耦合凈化養殖池塘底泥與水體的生物電化學裝置和方法與流程

文檔序號:17937072發布日期:2019-06-15 01:51
耦合凈化養殖池塘底泥與水體的生物電化學裝置和方法與流程

本發明屬于環境保護領域,特別涉及一種耦合凈化養殖池塘底泥與水體的生物電化學的裝置和方法。



背景技術:

中國水域廣闊,水產資源種類豐富,是世界上從事水產養殖歷史最悠久的國家之一。近年來,隨著經濟水平的不斷提高,國民對水產養殖產品的需求也與日俱增,因此水產養殖業得到迅猛發展。然而,高速發展的水產養殖業也伴隨著諸多環境問題。最典型的環境污染源是水產養殖中的剩余餌料和水產動物代謝物,據統計,在魚類養殖過程所投放的飼料中氮、磷大約只有9.1%和17.4%被魚同化,剩余餌料和排泄物中大量的氮磷等元素或沉積于底泥當中,或溶解于水體,并在底泥和水體中不斷轉變。殘余餌料和糞便的腐敗分解導致水體溶解氧降低、pH下降、COD升高,滋生病原菌,并且產生大量底泥。不僅如此,藥物在養殖業中被廣泛使用甚至濫用,消毒劑、抗生素、激素、疫苗等都是潛在的環境污染物。這些藥物難以被生物降解,從而不斷在水體和底泥中富集,不僅影響水產品質量和產量,更可能通過食物鏈進入人體,威脅著人類的健康和安全。水產養殖污染同樣受到人類活動的影響,工業中常見的難降解污染物(如多環芳烴、多氯聯苯等)以及農業廣泛使用的農藥、化肥,都會通過地表徑流進入養殖水域并沉積于土壤、底泥中,構成潛在的環境風險。

生物電化學系統結合了生物技術和電化學氧化/還原技術的特點,利用微生物的胞外電子傳遞能力將有機物等底物中的能量轉化為電能。近期關于生物電化學的研究始終受制于較低的庫倫效率而難以成為較好的能源獲取手段,但是其展現出的污染物降解能力讓研究人員對生物電化學系統有了新的應用領域。在生物電化學的陽極,微生物處于厭氧環境中,底物降解產生的電子通過外電路傳遞到陰極,最終與電子受體結合。而陰極將外電路的電子與最終電子受體結合,電子受體可以是氧氣或其他氧化性物質。由于存在陰陽極不同的氧化還原條件,使得兩極的微生物生理生化過程不斷被促進。目前,以生物電化學為原理設計的污染物去除裝置已經有人工濕地型微生物燃料電池、土壤微生物燃料電池等,用以去除環境中的重金屬、難降解有機物、水體COD等。目前尚未有利用該原理處理水產養殖塘底泥或水體的報道。



技術實現要素:

發明目的:針對現有技術中存在的問題,本發明提供了一種結構新穎、利用生物電化學原理來耦合凈化養殖池塘底泥與水體的生物電化學裝置,本發明的另一目的是提供一種耦合凈化養殖池塘底泥與水體的方法。

技術方案:本發明所述的耦合凈化養殖池塘底泥與水體的生物電化學裝置,包括:設于養殖池塘底泥中的生物電化學陽極,漂浮于養殖池塘水體上的生物電化學陰極,生物電化學陽極與生物電化學陰極之間通過導線連接;其中,所述生物電化學陽極包括兩個金屬網,以及夾在兩個金屬網之間的活性碳氈;所述的生物電化學陰極包括金屬支撐網,金屬支撐網上覆有導電纖維棉或導電海綿,種植水生植物。

水產養殖池塘的底泥處于厭氧環境,富含有機質和疏水性污染物,利于生物電化學陽極微生物對于底物的降解。與此同時,養殖環境中,水產養殖水體布置有曝氣增氧裝置,水體中的溶解氧利于生物電化學系統中電子的消耗。本發明巧妙的利用水產養殖池塘的環境條件特性,構建生物電化學系統,生物電化學陽極的微生物在底泥中進行厭氧降解,不會受制于電子積累,而生物電化學陰極有氧氣分子不斷與外電路電子結合,反過來促進了生物電化學陽極進一步降解有機質或污染物來產生電子。生物電化學陰極與水生植物結合,植物根系分泌物以及根系泌氧作用都能促進陰極微生物的活性,在增快電子與氧氣結合的同時,去除水中污染物。

所述的生物電化學陽極為豎直設置的多個生物電化學陽極。相較于同等面積的單個陽極,多個陽極的構型一方面可以在更大的空間區域作用于底泥污染物的降解;另一方面,多個陽極構型有更好的機械強度和抗剪切力特性,利于陽極在底泥中的布置、回收和轉移。所述多個是指數量≥2,生物電化學陽極的數量可以根據實際處理環境的需要進行設置。

生物電化學陰極結構中,所述的導電纖維棉或導電海綿為多孔結構,多孔結構有利于微生物的大量增值,提高水處理效果,所述的導電纖維棉或導電海綿的厚度為2~5cm,孔徑為20~50PPI。在該范圍內的生物電化學陰極材料能夠較好地富集電化學活性微生物,較快在孔隙中形成生物膜,利于微生物催化外電路電子與電子受體(如氧氣)結合。

所述生物電化學陰極設置于浮床內。浮床為生物電化學陰極的漂浮提供浮力,使陰極剛好浸沒于水面,可由PVC管或泡沫管制成。

陰陽極投影面積比例在1:1~1:2。兩極生物電化學活性微生物的生物量和代謝活性是設置陰陽極面積比的主要影響因素之一。處在陽極區域的厭氧電化學活性菌消耗底物產生胞外電子,這些電子經由外電路傳遞至陰極。當陰極上電子與電子受體結合的速率與陽極產生電子的速率相匹配時,系統展現出最佳的污染物去除效能。

連接生物電化學系統陰陽兩極的導線應包裹防水膠皮,并在電路中連接10~1000Ω的電阻以控制兩極電位和電子流速,來達到最適氧化還原電位。

本發明還提供了一種耦合凈化養殖池塘底泥與水體的方法,包括:利用所述的生物電化學裝置;

(1)將生物電化學陽極富集厭氧微生物后水平或豎直插入養殖池塘底泥中,使生物電化學陰極漂浮于養殖池塘水體上,連接生物電化學陽極與生物電化學陰極,構建生物電化學裝置。

(2)在生物電化學裝置的啟動階段,將外電路(即陰陽極之間的電路連接)開路放置2至3天,使生物電化學陽極區域的分子氧被充分消耗,形成嚴格的厭氧環境,利于陽極電化學活性微生物的生長和代謝。同時監測開路電壓,當開路電壓達到500mV時,閉合外電路,由外電路將產生的胞外電子傳遞至浮床的陰極區。

(3)監測養殖池塘水體與底泥的污染物濃度變化,達到處理目標時移除裝置。

步驟(1)中,所述的生物電化學陽極水平放置時處于泥水界面15cm以下;所述的生物電化學陽極豎直放置時處于泥水界面10cm以下。陽極放置時,須固定于底泥層中,使其不受上覆水擾動的干擾。同時陽極插入的深度可以保證陽極充分接觸沉積于底泥的污染物。以上深度可以滿足要求。

其中,豎直放置方式更加有利于生物電化學陽極的布置、回收和轉移,所有的生物電化學陽極等間距豎直插入養殖池塘底泥中。

所述的生物電化學陰極鄰近養殖池塘曝氣裝置,可為陰極提供較高的溶解氧濃度,有利于陰極反應的進行。

在處理過程中,當生物電化學裝置的兩極電勢差低于200mV時,說明電化學活性微生物產電性能降低,最好將生物電化學陽極重新富集厭氧微生物或移至新的待處理底泥區域。

有益效果:

本發明通過在養殖池塘中構建生物電化學系統,利用底泥和水體中氧化還原電位的不同,強化底泥中有機物的降解和礦化,并促進水體中硝態氮的反硝化以及污染物的去除,在原位實現污泥減量化、無害化和水質凈化,不僅節約能源,更能提升凈化效能。

本發明的方法可用于降解底泥中沉積的有機物(包括且不限于腐殖質、纖維素、淀粉、揮發性脂肪酸)以及難降解的污染物(如多環芳烴、抗生素等),同時抑制耐藥菌和病原菌的增殖和擴散。

附圖說明

圖1為本發明耦合凈化養殖池塘底泥與水體的生物電化學裝置的結構示意圖;

圖2為本發明耦合凈化養殖池塘底泥與水體的生物電化學裝置的剖面圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例,進一步闡明本發明,應理解這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍,在閱讀了本發明之后,本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。

如圖1、圖2,本實施例耦合凈化養殖池塘底泥與水體的生物電化學裝置,包括:設于養殖池塘底泥中的生物電化學陽極1,漂浮于養殖池塘水體上的生物電化學陰極2,生物電化學陽極與生物電化學陰極之間通過導線3連接。

生物電化學陽極呈“三明治型”,包括兩個金屬網101,以及夾在兩個金屬網101之間的活性碳氈102,兩個金屬網可以通過固定件如鈦絲將活性碳氈夾緊固定。由于活性碳氈強度不夠,金屬網一方面起支撐作用,使得生物電化學陽極可以順利插入養殖塘底泥中,另一方面作為集流體,將生物電化學陽極的電流引出,金屬網可以采用不銹鋼金屬網。活性碳氈的厚度為10mm~20mm,過厚的碳氈會導致內部活性微生物難以與底物充分接觸,使陽極存在無效區域,過薄的碳氈難以富集足量的功能微生物,限制了陽極效能。活性碳氈可以為圓形、矩形等,可以根據實際情況放大或縮小,如半徑或邊長為10~100cm。活性碳氈的厭氧微生物富集采用常規方法,如用清水洗滌塵屑后,分別依次用1mol/L鹽酸和1mol/L氫氧化鈉浸泡12h,再以清水洗凈后風干,將活性碳氈在有偏壓的厭氧反應器中培養1周以上,即可富集具有電化學活性的厭氧微生物。生物電化學陽極為豎直設置且大小一致的3個,等間距(間距沒有特別嚴格的要求,防止碳氈太靠近造成微生物對底物的競爭不均衡即可)插入在養殖塘底泥中,通過堆棧形式連接同一個生物電化學陰極。生物電化學陽極也可以水平插入在養殖塘底泥中。

生物電化學陰極2包括金屬支撐網201,金屬支撐網上覆有導電纖維棉或導電海綿202,種植水生植物203。金屬支撐網201發揮支撐和集流體的作用,可以采用不銹鋼材料制成,導電纖維棉或導電海綿202的厚度在20mm以上,孔徑約為30PPI,在導電纖維棉或導電海綿上開口,栽種浮水或挺水植物,包括其不限于生菜、水芹、空心菜、黑麥草等,并在金屬支撐網上裁剪出孔洞給植物根系生長。生物電化學陰極與生物電化學陽極投影面積比為1:1,生物電化學陰極設置于浮床4內,浮床可以為包裹泡沫的空心的塑料管材制成的框架結構。

生物電化學陽極的金屬網與生物電化學陰極的金屬支撐網之間通過導線3連接,導線應包裹防水膠皮,并在電路中連接10~1000Ω的電阻5,形成閉合回路,電阻以控制兩極電位和電子流速,來達到最適氧化還原電位。

采用上述裝置耦合凈化養殖池塘底泥與水體的方法,包括以下步驟:

(1)對待處理的水產養殖場地進行調查,獲取水產養殖水體與底泥的污染種類、污染程度以及底泥的基本理化性質,從而確定污染量;

(2)將活性碳氈清洗后、剪裁后放入雙室電化學厭氧反應器的陽極室,在閉合外電路條件下培養富集厭氧產電菌等功能菌。或者通過外加偏壓(-400mV,vs甘汞電極)加快微生物的篩選和富集速度。在穩定運行的富集反應器內,1至2周即可富集完成,富集完成后與金屬網制為本發明裝置的生物電化學陽極;

(3)將生物電化學陽極豎直插入養殖池塘底泥中,位于泥水界面以下10cm,使生物電化學陰極漂浮于養殖塘水體上,生物電化學陰極鄰近養殖池塘曝氣裝置;導線連接生物電化學陽極與生物電化學陰極,接入電阻,構建生物電化學裝置;

(4)在生物電化學裝置的啟動階段,將外電路(即陰陽極之間的電路連接)開路放置2至3天,監測開路電壓,當開路電壓達到500mV時,閉合外電路;

(5)監測養殖池塘水體與底泥的污染物濃度變化,達到處理目標時移除裝置;當生物電化學裝置的兩極電勢差低于200mV時,說明電化學活性微生物產電性能降低,最好將生物電化學陽極重新富集厭氧微生物或移至新的待處理底泥區域。

應用例1

本試驗裝置材料采用有機玻璃,構型為空心筒狀單室生物電化學系統,內徑24cm,高150cm(含底座高200cm),由下向上分別填充底泥層25cm和上覆水層(分別為25cm、50cm、75cm),上覆水按照養殖池塘水的成份采用人工配水,裝置豎直放置,模擬實際水產養殖池塘的縱向環境。生物電化學裝置的結構同上所述,生物電化學陽極材料為兩面雙層不銹鋼絲網包夾的活性碳氈(直徑20cm的圓形),單片生物電化學陽極水平放置于底泥層中部,位于泥水界面以下15cm處。生物電化學陰極中,采用厚度20cm、孔徑為30PPI的蜂窩活性炭纖維棉,以不銹鋼金屬網作為襯底。陰陽極之間以1mm粗的鈦絲相連,接入1000Ω電阻。

建立多組處理實驗,通過對底泥中碳源種類、上覆水導電特性和生物電化學裝置啟動方法等的研究,分析耦合凈化養殖池塘底泥與水體的生物電化學技術方法的可行性和關鍵影響因素。

在裝置的底泥中分別投加葡萄糖、乙酸鈉、可溶性淀粉、微晶纖維素,每升底泥中添加1g底物,作為生物電化學陽極的能源底物,此實驗中,上覆水層的深度為25cm。結果表明,葡萄糖和乙酸鈉處理組在前3天呈現高電勢差500~600mV,隨后快速下降,在持續2個月的連續監測階段,其兩極電勢緩慢下降,維持在200至300mV間;而淀粉和纖維素的處理組的產電性能緩慢升高,并在近4個月的時間保持電勢差在500mV左右。該實驗說明,本發明的生物電化學裝置,陽極微生物能夠降解利用碳源進行產電,在裝置啟動階段,通過額外添加葡萄糖或乙酸鈉可以快速提升裝置兩極間的開路電壓,也有益于長周期的產電性能。

上覆水與底泥的比例(泥水比,即深度比)也對生物電化學性能有顯著影響,在25cm底泥厚度條件下,對陰陽極電勢差進行實時監測,在連續監測2個月的周期內,上覆水深度為25cm、50cm、75cm時對應的最大電勢差分別為603mV、510mV、369mV,上覆水越深,傳質阻力越大,電化學活性微生物活性越低,表現為兩極電勢差減小,產電性能降低。但上覆水的深度不宜過淺,以免氧氣進入生物電化學陽極區域,影響陽極的厭氧條件,抑制微生物活性,一般,上覆水深度不小于15cm,可以較好維持底泥的厭氧環境。

當底泥中含有難降解有機物(如多環芳烴等)時,這些積累在底泥的污染物可以被生物電化學陽極高效降解。在采用1:1泥水比例并向每升底泥中添加1g可溶性淀粉作為碳源物質的條件下,用丙酮溶解三種多環芳烴(萘、苊、芘)混入底泥中,多環芳烴濃度均為1g/L,研究本生物電化學裝置對三種多環芳烴的去除作用。試驗研究顯示,生物電化學陰陽極電勢差和外電路微弱的電流都可以大幅促進底泥中萘、苊、芘的降解,相較于斷開外電路的處理組,接入1000Ω電阻的閉合電路使萘、苊、芘的去除率從35.1%、15.1%、13.7%分別提升至76.1%、65.3%、56.2%,呈現高效的污染凈化能力,對底泥中有機物,尤其是對難降解有機物的高效去除,可以減輕底泥中污染物擴散導致的水體污染。與此同時,浮床部分通過好氧微生物代謝和植物吸收作用可以實現上覆水的脫氮除磷,實現底泥與上覆水的耦合凈化。

再多了解一些
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