CN217173398U - 一种水体原位修复装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种水体原位修复装置，包括圆筒状的外壳，外壳内自下至上依次设置有阳极、复合基质和阴极，复合基质铺设在阳极上，阴极与复合基质顶面之间保持设定距离，复合基质包括叠放的藻类基质层和底泥基质层。本实用新型提升阳极的供电效率；可以适应不同水深的湖泊；缓解湖泊水体过深、电极之间距离大导致内阻过大的问题，在湖泊底泥和蓝藻藻类的废物利用的同时，实现更加高效和可持续的电子传递和能量转化，提高了工作效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及水体修复领域，尤其涉及一种水体原位修复装置。
背景技术
沉积物微生物燃料电池(SMFC)技术，是一种可将阳极区沉积物中的有机质分解并产生电能，新型生物修复技术。对于SMFC，研究热点已从单纯的产电效能转移到其它方面的应用，其中一个最有前景的应用就是污染治理。SMFC可以应用于环保领域有如下几个原因：(1)电极可以为微生物的自然降解过程提供一个清洁的、持续的、易于安装的、环境友好的电子受体或供体；(2)治理过程易于监测，并可调整电化学参数，具有良好的可控性；(3)它对水域系统的扰动很小，但却对减少水体甲烷的排放具有重大作用。具有这些明显的优势，基于生物电化学治理技术的SMFC技术发展迅速。
最常见的SMFC的设计是采用悬浮在上覆水中的空气阴极和置于沉积物中的生物阳极。尽管这种SMFC的构造非常简单并易于应用，但它可能会受超电势的影响，尤其是对于含盐量很低的湖泊淡水系统，会导致阳极的氧化还原电势过低，影响阳极区域沉积物中污染物的降解率。相比于水体的异位处理方式，将SMFC技术用于原位修复湖泊水体，将电极放入沉积物和上覆水中形成闭路，电极之间过大的间距会引起很大一部分欧姆内阻损耗，而在自然湖泊等水体条件下的厌氧沉积物与上覆水体表面的距离使得SMFC在修复过程中的阳极和阴极不可能过于接近，这就大大限制了SMFC技术在较深水体中的应用。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服上述现有技术的上述不足，提供一种水体原位修复装置。
为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供以下技术方案：
一种水体原位修复装置，包括圆筒状的外壳，外壳内自下至上依次设置有阳极、复合基质和阴极，复合基质铺设在阳极上，阴极与复合基质顶面之间保持设定距离，复合基质包括叠放的藻类基质层和底泥基质层。
如上所述阴极的顶面暴露在空气中，阳极位于外壳底面。
如上所述外壳内壁沿外壳轴向方向依次设置有多个卡扣，阴极与卡扣可拆卸连接。
如上所述阳极与风光互补系统的蓄电池的正极连接，阴极与可调节电阻一端连接，可调节电阻另一端与风光互补系统的蓄电池的负极连接。
如上所述阳极和外壳之间以及阴极和外壳之间均留有过水间隙。
如上所述阳极的面积为0.5m2～1.5m2；阴极的面积为0.5m2～1.5m2。
如上所述复合基质的藻类基质层和底泥基质层交替叠放，复合基质最下层的底泥基质层与阳极接触。
本实用新型相对于现有技术，具有以下有益效果：
本实用新型的复合基质包括藻类基质层和底泥基质层，利用藻类基质层的藻类在降解过程中的产生的小分子有机物，提升阳极的供电效率；阴极与不同高度的卡扣可拆卸连接，可以适应不同水深的湖泊；通过风光互补系统的蓄电池和可调节电阻，可以缓解湖泊水体过深、电极之间距离大导致内阻过大的问题，同时风光互补系统的蓄电池可以将太阳能和风能转化为电能，与阳极和阴极互相耦合，可以实现更加高效和可持续的电子传递和能量转化；而且可以广泛利用湖泊风力发电弥补夜间太阳能的不足；采用空气阴极，将空气中的氧气作为阴极的主要电子受体，电子受体来源丰富，具有无二次污染、成本低的优势。在湖泊底泥和蓝藻藻类的废物利用的同时，实现更加高效和可持续的电子传递和能量转化，提高了工作效率，有效地去除了富营养湖泊水体中总氮(TN)、氨氮(NH4 +)及总有机物(TCOD)等污染物质。实施例的结果显示对总氮(TN)、氨氮(NH4 +)去除率高达95％以上，对总有机物(TCOD)去除率高达70％以上。
附图说明
图1为本实用新型的立面图；
图2为本实用新型的剖面图；
附图中，各标号所代表的部件名称如下：
1、复合基质，2、外壳，3、阳极，4、阴极，5、蓄电池，6、可调节电阻，7、导线，8、卡扣。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本实用新型，下面结合实例对本实用新型作进一步的详细描述，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本实用新型，并非是对本实用新型的限制。
实施例1：
一种水体原位修复装置，包括圆筒状的外壳2，外壳2内自下至上依次设置有阳极3、复合基质1和阴极4，复合基质1铺设在阳极3上，阴极4与复合基质1顶面之间保持设定距离，复合基质1包括叠放的藻类基质层和底泥基质层。阴极4的顶面暴露在空气中，阳极3位于外壳2底面。阳极3和外壳2之间以及阴极4和外壳2之间均留有过水间隙。
藻类基质层和底泥基质层的厚度比为1：3～5，优选1:4。藻类基质层为蓝藻基质层，更优选的，藻类基质层为铜绿微囊藻基质层或小球藻基质层。底泥基质层为湖泊的上表层5～15cm的底泥，更优选为8～12cm的底泥。其有机质含量为20g/kg～50g/kg，更优选为30g/kg～40g/kg。氧化还原电位为-100mv～-400mv，更优选为-200mv～-300mv。在本实用新型中，所述底泥基质层和藻类基质层混合使用，一方面可以进一步提高阳极接触的有机物含量，增加电子供体的数量，另一方面也可以达到废物进行二次利用的目的。
外壳2内壁沿外壳2轴向方向依次设置有多个卡扣8，阴极4与卡扣8可拆卸连接，作为一种优选方案，阴极4上设置有与卡扣8对应的卡孔，阴极4通过卡孔扣设在卡扣8上。阳极3与风光互补系统的蓄电池5的正极连接，阴极4与可调节电阻6一端连接，可调节电阻6另一端与风光互补系统的蓄电池5的负极连接，风光互补系统为现有商业模块。
外壳2采用不导电的PVC材料制成，可以通过内部的PVC材料的卡扣8来调节阴极4与复合基质1之间的垂直间距。这一方面使本实用新型可适应不同水深深度的湖泊，扩大适用范围，另一方面是可以通过控制阳极与阴极之间的间距，来降低整体的欧姆内阻，而风光互补系统的蓄电池与可调节电阻是为了解决电极间距过大导致的整体的欧姆内阻偏高效率过低的问题，通过蓄电池与阳极和阴极互相耦合可以实现更加高效和可持续的电子传递和能量转化，同时本实用新型的阴极直接暴露于空气中，使空气中的氧气直接传递给阴极，降低了由阴极过电势导致的内阻，阳极采用碳布，这些都有助于增强产电效率，提升对湖泊水体污染物的去除效果。
阳极3的面积为0.5m2～1.5m2，优选为1m2；阴极4的面积为0.5m2～1.5m2，优选为1m2。
作为一种实施方案，复合基质1的藻类基质层和底泥基质层各一层，底泥基质层铺设在阳极3上，藻类基质层铺设在底泥基质层上。
作为另一种实施方案，复合基质1的藻类基质层和底泥基质层交替叠放，复合基质1最下层的底泥基质层与阳极3接触。
在本实用新型中，湖泊底泥及复合基质中均含有产电细菌，产电细菌与阳极接触，由于目前已知的产电细菌，包括如杆菌、假单胞菌属、红玉菌属、希瓦氏菌属、乳球菌属、大肠埃希氏菌属等具有电化学活性的细菌，以及古细菌及真菌，大部分是专性或者兼性厌氧细菌，只有少部分为好氧微生物，而微生物的丰度在湖泊底泥上表层最为丰富，合适的复合基质的装填高度是为了保持阳极反应处于厌氧环境，保持微生物代谢活性，获得最大的阳极产电效率。
实施例2：
一种水体原位修复的方法，利用实施例1所述一种水体原位修复的装置，包括以下步骤：
步骤1、构筑装填有复合基质的水体原位修复的装置；所述复合基质在外壳内的装填高度为10～20cm；
步骤2、将水体原位修复的装置固定在湖泊水体中，外壳底部嵌入到湖泊底泥中，阳极的底面与湖泊底泥接触，通过微生物反应产生的电流流动，直接对水体进行净化。
实施例3：
在实施例2所述一种水体原位修复的方法的基础上，底泥基质层的原材料来自武汉市某富营养化湖泊上表层底泥。藻类基质层为铜绿微囊藻基质层。底泥基质层和藻类基质层厚度比例为4:1。复合基质装填厚度为20cm。
阳极和阴极的间距根据湖泊水深调整至合适距离100cm，可调节电阻初始设定为1000Ω，风光互补系统的蓄电池的输出参数为5V/60mA。岸上组装水体原位修复的装置完毕后，用船运送至湖泊中适合地点固定好，水体原位修复的装置的壳体底部的阳极要深入湖泊底泥10cm左右，水体原位修复的装置开始试运行，对湖泊水体进行净化，待水体原位修复的装置运行20d后，利用外用万能表测定水体原位修复的装置的电压及电流情况，根据实际情况调整可调节电阻的电阻大小，以及风光互补系统的蓄电池串联个数。实施例的实验室结果显示：对总氮(TN)、氨氮(NH4 +)去除率高达95％以上，对总有机物(TCOD)去除率高达70％以上。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对本实用新型保护范围的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明及思路的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种水体原位修复装置，包括圆筒状的外壳(2)，其特征在于，外壳(2)内自下至上依次设置有阳极(3)、复合基质(1)和阴极(4)，复合基质(1)铺设在阳极(3)上，阴极(4)与复合基质(1)顶面之间保持设定距离，复合基质(1)包括叠放的藻类基质层和底泥基质层。
2.根据权利要求1所述的一种水体原位修复装置，其特征在于，所述阴极(4)的顶面暴露在空气中，阳极(3)位于外壳(2)底面。
3.根据权利要求1所述的一种水体原位修复装置，其特征在于，所述外壳(2)内壁沿外壳(2)轴向方向依次设置有多个卡扣(8)，阴极(4)与卡扣(8)可拆卸连接。
4.根据权利要求1所述的一种水体原位修复装置，其特征在于，所述阳极(3)与风光互补系统的蓄电池(5)的正极连接，阴极(4)与可调节电阻(6)一端连接，可调节电阻(6)另一端与风光互补系统的蓄电池(5)的负极连接。
5.根据权利要求1所述的一种水体原位修复装置，其特征在于，所述阳极(3)和外壳(2)之间以及阴极(4)和外壳(2)之间均留有过水间隙。
6.根据权利要求1所述的一种水体原位修复装置，其特征在于，所述阳极(3)的面积为0.5m2～1.5m2；阴极(4)的面积为0.5m2～1.5m2。
7.根据权利要求1所述的一种水体原位修复装置，其特征在于，所述复合基质(1)的藻类基质层和底泥基质层交替叠放，复合基质(1)最下层的底泥基质层与阳极(3)接触。
Priority Applications (1)
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| CN202221013940.0U CN217173398U (zh) | 2022-04-25 | 2022-04-25 | 一种水体原位修复装置 |
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Publications (1)
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| CN202221013940.0U Active CN217173398U (zh) | 2022-04-25 | 2022-04-25 | 一种水体原位修复装置 |
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