CN209442737U

CN209442737U - 一种内电解沉水植物床装置

Info

Publication number: CN209442737U
Application number: CN201821859149.5U
Authority: CN
Inventors: 谢博伦; 吴燕; 宋海亮; 杨小丽
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2019-09-27
Anticipated expiration: 2028-11-12

Abstract

本实用新型公开内电解沉水植物床装置，包括填料层、镶嵌种植在所述填料层中的沉水植物、设置在填料层上的固定化小球藻、包裹在填料层外围的阴极、设置在填料层下表面的内电解装置、设置在内电解装置下方的底泥、嵌入所述底泥中的阳极网，所述填料层和阳极网之间设置有竖向并间隔排列的多个微生物层。本装置结构合理，充分利用水中碳源，强化冬季脱氮；微生物燃料电池修复深层水体及底质，其产生电场能够增大内电解微电池电位差，加快反应速率；形成良好的好氧‑缺氧‑厌氧环境，强化污染物去除效果。

Description

一种内电解沉水植物床装置

技术领域

本实用新型属于生态修复污染水体的水质净化技术领域，具体涉及一种内电解沉水植物床装置。

背景技术

由于经济快速发展，大量难降解污染物持续排放，污染物以大气沉降、污水排放、雨水淋溶与冲刷等方式进入水体，长期威胁水生生态系统。浮床作为一种兼水质处理和景观效果为一体的处理技术，在水体生态修复中得到了广泛的应用。目前浮床发展仍存在诸多问题：冬季气温较低，植物难以成活，微生物活性低，导致浮床处理效果较差；浮床植物一般浮于河道表面，上层水体处理效果较好，但下层水体及底泥的处理效果有待提升。耦合微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)的沉水植物床从组合生态浮床的协同优化角度出发，强化了浮床植物根际效应和浮床微生物特别是产电细菌及污染物降解细菌的富集及固定化，提高复合系统的难降解性有机物的净化效能及产电性能。用碳纤维膜取代传统外接导线，将上层空气阴极与下层嵌入底泥的厌氧阳极有机耦合在一起形成微生物燃料电池，实现水质和底质的协同净化。

铁碳内电解是一种高效物理化学水处理技术，它结构简单、成本低廉、抗冲击负荷强、环境效益好，可有效改善废水可生化性、提高污染物去除效率。铁碳内电解与沉水植物床耦合，能够有效提高冬季微生物活性，弥补冬季因温度下降导致植物净化功能减弱的缺陷，强化沉水植物床脱氮效果。内电解可分担一部分MFC的污染物处理负荷；MFC产生的电场也能增大内电解电极极化作用，增大电极电位差，加快污染物降解速率。

有研究表明，沉水植物的恢复与重建是水质得到改善与稳定的关键。沉水植物枝叶密集，与水体接触面积大，可吸附水中的悬浮颗粒；可分泌助絮物质，促进中小颗粒沉降，提高水体透明度；好氧根系环境也可修复底泥、减少氮磷释放。针对浮床脱氮效率不高的问题，以往主要采用固定化微生物或者曝气的方式，但传统曝气能耗大，装置复杂。而小球藻是一种高效的光合植物，以光合自养生长繁殖，分布极广，且对水中溶解氧的提升率可达40％，而固定化小球藻作为一种新型藻类固定方式，生长周期长，可防止藻类的流失，实现重复利用，同时有利于上层好氧环境的形成。利用小球藻极强的泌氧功能和底泥的厌氧环境，在水体中形成自上而下的好氧-缺氧-厌氧环境，有利于硝化与反硝化作用的发生，实现不同深度水体的净化。

实用新型内容

发明目的：本实用新型提供一种冬季处理效果好，反应速率快，强化污染物去除效果，能充分利用水中碳源，提高内电解效率的内电解沉水植物床装置。

技术方案：本实用新型的内电解沉水植物床装置，包括填料层、镶嵌种植在所述填料层中的沉水植物、设置在填料层上的固定化小球藻、包裹在填料层外围的阴极、设置在填料层下表面的内电解装置、设置在内电解装置下方的底泥、嵌入所述底泥中的阳极网，所述填料层和阳极网之间设置有竖向并间隔排列的多个微生物层。

进一步的，本实用新型的装置还包括通过四周支架固定渔网形成的外围结构。

进一步的，本实用新型装置中，所述内电解装置为铁碳填料制成，垂直于微生物层，内电解装置上表面设置有与微生物层相连的不锈钢网，内电解装置下表面设置有与四周支架相接的底板。

进一步的，本实用新型装置中，所述铁碳填料包括活性炭和铁屑，铁碳比为2∶1～4∶1。

进一步的，本实用新型装置中，所述微生物层由碳纤维膜构成。

进一步的，本实用新型装置中，所述沉水植物具有复氧功能，为黑藻、苦草中的一种或几种。

进一步的，本实用新型装置中，所述固定化小球藻采用海藻酸钙包埋法制备得到，固定化小球藻的胶球细胞负荷为1×10⁶～10×10⁶个藻细胞/球，固定化小球藻固定在直径为2～3mm的胶球中，均匀分布在填料层之上。

进一步的，本实用新型装置中，所述阴极和所述阳极网所用材料为活性炭毡、不锈钢丝网、碳布或石墨毡。

进一步的，本实用新型装置的底面为正方形结构，边长为2～3m。

进一步的，本实用新型装置中，所述填料层为活性炭，厚度为10～20cm。

本实用新型的实施例中，内电解沉水植物床装置由微生物燃料电池沉水植物床和内电解装置耦合而成，所述内电解沉水植物床装置的内部结构从上至下包括填料层、镶嵌种植在填料层中的沉水植物和固定化小球藻，包裹在填料层外围的阴极、内电解装置、微生物层、阳极网和底泥，所述内电解装置设置在填料层的下表面，所述微生物层间隔设置在填料层和阳极网的中间，所述阳极网嵌入底泥中，所述内电解沉水植物床装置的外围结构由渔网通过四周支架固定而成。

其中，上述内电解装置为铁碳填料制成。该铁碳填料主体是活性炭和铁屑，铁碳比为2∶1～4∶1。

其中，上述微生物层由碳纤维膜组成，微生物层个数可以为3～5个。

其中，上述沉水植物为具有复氧功能的沉水植物，为黑藻、苦草中的一种或几种，具体的植物选取应根据当地情况，选择适宜种植、且具有复氧能力的藻类，通过藻类富集氧气，有利于创造上层的好氧环境，有利于有机污染物的去除。

其中，上述固定化小球藻采用海藻酸钙包埋法，胶球细胞负荷为1×10⁶～10×106个藻细胞/球，固定化胶球直径为2～3mm，均匀分布在填料层之上。

其中，上述阴极及所述阳极网所用材料为活性炭毡、不锈钢丝网、碳布或石墨毡中的一种，与碳纤维膜相连，埋在泥水分界面之下5cm处，利用底泥与水之间天然的泥水分界线，分隔开阴阳极室。

其中，上述内电解沉水植物床装置底面为正方形结构，边长为2～3m，其高度视河道水深而定。

其中，上述填料层为活性炭，厚度为15cm，周围为一圈不锈钢阳极，填料以亚克力板作为底板，底板与四周支架相接。不锈钢阴极表面可形成一层生物膜，有利于增大电流密度，利用微生物来协助阴极的氧化还原反应。

其中，上述内电解装置高度为10cm，共设四段，垂直于微生物层即碳纤维膜放置，以亚克力板作为底板与四周支架相接。

其中，该内电解沉水植物床装置四周由四根轻质亚克力板框架组成，四面为渔网，与亚克力板和不锈钢阴极连接。采用轻质固定材料，既能保证床体漂浮，也能防止沉水植物、碳纤维膜等随水流飘走。

本实用新型是一种具备好氧-缺氧-厌氧环境的浮床，通过碳纤维膜为微生物富集提供载体，同时依靠其巨大的比表面积，吸附水中的污染物质。本装置结构合理，充分利用水中碳源，强化冬季脱氮；微生物燃料电池修复深层水体及底质，其产生电场能够增大内电解微电池电位差，加快反应速率；形成良好的好氧-缺氧-厌氧环境，强化污染物去除效果。本实用新型的内电解沉水植物床装置中设置内电解层即内电解装置，在上层形成铁碳微电极，充分利用水中碳源，强化水质处理能力，提高冬季水处理效果；设置沉水植物床，利用沉水植物创造好氧环境，同时利用其产生的分泌物抑制藻类产生；利用固定化小球藻高效复氧能力，实现上层水体复氧；利用碳纤维膜代替传统的外接导线，构成MFC耦合型沉水植物床，处理深层水体，形成好氧-缺氧-厌氧环境，为微生物的富集提供载体，有助于硝化与反硝化，并形成电场，增大内电解电极电势差，提高内电解效率。本实用新型内容还包括一种内电解沉水植物床装置在污水处理方面的应用。

有益效果：根据技术特点，形成修复污染水体的新型内电解沉水植物床装置，相对于现有技术，本实用新型具有以下优点：

MFC与内电解层优势互补：内电解层能分担MFC一部分处理负荷，MFC产生的电场也能够作用于内电解层，加强极化作用，内电解微电池电位差增大，电化学反应速率增大，从而提高内电解法的处理效率，缩短内电解法处理所需要的时间。

冬季强化脱氮：所设铁碳填料能够形成腐蚀微电极结构，增加微生物多样性，强化冬季微生物活性，提高冬季水处理效果。

复氧作用强：利用固定化小球藻极强的复氧能力，实现藻类的固定，在上层形成良好的好氧环境，同时提高MFC阴极氧化还原电位，增大电位差。

碳纤维膜多功能作用：碳纤维膜既作为连接阴阳极的导体，同时又作为微生物的良好载体，且其巨大的比表面积可对水中杂质起到吸附作用。

好氧-缺氧-厌氧环境：由上层复氧的阴极，中间缺氧的微生物层和底部的底泥阳极层形成了良好的好氧-缺氧-厌氧环境，有利于硝化与反硝化。

环境友好：所采用的材料如碳纤维膜、渔网等均为环境友好型材料，不会对环境造成二次污染；利用底泥中的有机质作为阳极电子供体，既能修复底泥，充分利用污染物质，也不需另加有机物等电子供体。

附图说明

图1是本实用新型的内电解沉水植物床装置的主视图；

图2是本实用新型的内电解沉水植物床装置的俯视图；

图3是本实用新型的内电解沉水植物床装置的剖面图。

图中有：沉水植物1、阴极2、渔网3、四周支架4、底泥5、阳极网6、微生物层7、内电解装置8、填料层9、固定化小球藻10、不锈钢网11、底板12。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本实用新型作进一步的说明。

实施例1：

一种内电解沉水植物床，是一种修复水体、净化河水的实验装置。该植物床主要分为上、中、下三层结构。上层分为填料层9和内电解装置8，填料层9设置15cm厚的活性炭填料，外围设置一圈不锈钢网2，填料层9中设固定化小球藻10和沉水植物黑藻，内电解装置8即内电解层的基质为铁碳材料，铁碳比为2∶1，厚度为10cm，内电解层下表面设置有亚克力板作为底板12与四周支架4相接，该底板12分四段垂直于微生物层7排列；中层是三张平行排列的微生物层7，其长度为2m，宽度为2m；下层是20cm×20cm×5mm的不锈钢网6，通过导线与微生物层7连接；装置外围是四周支架4与渔网3连接构成，四周支架4为四根用于固定的亚克力板制成。整个装置通过内电解作用，微电场作用，吸附作用，微生物作用，植物作用净化水质，实现对不同季节、不同深度水体的综合处理。本实用新型的装置放置在污染水体中，上层内电解装置形成腐蚀电极，能够较好利用水体碳源，冬季低温条件下，脱氮效果良好。填料层9上设置固定化小球藻10、采用海藻酸钙包埋法，胶球细胞负荷为5×10⁶个藻细胞/球，固定化胶球直径为3mm，均匀分布在填料层之上；种植沉水植物黑藻，具有复氧的作用，能够产生大量氧气，提高阴极的氧化还原电位，强化脱氮。借助沉积物中具有电化学活性的微生物催化作用，氧化有机物以获得电能，去除有机物。有机物被氧化后生成二氧化碳、质子和电子，电子通过微生物层7传递到阴极，并与氧气发生还原反应，不断减少；中部微生物层7能够富集微生物，水体经过微生物层7时，能够被微生物利用，对水体进行净化。同时，微生物层7利用其巨大的比表面积吸附水中污染物质。上中下三层形成了好氧-缺氧-厌氧环境，有助于硝化、反硝化反应的发生，以及磷的吸收与释放。微生物燃料电池产生的微电场也有利于改善水体环境，有助于水质的净化。

实施例2：

一种内电解沉水植物床装置，由微生物燃料电池沉水植物床和内电解装置耦合而成，该内电解沉水植物床装置的内部结构从上至下包括填料层9、镶嵌种植在填料层9中的沉水植物1和固定化小球藻10，包裹在填料层9外围的阴极2、内电解装置8、微生物层7、阳极网6和底泥5，内电解装置8设置在填料层9的下表面，微生物层7间隔设置在填料层9和阳极网6的中间，所述阳极网6嵌入底泥5中，内电解沉水植物床装置的外围结构由渔网3通过四周支架4固定而成。内电解装置8为铁碳填料制成，高度为10cm，共设四段，垂直于微生物层7，以亚克力板作为底板12与四周支架4相接。铁碳填料主体是活性炭和铁屑，铁碳比为4∶1。5个间隔设置的微生物层7均由碳纤维膜组成。沉水植物1为具有复氧功能的沉水植物苦草。固定化小球藻10采用海藻酸钙包埋法，胶球细胞负荷为1×10⁶个藻细胞/球，固定化胶球直径为2～3mm，均匀分布在填料层9之上。阴极2和阳极网6所用材料均为活性炭毡。内电解沉水植物床装置底面为正方形结构，边长为3m；上层填料层9为活性炭，厚度为10cm。

实施例3：

一种内电解沉水植物床装置，由微生物燃料电池沉水植物床和内电解装置耦合而成，该内电解沉水植物床装置的内部结构从上至下包括填料层9、镶嵌种植在填料层9中的沉水植物1和固定化小球藻10，包裹在填料层9外围的阴极2、内电解装置8、微生物层7、阳极网6和底泥5，内电解装置8设置在填料层9的下表面，所述微生物层7间隔设置在填料层9和阳极网6的中间，阳极网6嵌入底泥5中，内电解沉水植物床装置的外围结构由渔网3通过四周支架4固定而成。内电解装置8为铁碳填料制成，高度为10cm，共设四段，垂直于微生物层7，以亚克力板作为底板12与四周支架4相接。铁碳填料主体是活性炭和铁屑，铁碳比为3∶1。4个间隔设置的微生物层7均由碳纤维膜组成。沉水植物1为具有复氧功能的沉水植物苦草和黑藻。固定化小球藻10采用海藻酸钙包埋法，胶球细胞负荷为10×10⁶个藻细胞/球，固定化胶球直径为2～3mm，均匀分布在填料层9之上。阴极2和所述阳极网6所用材料均为石墨毡。内电解沉水植物床装置底面为正方形结构，边长为3m；上层填料层9为活性炭，厚度为10cm。

实验例4：

采用本实用新型的实施例1、实施例2、实施例3的内电解沉水植物床装置进行人工配水的污水处理。

进水参数设计：采用人工配水，进水COD为50mg/L氨氮为7mg/L；有机氮为3mg/L；总磷为1mg/L。

反应器方案设计：实验水槽为塑料水箱，体积为1.0m×0.8m×0.7m，实验有效体积为0.4m³，即400L。实验设置2组。1组设置为本实用新型实施例1中的新型内电解沉水植物床；2组设置为微生物燃料电池耦合沉水植物床装置，该植物床体积也为1.0m×0.8m×0.7m，上层铺设不锈钢丝网，在不锈钢丝网上种植黑藻，导电材料下方挂富集微生物的阿科蔓生态基，泥水分界面下方5cm处放置不锈钢网，通过带有负载的铜导线将上层不锈钢网和泥水分界面下的不锈钢网连接起来。分别观察二者在夏季和冬季情况下处理效果。

本实验平均水力停留时间为12小时，实验间歇进水周期为16天，平均每3天测样一次，每6天进行一次水样的更换，分别在夏季和冬季保持装置各运行三个月，期间保持原水和出水的水质监测，并记录COD、TN、TP等理化指标。在间歇进水实验期间，夏季运行时第1组实验装置COD去除率达到64.38％，比第2组高10％左右；第1组实验装置TN去除率达到55.92％，比2组高20％左右；TP去除率达到53.30％，比2组高15％左右。冬季运行时，第一组COD去除率达到47.92％，比第二组高15％左右；第一组TN去除率42.27％，比第二组高17％左右；第一组TP去除率40.22％，比第二组高15％左右。

Claims

1.一种内电解沉水植物床装置，其特征在于：该装置包括填料层(9)、镶嵌种植在所述填料层(9)中的沉水植物(1)、设置在填料层(9)上的固定化小球藻(10)、包裹在填料层(9)外围的阴极(2)、设置在填料层(9)下表面的内电解装置(8)、设置在内电解装置(8)下方的底泥(5)、嵌入所述底泥(5)中的阳极网(6)，所述填料层(9)和阳极网(6)之间设置有竖向并间隔排列的多个微生物层(7)。

2.根据权利要求1所述的一种内电解沉水植物床装置，其特征在于：该装置还包括通过四周支架(4)固定渔网(3)形成的外围结构。

3.根据权利要求2所述的一种内电解沉水植物床装置，其特征在于：所述内电解装置(8)为铁碳填料制成，垂直于微生物层(7)，内电解装置(8)上表面设置有与微生物层(7)相连的不锈钢网(11)，下表面设置有与四周支架(4)相接的底板(12)。

4.根据权利要求3所述的一种内电解沉水植物床装置，其特征在于：所述铁碳填料包括活性炭和铁屑，铁碳比为2∶1～4∶1。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种内电解沉水植物床装置，其特征在于：所述微生物层(7)由碳纤维膜构成。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的一种内电解沉水植物床装置，其特征在于：所述沉水植物(1)具有复氧功能，为黑藻、苦草中的一种或几种。

7.根据权利要求1、2、3或4所述的一种内电解沉水植物床装置，其特征在于：所述固定化小球藻(10)采用海藻酸钙包埋法制备得到，固定化小球藻(10)的胶球细胞负荷为1×10⁶～10×10⁶个藻细胞/球，固定化小球藻(10)固定在直径为2～3mm的胶球中，均匀分布在填料层(9)之上。

8.根据权利要求1、2、3或4所述的一种内电解沉水植物床装置，其特征在于：所述阴极(2)和所述阳极网(6)所用材料为活性炭毡、不锈钢丝网、碳布或石墨毡。

9.根据权利要求1、2、3或4所述的一种内电解沉水植物床装置，其特征在于，该装置底面为正方形结构，边长为2～3m。

10.根据权利要求1、2、3或4所述的一种内电解沉水植物床装置，其特征在于，所述填料层(9)为活性炭，厚度为10～20cm。