CN208527687U - 一种依靠植物驱动传质的植物生物电化学原位修复装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种依靠植物驱动传质的植物生物电化学原位修复装置，是基于SMES的一种改进。首先，选用碳材料作为阳极和阴极；将SMES系统制成桶状成品装置：将阳极粘在一个高分子聚合物材料管一端，将挺水植物用沙土或其他滤料种植于桶型结构中，阴极置于桶内上附水中；本实用新型可以通过SMES，利用微生物分解沉积物中有机污染物的同时生产电能的效果。利用植物蒸腾吸水作用，带动了有机污染物在沉积物或土壤中的传质运动，利用SMES和植物根际对污染物进行净化。本实用新型运行60天后，对阳极表面有机污染物去除率可达约80％，同时对阳极外2‑10cm的沉积物或土壤的有机物有约55％去除效果；大大提高了SMES对沉积物或土壤的修复能力。

Description

一种依靠植物驱动传质的植物生物电化学原位修复装置

技术领域

本实用新型涉及一种土壤或浅滩湿地、河流湖泊沉积物等水体的生态修复和产能装置。

背景技术

随着我国的城市化工业化建设，城市和工业区土壤或沉积物有机物污染日益严重，农药、多环芳烃、多氯联苯、洗涤剂等有机污染物在工业区土壤中均超标严重。由于土壤有机物污染引起的疾病和环境公害事件屡见不鲜。

土壤或沉积物中的有机污染物可直接被人体摄入，甚至可能在体内积累，影响人体生化和生理反应，从而影响新陈代谢、发育和生殖功能，还可能影响人的智力发育水平，破坏神经系统和内分泌系统。人体内有机污染物可能促进肿瘤的生长，癌症发病率增加。土壤或沉积物有机污染物可直接破坏土壤或沉积物的正常功能，并可通过植物的吸收和食物链的积累，进而危害人类健康。土壤有机污染物对土壤动物的新陈代谢、遗传特性和对植物的生长发育的影响，破坏生态环境，从而间接危害人类健康。土壤有机物污染与大气污染、水污染等环境问题密切相关。土壤或沉积物有机污染物容易在风力和水力的作用下进入到大气和水体中，导致大气污染、水体污染和生态系统退化等其他次生生态问题。

沉积物微生物电化学系统(SMES，Sediment Microbial ElectrochemicalSysteml)是一种新型生物电化学系统，是在电化学技术基础上发展起来的以微生物在阳极降解有机污染物的同时产生电能的一种装置。SMES克服了传统污染物生物处理过程的缺点，其最大的优势在于处理污染物的同时可以获得电能，从而抵消处理过程中的部分运行成本。虽然SMES能很好的去除沉积物或土壤中的有机物，但是受到其中的有机污染物传质速度缓慢的局限，去除效果仅限于阳极附近的土壤或沉积物，有关报道指出，SMES对阳极表面有机污染物去除效果可达90％以上，但对距阳极1-5cm仅有不到40％的去除效果，对更加远离SMES阳极的位置作用甚微。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种依靠植物驱动传质的植物生物电化学原位修复装置，是基于SMES的一种改进，且经济实用。本实用新型适用范围非常广泛，例如受到原料污染化工厂，油田，农药过度使用的农田，受污染河湖水浸泡的自然河坡，湖泊浅滩，自然湿地等地利用本实用新型的新型SMES，可以高效，廉价的修复土壤或沉积物污染，去除有机污染物，保护环境同时产生电能。

为了解决上述技术问题，本实用新型提出的一种依靠植物驱动传质的植物生物电化学原位修复装置，包括高分子聚合物材料管，所述高分子聚合物材料管的底部设有阳极，所述高分子聚合物材料管的顶部设有阴极，自所述阳极的一端经过所述高分子聚合物材料管的外部至所述阴极之间连接有导线，所述导线上串联有小功率用电器或是电能储存器或是电阻。

进一步讲，所述依靠植物驱动传质的植物生物电化学原位修复装置，其中，所述阳极和所述阴极的材料均选用石墨毡、碳毡和碳布中的一种。

所述阳极的形状为与所述高分子聚合物材料管内径配合的圆形，所述阳极与所述高分子聚合物材料管之间采用粘接。

所述阴极表面上涂有铂碳催化剂。

所述小功率用电器的功率为1mW至100mW。

所述小功率用电器是原位水质监测仪器。

所述电阻是10至3000欧姆的可调电阻或固定阻值电阻。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型装置是对传统SMES的一种革命性的创新和改进。通过加入有机玻璃管和挺水植物，利用植物对管内沙土水分的吸收，管下阳极内外产生渗透压差，使得阳极外的间隙水流动(阳极是大比表面积、透水材料)，带动有机污染物连续的流过阳极，使阳极生物膜可以不间断降解有机物并产电，供阳极微生物降解的基质得到持续的补充，达到更佳的共代谢去除污染物的效果，克服了传统SMES的污染物传质缓慢，只能降解阳极表面污染物的难题。与此同时，原SMES分为阴极，阳极，导线等许多零件，安装搭建复杂。本实用新型装置可以制成独立的整体产品，可以集中大规模生产后，用于大面积土壤或实地浅滩的污染物修复。

附图说明

图1是本实用新型依靠植物驱动传质的植物生物电化学原位修复装置的示意图；

图2是利用本实用新型进行修复实验处理期间的产电情况；

图3是利用本实用新型进行修复后的有机污染物多环芳烃的去除率。

图中：1-阳极，2-阴极，3-水，4-受污染土壤或沉积物，5-植物根际，6-高分子材料管，7-挺水植物，8-导线，9-小功率用电器或是电能储存器或是电阻，10-沙土或滤料。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本实用新型进行解释说明，并不用以限制本实用新型。

本实用新型提出的一种依靠植物驱动传质的植物生物电化学原位修复装置，如图1所示，该装置包括高分子聚合物材料管6，所述高分子聚合物材料管6的底部设有阳极1，所述高分子聚合物材料管6的顶部设有阴极2，自所述阳极1的一端经过所述高分子聚合物材料管6的外部至所述阴极2之间连接有导线8，所述阳极1和所述阴极2的材料均选用石墨毡、碳毡和碳布中的一种。所述阳极1的形状为与所述高分子聚合物材料管6内径配合的圆形，所述阳极1与所述高分子聚合物材料管6之间采用粘接。所述阴极2表面上涂有铂碳催化剂。所述导线8上串联有小功率用电器或是电能储存器或是电阻，所述小功率用电器的功率为1mW至100mW，所述小功率用电器是原位水质监测仪器，所述电阻是10至3000欧姆的可调电阻或固定阻值电阻。

利用上述依靠植物驱动传质的植物生物电化学原位修复装置的修复方法包括以下步骤：

步骤一、向所述高分子聚合材料管6中注水3或是供植物生长的营养盐溶液，将挺水植物7置于所述高分子聚合物材料管6中，并使所述挺水植物7的根部位于所述阳极1的上表面附近，所述挺水植物7的根部与所述阳极1的上表面之间的距离为0～5cm；然后用沙土或滤料10埋住所述挺水植物7的根部5并至茎部以上；

步骤二、将上述种植有挺水植物7的高分子聚合材料管6埋置于预修复的由受污染水体浸泡的沉积物或土壤4中。所述高分子聚合材料管6的顶端高于受污染水体的水面12，若修复的是受污染的土壤，则所述高分子聚合材料管6内的水或是供植物生长的营养盐溶液的界面11低于受污染湿地水体的水面12，若修复的受污染的沉积物，则没有该要求。

实验例：

装置的搭建和组装：选用厚度为5mm的碳毡作为阳极1和阴极2的材料，将阳极1裁剪成10cm直径的圆形，在阳极1中穿入0.5mm直径的钛丝的导线8，用环氧树脂胶将阳极1黏于一个外径为10cm，高20cm的聚碳酸酯(PC)管(即高分子聚合物材料管6)的一端。用重物压住静止24h，待粘合剂干燥，粘合紧密。将大小适宜的挺水植物(例如黄菖蒲)种植在该管内，使根尖位于阳极1的上表面，用平均粒径0.1mm的河沙埋至茎部，在该管内灌注蒸馏水(即水3)，其中，河沙深度为7cm，水深度5cm，将阴极2剪裁成4cm*10cm的长方形，同样用钛丝导线贯穿，并在一面涂上铂碳催化剂，待铂碳催化剂在阴极2表面干燥，将阴极2浸没于水中。将阴极2一端的导线和阳极一端的导线用一个1000欧姆的外接电阻串联。

用一个直径25cm，高20cm的塑料桶，装有水分饱和的有机物污染沉积物，沉积物过2mm筛，有机污染物选取多环芳烃菲和芘，均匀在土壤中染毒，菲和芘的浓度为1.5mg/kg。将上述组装好的装置埋于沉积物中，掩埋深度为8cm，管外的土壤高11cm。将整个装置放在自然光照下，通风良好，温度等适宜植物生长。

同时，设置现有技术中的装置(即原构型)作为对照组，其中，阳极，阴极，电阻等元件制备方法及位置，组装等均与上述搭建的本实用新型的装置中的基本相同，但缺少聚碳酸酯管和植物。

实验处理期间的产电情况，通过一个高效电池检测系统(深圳新威尔有限公司生产型号为BTS-5V10mA)分别对本实用新型的装置和原构型的装置的外接电阻两端的电压进行检测，每10分钟读取一个电压数据。

如图2所示，实验结果表明，在装置稳定运行期间，本实用新型装置的产电效率比原构型的装置高出约30-50％。电池是利用有机物和污染物作为原料产电，因此，更高的产电代表了更高效率的有机污染物去除。不同深度有机污染物质多环芳烃的含量测定也显示，本实用新型装置具有更高效的去除效果(其中菲去除率高34％，芘去除率高22％)。因此，通过实验证实了本实用新型装置的作用明显优于原构型，如图3所示。

本实用新型提出的依靠植物驱动传质的植物生物电化学原位修复装置采用的是一种新型的SMES制作方法，对传统SMES进行了改进。通过加入高分子聚合物材料管(如有机玻璃管)和挺水植物，利用植物对管内沙土或是滤料水分的吸收，位于该管底部的阳极内外产生渗透压差，使得阳极外的间隙水流动(阳极是大比表面积、透水材料)，带动有机污染物连续的流过阳极，使阳极生物膜可以不间断降解有机物并产电，供阳极微生物降解的基质得到持续的补充，达到更佳的共代谢去除污染物的效果；采用本实用新型装置进行修复，克服了传统SMES的污染物传质缓慢，只能降解阳极表面污染物的难题。

与此同时，由于现有技术中的SMES的搭建没有容器，主要包括阴极，阳极和导线等许多零件，安装搭建复杂。而本实用新型的装置具有一个容器，因此可以制成独立的成套产品，可以集中大规模生产，用于大面积土壤或实地湿地浅滩湖泊河道等的污染物原位修复。

尽管上面结合附图对本实用新型进行了描述，以上所述仅为本实用新型的一种实用案例，并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以做出很多变形，诸如用于湿地，湖泊，河流护坡，海洋浅海或海滩等地方，构型方面，如有应用植物吸水产生渗透压的类似原理的构型。这些改进和变形均属于本实用新型的保护之内。

Claims (7)

1.一种依靠植物驱动传质的植物生物电化学原位修复装置，其特征在于，包括高分子聚合物材料管(6)，所述高分子聚合物材料管(6)的底部设有阳极(1)，所述高分子聚合物材料管(6)的顶部设有阴极(2)，自所述阳极(1)的一端经过所述高分子聚合物材料管(6)的外部至所述阴极(2)之间连接有导线(8)，所述导线(8)上串联有小功率用电器或是电能储存器或是电阻。

2.根据权利要求1所述依靠植物驱动传质的植物生物电化学原位修复装置，其特征在于，所述阳极(1)和所述阴极(2)的材料均选用石墨毡、碳毡和碳布中的一种。

3.根据权利要求1所述依靠植物驱动传质的植物生物电化学原位修复装置，其特征在于，所述阳极(1)的形状为与所述高分子聚合物材料管(6)内径配合的圆形，所述阳极(1)与所述高分子聚合物材料管(6)之间采用粘接。

4.根据权利要求1所述依靠植物驱动传质的植物生物电化学原位修复装置，其特征在于，所述阴极(2)表面上涂有铂碳催化剂。

5.根据权利要求1所述依靠植物驱动传质的植物生物电化学原位修复装置，其特征在于，所述小功率用电器的功率为1mW至100mW。

6.根据权利要求1所述依靠植物驱动传质的植物生物电化学原位修复装置，其特征在于，所述小功率用电器是原位水质监测仪器。

7.根据权利要求1所述依靠植物驱动传质的植物生物电化学原位修复装置，其特征在于，所述电阻是10至3000欧姆的可调电阻或固定阻值电阻。