下不足：1、浮床的净化效果不稳定，极易受到环境的影响从而严重弱化净化效能；2、对于水体中的难降解有机物的去除效果不佳；3、维护管理相对频繁，特别是更换填料后对浮床的净化效果影响较大，并且浮床收割得到的植物的处置也没有较好的方法。
为了更好地提高浮床净化水体效果，现有技术中还存在对浮床填料内施加电场作用的方案，可以结合电场作用更好地净化水体。例如CN202021232650.6公开的一种多功能电化学耦合生态浮床，CN201811630590.0公开的一种曝气强化电化学耦合生态浮床，CN201821604321.2公开的一种水体修复的生态浮床沉积型微生物燃料电池耦合装置，均属于此类技术。但现有的电场式生态浮床技术中。大部分是将电场设置在填料内，而随着生态浮床上生物根系的生长以及污染物的吸附作用，会很快填充满填料内部空间，导致电场较小时难以发挥作用，如果加大电场强度，又容易外泄影响水体内生物，同时电场过强也会对种植的植物以及填料内的微生物菌群生存造成极大影响，得不偿失。在部分技术中，例如CN201821604321.2的专利装置中，其电场是露出在水体内，这样电场不会受填料变化的影响，但是这种方式会对水体中的鱼类生物造成直接影响，无法适用于有景观鱼类或生物的场所，而水体中生存的景观鱼类或活体生物自身是水体净化大循环系统的一个重要组成部分，缺少该部分同样会降低水体整体净化和活化的效果。
因此，怎样才能够提供一种能够进一步提高水体净化效果，能够对水体中的氮、磷、CODCr和难降解有机污染物具有高效稳定同步降解效能且维护频率和费用更低的针对城市中的受污染景观水体的新型生态修复技术，成为了一个有必要解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种水体净化效果更好，稳定性更佳，对水体生物影响更小的景观水体修复处理方法及其景观水体修复处理生态浮床装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种景观水体修复处理方法，采用在浮床上种植植物，植物根系扎根于浮床内填料并形成对水体污染物的吸附处理，同时在填料内施加电场作用形成耦合电化学体系实现对水体的复合式修复处理，其特征在于，填料内分布若干微型电极形成若干呈三维分布的微型电场实现电化学处理。
这样，本方法中在填料内部再分布设置若干微型电极，使得整体电场作用时，各微型电极之间起到中间传导桥梁作用，构成若干微型电场，并在通电后形成若干微型电解池，使得吸附的污染物在其内发生电离分解等电化学反应，可以更好地实现对其内污染物的电化学处理，同时避免了填料占据电场空间过大导致填料堵塞后电场作用效果降低的缺陷。极大地提高了水处理的效果和处理稳定性。
进一步地，浮床上设置太阳能电池板并为施加电场提供电力。
这样，能够做到自给自足，无需额外通电，提高方案适用性。
进一步地，本方法采用一种景观水体修复处理生态浮床装置实现，所述景观水体修复处理生态浮床装置，包括用于提供浮力的浮床浮体，浮床浮体上向下设置有种植篮，种植篮内填充有水处理用的填料，种植篮上种植有植物，种植篮内壁还设置有电极使得种植篮内腔形成电场，其中，填料内还分布设置有若干微型电极。
这样，就能够依靠设置的微型电极形成若干三维立体分布的微型电场，极大地提高电场的电化学处理效果。提高了电化学处理体系的稳定性。形成的电化学处理体系，能够对受污染城市景观水体中的氮、磷、CODCr、难降解有机污染物具有稳定高效原位去除效果。方案中，所述种植篮为四周及底部具有孔隙结构的篮体，且种植篮的大小可以根据浮床所应用水体的具体情况适当变化，以保障浮床的水体净化效果。这样，周围的水能够更好地与浮床中的植物、填料、电极板接触，提升处理效能。
具体地说，所述电化学体系运行原理为，电场工作时，阳极可以产生氧气，这样，增加了水体中的溶解氧（DO），在一定程度上改善了受污染景观水体溶解氧含量低的问题，减少了水体中厌氧或缺氧型细菌的繁殖，而有利于好氧型细菌的繁殖，减少了由厌氧型细菌大量繁殖并代谢时所产生的臭味气体，比如硫化氢（H2S）、甲烷（CH4）等等，进一步地改善了水体环境。并且水体存在的部分Cl-在电化学体系运行过程中被阳极所氧化生成氯气（Cl2）后直接与水反应，原位生成次氯酸（HClO），而次氯酸具有较强的氧化性，不仅能够直接氧化水体中的有机物，降低COD，还可以直接将水中的氨氮（NH4 +-N）氧化形成气体排出水体。除此之外，水体中的硝氮（NO3 --N）也可以直接在阴极被原位还原成N2，进一步增强了体系的除污性能。同时，电解时阴极产生的氢气（H2）可以大幅度地提高附着在浮床中的噬氢菌属的丰度，经过实验发现，相比于没有耦合电化学体系的生态浮床，新型生态浮床中的噬氢菌属（
Hydrogenophaga）成为了附着在浮床填料、植物根系以及阴极电极表面上的优势菌属，而噬氢菌属中的大部分细菌具有利用氢气作为电子供体的反硝化能力，这进一步增强了浮床的反硝化性能。
这样，本方案中，填料内布置了若干微型电极形成若干三维立体分布的微型电场，各微型电极将上述部分只发生于电极表面的电化学反应（例如阳极表面会产生氧气、会生成次氯酸，阴极会产生氢气、会还原硝氮生成氮气）带入到了填料内部各处位置，这样会对填料的水化处理起到极强的加成作用，例如各处阳极表面生成的氧气会提高填料好氧细菌活性，提高氧化还原反应的能力，各处阴极生成的氢气会提高噬氢菌属活性，提高反硝化能力，故能够使得填料内更好地兼容了硝化和反硝化的作用效果，故极大地提高了填料的整体水处理效果。
进一步地，浮床浮体上表面还设置有太阳能电池板，太阳能电池板和蓄电池相连，蓄电池和电极相连。这样可以充分利用太阳能供电，节约电能。当然其他实施方式中也可以采用电线连接到岸边电源。
进一步地，植物为挺水植物。
这样，采用挺水植物，例如美人蕉、风车草、鸢尾、菖蒲等，具有一定观赏价值且根系较为发达，能够提高水处理效果。在植物选型时，应遵循以下原则：1、选择根系发达的深根性植物；2、尽量选择本地优势物种；3、具有一定的观赏价值且成本相对低廉。这样不仅能够为附着在植物根系上的微生物提供更多附着位点，还能够保证浮床在深水区时的处理效果。其次，具有较好的观赏价值与经济性，更有利于浮床的推广与应用。
进一步地，浮床浮体为材质为聚苯乙烯（EPS）泡沫板。
这样可以提供足够的浮力且不会对环境造成污染。
进一步地，浮床浮体表面包覆设置有一层多孔泡棉。
这样，既增加了浮床上的微生物附着点位，同时提升了浮床的美观性。
进一步地，种植篮篮口面积占整个浮床浮体面积的70%。
这样，种植篮大小刚刚好，使得每个浮床中可利用的种植面积与太阳能面板面积的搭配达到了最优，既使得浮床中种植的植物能够较好地独立完成水体净化的作用，也使得光伏面板所储存的电能足以驱动电化学体系正常工作。
进一步地，电极包括沿周向设置在种植篮内壁上端形成环形的阳极，还包括位于种植篮内底面的形成圆形的阴极。
这样，能够更好地保证电化学体系在运行时，与种植篮内部填料空间拥有最佳的耦合表现，有利于提升整个耦合体系运行时的稳定性与除污效能；同时又能够最大程度降低电场对上方植物的影响。
进一步地，电极采用石墨材料制得。具有更好地稳定性。
具体地说，实施时，且阳极为宽度3cm，厚度1.5mm的环形电极且位于填料顶部下方1cm处，阴极为厚度1.5mm左右的圆形片状电极且放置于种植篮底部。可以更好地保证电极的稳定性。实施时，上述电化学体系在运行时，根据不同的水质情况，可将电流大小设置为60-100mA，每日电解时间设置为3h-6h。这样，可以在一定程度上促进植物的生长，相较于没有进行电解的浮床而言，在一段时间后，对不同的植物而言，鲜重最大可提高约10%左右。
进一步地，填料采用孔隙率大于80%，粒径3-6mm大小的填料。
这样，在水流经浮床时，具备较高的渗透流动速度，并且填料内部极其丰富的孔隙结构也能够更好地构成微生物的良好载体，这极大地增强了系统的除污能力。
进一步地，填料包括下层填料和上层填料，下层填料为珍珠岩填料，上层填料为火山岩或沸石填料。
这样，几种填料均为孔隙率较高的水处理填料。其中下层设置珍珠岩填料质地较轻，不仅减轻了浮床的整体重量，还使得浮床种植篮下部具有较好的透气性，有利于植物的生长和微生物的繁殖，更加保障了浮床的净水能力。上方填料中沸石结构稳定，内部孔隙率高，对水体中的各种阴阳离子都具有较好的吸附能力，而火山岩则含有种类丰富的微量元素，其内部呈天然的蜂窝多孔结构，孔隙分布均匀并且表面粗糙。因此，得益于这两种填料表面丰富的吸附位点和其内部密集的孔隙结构，不论是对于水体中的污染物还是微生物，都提供了足够的吸附位点，进一步提升了浮床的水体净化效能。
进一步地，微型电极由分布在填料内的负载有金属成分的生物质炭颗粒构成。
这样，生物质炭颗粒吸附性极佳，负载金属成分后具备极佳的导电性能，能够有利于微型电极的形成。
具体地说，受益于生物质炭颗粒填料良好的导电性能，其在电场的作用下被迅速地极化后，两端表现出了不同的电位，从而形成了一个个小的微型电极，并构成一个个小型的电解单元，这样，水体中的污染物，比如氨氮（NH4 +-N）、硝氮（NO3 --N）、各种有机物（CODCr、难降解有机污染物等）等，首先通过填料的吸附作用吸附在填料表面后，氨氮（NH4 +-N）、各种有机物（CODCr、难降解有机污染物等）等在其阳极端被氧化，硝氮（NO3 --N）等则可以在其阴极端被还原，从而大大提高了浮床的污染物去除效能。微型电极在三维空间分布，故相比于二维电化学体系，在三维电化学体系的“驱动下”，受益于改性生物质炭填料优良的导电性能，使得附着于填料表面的一些电化学活性微生物的胞外电子传递效率得到了提升，并且电的刺激能够更加充分地作用于填料和植物根系表面的生物膜中，使得这些生物膜中的细菌能够更加充分且均匀地受到电的刺激，更好地提高了微生物的生长代谢活性，这进一步增强了浮床对污染物去除性能。故这样，通过填料和电化学体系结合，将吸附在填料和电极表面的污染物进行原位的降解，不仅大大增加了填料的使用寿命还提高了浮床的水体净化能力。
进一步地，生物质炭颗粒中负载的金属成分为钛和锡。
这样，钛和锡之间能够形成更大的电位差，有利于微型电极的生成，能够加快生物质炭表面的电子传递效率，提高电化学活性表面积，增强表面电荷负载性能，使得生物质炭颗粒形成的微型电极表面能够拥有更高的析氧电位（OEP），提升了其电化学氧化性能，使其拥有更强的有机物氧化能力。
进一步地，生物质炭颗粒投加比例按照填料体积的10%-20%比例投加，并和填料混合均匀形成微型电极。
该比例能够保证形成的三维微型电极体系能够有最佳的电耦合效果。
进一步地，生物质炭颗粒为3-6mm粒径。使其和其余填料粒径一致，方便混合均匀。
进一步地，生物质炭颗粒由以下方法制备：
（1）将植物秸秆使用机器轧制为需求大小的颗粒状木屑，之后使用无水乙醇冲洗干净并放置于（温度为60℃左右的）烘箱中烘干；
（2）将以上干燥后的木屑放入尿素溶液（尿素和木屑质量比例为2-4：1）中并在室温下使用磁力搅拌器（在500r/min的转速下）均匀搅拌4-6h（最优为5h，保证尿素充分浸入木屑），再使用真空泵抽滤后放置在（温度为105℃左右）烘箱中干燥（3-4h）备用；
（3）待上述材料充分干燥后将其（放置于石英舟内并）放入管式炉中在保护气氛（通常为N2）下（通常10℃/min左右的速率）缓慢升温至800-900℃，并在此温度下煅烧（可为3h左右）完成炭化，之后关闭管式炉使其自然冷却至室温；
（4）将上述烧制完成的生物质炭取出并使用蒸馏水和酒精进行冲洗，之后在超声振荡器中振荡一段时间（10min左右），以上清洗步骤重复三次，提高材料孔隙率，之后将其放入烘箱（105℃左右）中干燥备用；
（5）将步骤4中干燥后的生物质炭取出，配置负载反应溶液，负载反应溶液使用乙醇作为溶剂，乙酸作为稳定剂，并加入一定量的去离子水，以钛酸丁酯、无水四氯化锡作为溶质且两溶质摩尔比为（8-10）：（1-3）；将生物质炭加入负载反应溶液中在室温下（使用磁力搅拌器在500r/min的转速下）搅拌3-5h（最优4h）后使用真空泵抽滤；其中可按溶质浓度最大情况配置溶液；
（6）将上述抽滤后的材料放入烘箱中并（在105℃的温度下）干燥，待其充分干燥后将其放置于石英舟内并放入管式炉中在N2的气氛下（以5℃/min的速率）缓慢升温至500-600℃，并在此温度下煅烧1-3h（最优2h），之后关闭管式炉并使其自然冷却。
上述步骤中，在秸秆木屑炭化前先采用尿素溶液浸泡和搅拌干燥等预处理，使得尿素成分能够充分浸入到材料内部，配合上述参数要求的炭化操作步骤，使得尿素成分在炭化过程中基于氮元素在生物质炭表面生成石墨氮、吡啶氮和吡咯氮等功能团，并使其在后续步骤4反复清洗提高孔隙率的过程中不会被洗掉；以方便后续更好地完成对钛、锡元素的负载。步骤5和步骤6中，钛酸丁酯和无水四氯化锡常温下为液态，以其作为溶质，以乙酸为稳定剂，能够很好地溶入到乙醇溶剂中，形成负载反应溶液。加入的去离子水（加入的量对应为能够完成反应的量）能够有利于无水四氯化锡先和水结合反应生成氢氧化锡Sn(OH)4，后续再热解反应生成二氧化锡，反应式为Sn(OH)4= SnO2+ 2H2O。另外钛酸丁酯在溶液中搅拌浸入生物质炭后，后续加热时分解生成二氧化钛，反应式为Ti（OC4H9）4=TiO2+4C4H8+2H2O。这样，在搅拌过程中，液态的反应物浸入到生物质炭的孔隙内，后续再次加热热解反应生成二氧化钛和二氧化锡微粒，完成金属材料的负载，热解反应其余成分为气体挥发掉。故这样能够使得生成的二氧化钛和二氧化锡产物成分可以有效地浸入材料内部，使得生物质炭材料具有了极强的电荷负载性能和电化学性能，方便后续作为微型电极参与电化学作用反应。故本方法能够充分且可靠高效地完成对钛、锡两种金属的负载。
这样，上述处理步骤，使得生物质炭具有更大的内部孔隙结构，内部膨胀程度刚刚好，保证了负载到生物炭表面的钛、锡两种金属形成的氧化物能够更加均匀地分布在生物质炭内部的孔道和碳层之中，从而不会有过大的粒径，但具有相对更大的比表面积，且具有较好的电化学催化活性。并且，可以保证二氧化钛的结构更多的为锐钛矿型，而非金红石型结构，更加保障了生物质炭的电化学催化性能。
同时上述负载过程，受益于合适的温度，可以在保证锐钛矿型二氧化钛含量的基础上，使得氮元素能够更好地取代生物质炭表面的含氧官能团，并以石墨氮、吡啶氮和吡咯氮的形式负载于表面，这样，不仅增强了生物质炭的吸附性能，使其能够负载更多的钛、锡，还提高了其电化学催化活性。
故上述步骤制得的生物质炭颗粒，受益于钛元素的掺杂，使这种生物质炭不仅具有较好的光催化和电催化性能，还具有良好的导电性，而锡元素的掺杂则使得生物质炭在煅烧时生产了二氧化锡，其与二氧化钛导带之间的电位差加快了生物质炭表面的电子传递效率，进一步地提高了其电化学活性表面积，增强了其表面的电荷负载性能，此外，在钛、锡两种金属元素的共掺杂下，与没有改性的传统生物质炭相比，其拥有更高的析氧电位（OEP），提升了其电化学氧化性能，使其拥有更强的有机物氧化能力。
此外，所制备的生物质炭材料受益于尿素的掺杂，相比于传统的的生物质炭，所制备的生物质炭，不仅表面拥有更多的石墨氮、吡啶氮和吡咯氮结构以及缺陷位点，增强了其吸附性能和导电性，而且其表面具有更多的氮氧官能团，这样，在这些官能团的阻挡作用之下，二氧化钛和二氧化锡能够更加均匀地分散于生物质炭表面，避免金属氧化物过多的团聚，从而保证了其电化学催化氧化性能。
进一步地，将浮床定期收割后的得到的植物作为制备生物质炭颗粒的植物秸秆来源。
这样有利于对浮床收割植物的重复利用。
综上所述，本发明具有水体净化效果更好，稳定性更好，对水体生物影响更小等优点。
附图说明
图1为具体实施方式中采用的景观水体修复处理生态浮床装置的结构示意图，图中未显示填料。
图2为图1中单独显示种植篮内填料的示意图。
图3为图2俯视图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式：一种景观水体修复处理方法，采用在浮床上种植植物，植物根系扎根于浮床内填料并形成对水体污染物的吸附处理，同时在填料内施加电场作用形成耦合电化学体系实现对水体的复合式修复处理，其特点在于，填料内分布若干微型电极形成若干呈三维分布的微型电场实现电化学处理。
这样，本方法中在填料内部再分布设置若干微型电极，使得整体电场作用时，各微型电极之间起到中间传导桥梁作用，构成若干微型电场，并在通电后形成若干微型电解池，使得吸附的污染物在其内发生电离分解等电化学反应，可以更好地实现对其内污染物的电化学处理，同时避免了填料占据电场空间过大导致填料堵塞后电场作用效果降低的缺陷。极大地提高了水处理的效果和处理稳定性。
其中，浮床上设置太阳能电池板并为施加电场提供电力。
这样，能够做到自给自足，无需额外通电，提高方案适用性。
实施时，本方法采用图1-3所示的一种景观水体修复处理生态浮床装置实现，所述景观水体修复处理生态浮床装置，包括用于提供浮力的浮床浮体2，浮床浮体2上向下设置有种植篮5，种植篮5内填充有水处理用的填料，填料包括下层填料6和上层填料7，种植篮上种植有植物1，种植篮内壁还设置有电极使得种植篮内腔形成电场，其中，填料内还分布设置有若干微型电极。
这样，就能够依靠设置的微型电极形成若干三维立体分布的微型电场，极大地提高电场的电化学处理效果。提高了电化学处理体系的稳定性。形成的电化学处理体系，能够对受污染城市景观水体中的氮、磷、CODCr、难降解有机污染物具有稳定高效原位去除效果。方案中，所述种植篮为四周及底部具有孔隙结构的篮体，且种植篮的大小可以根据浮床所应用水体的具体情况适当变化，以保障浮床的水体净化效果。这样，周围的水能够更好地与浮床中的植物、填料、电极板接触，提升处理效能。
具体地说，所述电化学体系运行原理为，电场工作时，阳极可以产生氧气，这样，增加了水体中的溶解氧（DO），在一定程度上改善了受污染景观水体溶解氧含量低的问题，减少了水体中厌氧或缺氧型细菌的繁殖，而有利于好氧型细菌的繁殖，减少了由厌氧型细菌大量繁殖并代谢时所产生的臭味气体，比如硫化氢（H2S）、甲烷（CH4）等等，进一步地改善了水体环境。并且水体存在的部分Cl-在电化学体系运行过程中被阳极所氧化生成氯气（Cl2）后直接与水反应，原位生成次氯酸（HClO），而次氯酸具有较强的氧化性，不仅能够直接氧化水体中的有机物，降低COD，还可以直接将水中的氨氮（NH4 +-N）氧化形成气体排出水体。除此之外，水体中的硝氮（NO3 --N）也可以直接在阴极被原位还原成N2，进一步增强了体系的除污性能。同时，电解时阴极产生的氢气（H2）可以大幅度地提高附着在浮床中的噬氢菌属的丰度，经过实验发现，相比于没有耦合电化学体系的生态浮床，新型生态浮床中的噬氢菌属（
Hydrogenophaga）成为了附着在浮床填料、植物根系以及阴极电极表面上的优势菌属，而噬氢菌属中的大部分细菌具有利用氢气作为电子供体的反硝化能力，这进一步增强了浮床的反硝化性能。
这样，本方案中，填料内布置了若干微型电极形成若干三维立体分布的微型电场，各微型电极将上述部分只发生于电极表面的电化学反应（例如阳极表面会产生氧气、会生成次氯酸，阴极会产生氢气、会还原硝氮生成氮气）带入到了填料内部各处位置，这样会对填料的水化处理起到极强的加成作用，例如各处阳极表面生成的氧气会提高填料好氧细菌活性，提高氧化还原反应的能力，各处阴极生成的氢气会提高噬氢菌属活性，提高反硝化能力，故能够使得填料内更好地兼容了硝化和反硝化的作用效果，故极大地提高了填料的整体水处理效果。
其中，浮床浮体上表面还设置有太阳能电池板4，太阳能电池板4和蓄电池（图中未显示）相连，蓄电池和电极相连。这样可以充分利用太阳能供电，节约电能。当然其他实施方式中也可以采用电线连接到岸边电源。
其中，植物为挺水植物。
这样，采用挺水植物，例如美人蕉、风车草、鸢尾、菖蒲等，具有一定观赏价值且根系较为发达，能够提高水处理效果。在植物选型时，应遵循以下原则：1、选择根系发达的深根性植物；2、尽量选择本地优势物种；3、具有一定的观赏价值且成本相对低廉。这样不仅能够为附着在植物根系上的微生物提供更多附着位点，还能够保证浮床在深水区时的处理效果。其次，具有较好的观赏价值与经济性，更有利于浮床的推广与应用。
其中，浮床浮体2为材质为聚苯乙烯泡沫板。
这样可以提供足够的浮力且不会对环境造成污染。
其中，浮床浮体2表面包覆设置有一层多孔泡棉3。
这样，既增加了浮床上的微生物附着点位，同时提升了浮床的美观性。
其中，种植篮5篮口面积占整个浮床浮体2面积的70%。
这样，种植篮大小刚刚好，使得每个浮床中可利用的种植面积与太阳能面板面积的搭配达到了最优，既使得浮床中种植的植物能够较好地独立完成水体净化的作用，也使得光伏面板所储存的电能足以驱动电化学体系正常工作。
其中，电极包括沿周向设置在种植篮内壁上端形成环形的阳极8，还包括位于种植篮内底面的形成圆形的阴极9。
这样，能够更好地保证电化学体系在运行时，与种植篮内部填料空间拥有最佳的耦合表现，有利于提升整个耦合体系运行时的稳定性与除污效能；同时又能够最大程度降低电场对上方植物的影响。
其中，电极采用石墨材料制得。具有更好地稳定性。
具体地说，实施时，且阳极为宽度3cm，厚度1.5mm的环形电极且位于填料顶部下方1cm处，阴极为厚度1.5mm左右的圆形片状电极且放置于种植篮底部。可以更好地保证电极的稳定性。实施时，上述电化学体系在运行时，根据不同的水质情况，可将电流大小设置为60-100mA，每日电解时间设置为3h-6h。这样，可以在一定程度上促进植物的生长，相较于没有进行电解的浮床而言，在一段时间后，对不同的植物而言，鲜重最大可提高约10%左右。
其中，填料采用孔隙率大于80%，粒径3-6mm大小的填料。
这样，在水流经浮床时，具备较高的渗透流动速度，并且填料内部极其丰富的孔隙结构也能够更好地构成微生物的良好载体，这极大地增强了系统的除污能力。
其中，填料包括下层填料6和上层填料7，下层填料6为珍珠岩填料，上层填料7为火山岩或沸石填料。
这样，几种填料均为孔隙率较高的水处理填料。其中下层设置珍珠岩填料质地较轻，不仅减轻了浮床的整体重量，还使得浮床种植篮下部具有较好的透气性，有利于植物的生长和微生物的繁殖，更加保障了浮床的净水能力。上方填料中沸石结构稳定，内部孔隙率高，对水体中的各种阴阳离子都具有较好的吸附能力，而火山岩则含有种类丰富的微量元素，其内部呈天然的蜂窝多孔结构，孔隙分布均匀并且表面粗糙。因此，得益于这两种填料表面丰富的吸附位点和其内部密集的孔隙结构，不论是对于水体中的污染物还是微生物，都提供了足够的吸附位点，进一步提升了浮床的水体净化效能。
其中，微型电极由分布在填料内的负载有金属成分的生物质炭颗粒构成。
这样，生物质炭颗粒吸附性极佳，负载金属成分后具备极佳的导电性能，能够有利于微型电极的形成。
具体地说，受益于生物质炭颗粒填料良好的导电性能，其在电场的作用下被迅速地极化后，两端表现出了不同的电位，从而形成了一个个小的微型电极，并构成一个个小型的电解单元，这样，水体中的污染物，比如氨氮（NH4 +-N）、硝氮（NO3 --N）、各种有机物（CODCr、难降解有机污染物等）等，首先通过填料的吸附作用吸附在填料表面后，氨氮（NH4 +-N）、各种有机物（CODCr、难降解有机污染物等）等在其阳极端被氧化，硝氮（NO3 --N）等则可以在其阴极端被还原，从而大大提高了浮床的污染物去除效能。微型电极在三维空间分布，故相比于二维电化学体系，在三维电化学体系的“驱动下”，受益于改性生物质炭填料优良的导电性能，使得附着于填料表面的一些电化学活性微生物的胞外电子传递效率得到了提升，并且电的刺激能够更加充分地作用于填料和植物根系表面的生物膜中，使得这些生物膜中的细菌能够更加充分且均匀地受到电的刺激，更好地提高了微生物的生长代谢活性，这进一步增强了浮床对污染物去除性能。故这样，通过填料和电化学体系结合，将吸附在填料和电极表面的污染物进行原位的降解，不仅大大增加了填料的使用寿命还提高了浮床的水体净化能力。
其中，生物质炭颗粒中负载的金属成分为钛和锡。
这样，钛和锡之间能够形成更大的电位差，有利于微型电极的生成，能够加快生物质炭表面的电子传递效率，提高电化学活性表面积，增强表面电荷负载性能，使得生物质炭颗粒形成的微型电极表面能够拥有更高的析氧电位（OEP），提升了其电化学氧化性能，使其拥有更强的有机物氧化能力。
其中，生物质炭颗粒投加比例按照填料体积的10%-20%比例投加，并和填料混合均匀形成微型电极。
该比例能够保证形成的三维微型电极体系能够有最佳的电耦合效果。
其中，生物质炭颗粒为3-6mm粒径。使其和其余填料粒径一致，方便混合均匀。
其中，生物质炭颗粒由以下方法制备：
（1）将植物秸秆使用机器轧制为需求大小的颗粒状木屑，之后使用无水乙醇冲洗干净并放置于（温度为60℃左右的）烘箱中烘干；
（2）将以上干燥后的木屑放入尿素溶液（尿素和木屑质量比例为2-4：1）中并在室温下使用磁力搅拌器（在500r/min的转速下）均匀搅拌4-6h（最优为5h，保证尿素充分浸入木屑），再使用真空泵抽滤后放置在（温度为105℃左右）烘箱中干燥（3-4h）备用；
（3）待上述材料充分干燥后将其（放置于石英舟内并）放入管式炉中在保护气氛（通常为N2）下（通常10℃/min左右的速率）缓慢升温至800-900℃，并在此温度下煅烧（可为3h左右）完成炭化，之后关闭管式炉使其自然冷却至室温；
（4）将上述烧制完成的生物质炭取出并使用蒸馏水和酒精进行冲洗，之后在超声振荡器中振荡一段时间（10min左右），以上清洗步骤重复三次，提高材料孔隙率，之后将其放入烘箱（105℃左右）中干燥备用；
（5）将步骤4中干燥后的生物质炭取出，配置负载反应溶液，负载反应溶液使用乙醇作为溶剂，乙酸作为稳定剂，并加入一定量的去离子水，以钛酸丁酯、无水四氯化锡作为溶质且两溶质摩尔比为（8-10）：（1-3）；将生物质炭加入负载反应溶液中在室温下（使用磁力搅拌器在500r/min的转速下）搅拌3-5h（最优4h）后使用真空泵抽滤；其中可按溶质浓度最大情况配置溶液；
（6）将上述抽滤后的材料放入烘箱中并（在105℃的温度下）干燥，待其充分干燥后将其放置于石英舟内并放入管式炉中在N2的气氛下（以5℃/min的速率）缓慢升温至500-600℃，并在此温度下煅烧1-3h（最优2h），之后关闭管式炉并使其自然冷却。
上述步骤中，在秸秆木屑炭化前先采用尿素溶液浸泡和搅拌干燥等预处理，使得尿素成分能够充分浸入到材料内部，配合上述参数要求的炭化操作步骤，使得尿素成分在炭化过程中基于氮元素在生物质炭表面生成石墨氮、吡啶氮和吡咯氮等功能团，并使其在后续步骤4反复清洗提高孔隙率的过程中不会被洗掉；以方便后续更好地完成对钛、锡元素的负载。步骤5和步骤6中，钛酸丁酯和无水四氯化锡常温下为液态，以其作为溶质，以乙酸为稳定剂，能够很好地溶入到乙醇溶剂中，形成负载反应溶液。加入的去离子水（加入的量对应为能够完成反应的量）能够有利于无水四氯化锡先和水结合反应生成氢氧化锡Sn(OH)4，后续再热解反应生成二氧化锡，反应式为Sn(OH)4= SnO2+ 2H2O。另外钛酸丁酯在溶液中搅拌浸入生物质炭后，后续加热时分解生成二氧化钛，反应式为Ti（OC4H9）4=TiO2+4C4H8+2H2O。这样，在搅拌过程中，液态的反应物浸入到生物质炭的孔隙内，后续再次加热热解反应生成二氧化钛和二氧化锡微粒，完成金属材料的负载，热解反应其余成分为气体挥发掉。故这样能够使得生成的二氧化钛和二氧化锡产物成分可以有效地浸入材料内部，使得生物质炭材料具有了极强的电荷负载性能和电化学性能，方便后续作为微型电极参与电化学作用反应。故本方法能够充分且可靠高效地完成对钛、锡两种金属的负载。
这样，上述处理步骤，使得生物质炭具有更大的内部孔隙结构，内部膨胀程度刚刚好，保证了负载到生物炭表面的钛、锡两种金属形成的氧化物能够更加均匀地分布在生物质炭内部的孔道和碳层之中，从而不会有过大的粒径，但具有相对更大的比表面积，且具有较好的电化学催化活性。并且，可以保证二氧化钛的结构更多的为锐钛矿型，而非金红石型结构，更加保障了生物质炭的电化学催化性能。
同时上述负载过程，受益于合适的温度，可以在保证锐钛矿型二氧化钛含量的基础上，使得氮元素能够更好地取代生物质炭表面的含氧官能团，并以石墨氮、吡啶氮和吡咯氮的形式负载于表面，这样，不仅增强了生物质炭的吸附性能，使其能够负载更多的钛、锡，还提高了其电化学催化活性。
故上述步骤制得的生物质炭颗粒，受益于钛元素的掺杂，使这种生物质炭不仅具有较好的光催化和电催化性能，还具有良好的导电性，而锡元素的掺杂则使得生物质炭在煅烧时生产了二氧化锡，其与二氧化钛导带之间的电位差加快了生物质炭表面的电子传递效率，进一步提高了其电化学活性表面积，增强了其表面的电荷负载性能，此外，在钛、锡两种金属元素的共掺杂下，与没有改性的传统生物质炭相比，其拥有更高的析氧电位（OEP），提升了其电化学氧化性能，使其拥有更强的有机物氧化能力。
此外，所制备的生物质炭材料受益于尿素的掺杂，相比于传统的的生物质炭，所制备的生物质炭，不仅表面拥有更多的石墨氮、吡啶氮和吡咯氮结构以及缺陷位点，增强了其吸附性能和导电性，而且其表面具有更多的氮氧官能团，这样，在这些官能团的阻挡作用之下，二氧化钛和二氧化锡能够更加均匀地分散于生物质炭表面，避免金属氧化物过多的团聚，从而保证了其电化学催化氧化性能。
其中，将浮床定期收割后的得到的植物作为制备生物质炭颗粒的植物秸秆来源。
这样有利于对浮床收割植物的重复利用。
Claims (10)
1.一种景观水体修复处理生态浮床装置，包括用于提供浮力的浮床浮体，浮床浮体上向下设置有种植篮，种植篮内填充有水处理用的填料，种植篮上种植有植物，种植篮内壁还设置有电极使得种植篮内腔形成电场，其特征在于，填料内还分布设置有若干微型电极。
2.如权利要求1所述的景观水体修复处理生态浮床装置，其特征在于，浮床浮体上表面还设置有太阳能电池板，太阳能电池板和蓄电池相连，蓄电池和电极相连。
3.如权利要求1所述的景观水体修复处理生态浮床装置，其特征在于，所述植物为挺水植物，包括但不限于美人蕉、风车草、鸢尾和菖蒲。
4.如权利要求1所述的景观水体修复处理生态浮床装置，其特征在于，浮床浮体为材质为聚苯乙烯泡沫板。
5.如权利要求1所述的景观水体修复处理生态浮床装置，其特征在于，浮床浮体表面包覆设置有一层多孔泡棉。
6.如权利要求1所述的景观水体修复处理生态浮床装置，其特征在于，种植篮篮口面积占整个浮床浮体面积的70%。
7.如权利要求1所述的景观水体修复处理生态浮床装置，其特征在于，电极包括沿周向设置在种植篮内壁上端形成环形的阳极，还包括位于种植篮内底面的形成圆形的阴极；
电极采用石墨材料制得。
8.如权利要求1所述的景观水体修复处理生态浮床装置，其特征在于，填料采用孔隙率大于80%，粒径3-6mm大小的填料；
填料包括下层填料和上层填料，下层填料为珍珠岩填料，上层填料为火山岩或沸石填料。
9.如权利要求1所述的景观水体修复处理生态浮床装置，其特征在于，微型电极由分布在填料内的负载有金属成分的生物质炭颗粒构成。
10.如权利要求9所述的景观水体修复处理生态浮床装置，其特征在于，生物质炭颗粒中负载的金属成分为钛和锡；
生物质炭颗粒投加比例按照填料体积的10%-20%比例投加，并和填料混合均匀形成微型电极；
生物质炭颗粒为3-6mm粒径。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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