耦合净化养殖池塘底泥与水体的生物电化学装置和方法与流程

文档序号:17937072发布日期:2019-06-15 01:51
耦合净化养殖池塘底泥与水体的生物电化学装置和方法与流程

本发明属于环境保护领域,特别涉及一种耦合净化养殖池塘底泥与水体的生物电化学的装置和方法。



背景技术:

中国水域广阔,水产资源种类丰富,是世界上从事水产养殖历史最悠久的国家之一。近年来,随着经济水平的不断提高,国民对水产养殖产品的需求也与日俱增,因此水产养殖业得到迅猛发展。然而,高速发展的水产养殖业也伴随着诸多环境问题。最典型的环境污染源是水产养殖中的剩余饵料和水产动物代谢物,据统计,在鱼类养殖过程所投放的饲料中氮、磷大约只有9.1%和17.4%被鱼同化,剩余饵料和排泄物中大量的氮磷等元素或沉积于底泥当中,或溶解于水体,并在底泥和水体中不断转变。残余饵料和粪便的腐败分解导致水体溶解氧降低、pH下降、COD升高,滋生病原菌,并且产生大量底泥。不仅如此,药物在养殖业中被广泛使用甚至滥用,消毒剂、抗生素、激素、疫苗等都是潜在的环境污染物。这些药物难以被生物降解,从而不断在水体和底泥中富集,不仅影响水产品质量和产量,更可能通过食物链进入人体,威胁着人类的健康和安全。水产养殖污染同样受到人类活动的影响,工业中常见的难降解污染物(如多环芳烃、多氯联苯等)以及农业广泛使用的农药、化肥,都会通过地表径流进入养殖水域并沉积于土壤、底泥中,构成潜在的环境风险。

生物电化学系统结合了生物技术和电化学氧化/还原技术的特点,利用微生物的胞外电子传递能力将有机物等底物中的能量转化为电能。近期关于生物电化学的研究始终受制于较低的库伦效率而难以成为较好的能源获取手段,但是其展现出的污染物降解能力让研究人员对生物电化学系统有了新的应用领域。在生物电化学的阳极,微生物处于厌氧环境中,底物降解产生的电子通过外电路传递到阴极,最终与电子受体结合。而阴极将外电路的电子与最终电子受体结合,电子受体可以是氧气或其他氧化性物质。由于存在阴阳极不同的氧化还原条件,使得两极的微生物生理生化过程不断被促进。目前,以生物电化学为原理设计的污染物去除装置已经有人工湿地型微生物燃料电池、土壤微生物燃料电池等,用以去除环境中的重金属、难降解有机物、水体COD等。目前尚未有利用该原理处理水产养殖塘底泥或水体的报道。



技术实现要素:

发明目的:针对现有技术中存在的问题,本发明提供了一种结构新颖、利用生物电化学原理来耦合净化养殖池塘底泥与水体的生物电化学装置,本发明的另一目的是提供一种耦合净化养殖池塘底泥与水体的方法。

技术方案:本发明所述的耦合净化养殖池塘底泥与水体的生物电化学装置,包括:设于养殖池塘底泥中的生物电化学阳极,漂浮于养殖池塘水体上的生物电化学阴极,生物电化学阳极与生物电化学阴极之间通过导线连接;其中,所述生物电化学阳极包括两个金属网,以及夹在两个金属网之间的活性碳毡;所述的生物电化学阴极包括金属支撑网,金属支撑网上覆有导电纤维棉或导电海绵,种植水生植物。

水产养殖池塘的底泥处于厌氧环境,富含有机质和疏水性污染物,利于生物电化学阳极微生物对于底物的降解。与此同时,养殖环境中,水产养殖水体布置有曝气增氧装置,水体中的溶解氧利于生物电化学系统中电子的消耗。本发明巧妙的利用水产养殖池塘的环境条件特性,构建生物电化学系统,生物电化学阳极的微生物在底泥中进行厌氧降解,不会受制于电子积累,而生物电化学阴极有氧气分子不断与外电路电子结合,反过来促进了生物电化学阳极进一步降解有机质或污染物来产生电子。生物电化学阴极与水生植物结合,植物根系分泌物以及根系泌氧作用都能促进阴极微生物的活性,在增快电子与氧气结合的同时,去除水中污染物。

所述的生物电化学阳极为竖直设置的多个生物电化学阳极。相较于同等面积的单个阳极,多个阳极的构型一方面可以在更大的空间区域作用于底泥污染物的降解;另一方面,多个阳极构型有更好的机械强度和抗剪切力特性,利于阳极在底泥中的布置、回收和转移。所述多个是指数量≥2,生物电化学阳极的数量可以根据实际处理环境的需要进行设置。

生物电化学阴极结构中,所述的导电纤维棉或导电海绵为多孔结构,多孔结构有利于微生物的大量增值,提高水处理效果,所述的导电纤维棉或导电海绵的厚度为2~5cm,孔径为20~50PPI。在该范围内的生物电化学阴极材料能够较好地富集电化学活性微生物,较快在孔隙中形成生物膜,利于微生物催化外电路电子与电子受体(如氧气)结合。

所述生物电化学阴极设置于浮床内。浮床为生物电化学阴极的漂浮提供浮力,使阴极刚好浸没于水面,可由PVC管或泡沫管制成。

阴阳极投影面积比例在1:1~1:2。两极生物电化学活性微生物的生物量和代谢活性是设置阴阳极面积比的主要影响因素之一。处在阳极区域的厌氧电化学活性菌消耗底物产生胞外电子,这些电子经由外电路传递至阴极。当阴极上电子与电子受体结合的速率与阳极产生电子的速率相匹配时,系统展现出最佳的污染物去除效能。

连接生物电化学系统阴阳两极的导线应包裹防水胶皮,并在电路中连接10~1000Ω的电阻以控制两极电位和电子流速,来达到最适氧化还原电位。

本发明还提供了一种耦合净化养殖池塘底泥与水体的方法,包括:利用所述的生物电化学装置;

(1)将生物电化学阳极富集厌氧微生物后水平或竖直插入养殖池塘底泥中,使生物电化学阴极漂浮于养殖池塘水体上,连接生物电化学阳极与生物电化学阴极,构建生物电化学装置。

(2)在生物电化学装置的启动阶段,将外电路(即阴阳极之间的电路连接)开路放置2至3天,使生物电化学阳极区域的分子氧被充分消耗,形成严格的厌氧环境,利于阳极电化学活性微生物的生长和代谢。同时监测开路电压,当开路电压达到500mV时,闭合外电路,由外电路将产生的胞外电子传递至浮床的阴极区。

(3)监测养殖池塘水体与底泥的污染物浓度变化,达到处理目标时移除装置。

步骤(1)中,所述的生物电化学阳极水平放置时处于泥水界面15cm以下;所述的生物电化学阳极竖直放置时处于泥水界面10cm以下。阳极放置时,须固定于底泥层中,使其不受上覆水扰动的干扰。同时阳极插入的深度可以保证阳极充分接触沉积于底泥的污染物。以上深度可以满足要求。

其中,竖直放置方式更加有利于生物电化学阳极的布置、回收和转移,所有的生物电化学阳极等间距竖直插入养殖池塘底泥中。

所述的生物电化学阴极邻近养殖池塘曝气装置,可为阴极提供较高的溶解氧浓度,有利于阴极反应的进行。

在处理过程中,当生物电化学装置的两极电势差低于200mV时,说明电化学活性微生物产电性能降低,最好将生物电化学阳极重新富集厌氧微生物或移至新的待处理底泥区域。

有益效果:

本发明通过在养殖池塘中构建生物电化学系统,利用底泥和水体中氧化还原电位的不同,强化底泥中有机物的降解和矿化,并促进水体中硝态氮的反硝化以及污染物的去除,在原位实现污泥减量化、无害化和水质净化,不仅节约能源,更能提升净化效能。

本发明的方法可用于降解底泥中沉积的有机物(包括且不限于腐殖质、纤维素、淀粉、挥发性脂肪酸)以及难降解的污染物(如多环芳烃、抗生素等),同时抑制耐药菌和病原菌的增殖和扩散。

附图说明

图1为本发明耦合净化养殖池塘底泥与水体的生物电化学装置的结构示意图;

图2为本发明耦合净化养殖池塘底泥与水体的生物电化学装置的剖面图。

具体实施方式

下面结合具体实施例,进一步阐明本发明,应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1、图2,本实施例耦合净化养殖池塘底泥与水体的生物电化学装置,包括:设于养殖池塘底泥中的生物电化学阳极1,漂浮于养殖池塘水体上的生物电化学阴极2,生物电化学阳极与生物电化学阴极之间通过导线3连接。

生物电化学阳极呈“三明治型”,包括两个金属网101,以及夹在两个金属网101之间的活性碳毡102,两个金属网可以通过固定件如钛丝将活性碳毡夹紧固定。由于活性碳毡强度不够,金属网一方面起支撑作用,使得生物电化学阳极可以顺利插入养殖塘底泥中,另一方面作为集流体,将生物电化学阳极的电流引出,金属网可以采用不锈钢金属网。活性碳毡的厚度为10mm~20mm,过厚的碳毡会导致内部活性微生物难以与底物充分接触,使阳极存在无效区域,过薄的碳毡难以富集足量的功能微生物,限制了阳极效能。活性碳毡可以为圆形、矩形等,可以根据实际情况放大或缩小,如半径或边长为10~100cm。活性碳毡的厌氧微生物富集采用常规方法,如用清水洗涤尘屑后,分别依次用1mol/L盐酸和1mol/L氢氧化钠浸泡12h,再以清水洗净后风干,将活性碳毡在有偏压的厌氧反应器中培养1周以上,即可富集具有电化学活性的厌氧微生物。生物电化学阳极为竖直设置且大小一致的3个,等间距(间距没有特别严格的要求,防止碳毡太靠近造成微生物对底物的竞争不均衡即可)插入在养殖塘底泥中,通过堆栈形式连接同一个生物电化学阴极。生物电化学阳极也可以水平插入在养殖塘底泥中。

生物电化学阴极2包括金属支撑网201,金属支撑网上覆有导电纤维棉或导电海绵202,种植水生植物203。金属支撑网201发挥支撑和集流体的作用,可以采用不锈钢材料制成,导电纤维棉或导电海绵202的厚度在20mm以上,孔径约为30PPI,在导电纤维棉或导电海绵上开口,栽种浮水或挺水植物,包括其不限于生菜、水芹、空心菜、黑麦草等,并在金属支撑网上裁剪出孔洞给植物根系生长。生物电化学阴极与生物电化学阳极投影面积比为1:1,生物电化学阴极设置于浮床4内,浮床可以为包裹泡沫的空心的塑料管材制成的框架结构。

生物电化学阳极的金属网与生物电化学阴极的金属支撑网之间通过导线3连接,导线应包裹防水胶皮,并在电路中连接10~1000Ω的电阻5,形成闭合回路,电阻以控制两极电位和电子流速,来达到最适氧化还原电位。

采用上述装置耦合净化养殖池塘底泥与水体的方法,包括以下步骤:

(1)对待处理的水产养殖场地进行调查,获取水产养殖水体与底泥的污染种类、污染程度以及底泥的基本理化性质,从而确定污染量;

(2)将活性碳毡清洗后、剪裁后放入双室电化学厌氧反应器的阳极室,在闭合外电路条件下培养富集厌氧产电菌等功能菌。或者通过外加偏压(-400mV,vs甘汞电极)加快微生物的筛选和富集速度。在稳定运行的富集反应器内,1至2周即可富集完成,富集完成后与金属网制为本发明装置的生物电化学阳极;

(3)将生物电化学阳极竖直插入养殖池塘底泥中,位于泥水界面以下10cm,使生物电化学阴极漂浮于养殖塘水体上,生物电化学阴极邻近养殖池塘曝气装置;导线连接生物电化学阳极与生物电化学阴极,接入电阻,构建生物电化学装置;

(4)在生物电化学装置的启动阶段,将外电路(即阴阳极之间的电路连接)开路放置2至3天,监测开路电压,当开路电压达到500mV时,闭合外电路;

(5)监测养殖池塘水体与底泥的污染物浓度变化,达到处理目标时移除装置;当生物电化学装置的两极电势差低于200mV时,说明电化学活性微生物产电性能降低,最好将生物电化学阳极重新富集厌氧微生物或移至新的待处理底泥区域。

应用例1

本试验装置材料采用有机玻璃,构型为空心筒状单室生物电化学系统,内径24cm,高150cm(含底座高200cm),由下向上分别填充底泥层25cm和上覆水层(分别为25cm、50cm、75cm),上覆水按照养殖池塘水的成份采用人工配水,装置竖直放置,模拟实际水产养殖池塘的纵向环境。生物电化学装置的结构同上所述,生物电化学阳极材料为两面双层不锈钢丝网包夹的活性碳毡(直径20cm的圆形),单片生物电化学阳极水平放置于底泥层中部,位于泥水界面以下15cm处。生物电化学阴极中,采用厚度20cm、孔径为30PPI的蜂窝活性炭纤维棉,以不锈钢金属网作为衬底。阴阳极之间以1mm粗的钛丝相连,接入1000Ω电阻。

建立多组处理实验,通过对底泥中碳源种类、上覆水导电特性和生物电化学装置启动方法等的研究,分析耦合净化养殖池塘底泥与水体的生物电化学技术方法的可行性和关键影响因素。

在装置的底泥中分别投加葡萄糖、乙酸钠、可溶性淀粉、微晶纤维素,每升底泥中添加1g底物,作为生物电化学阳极的能源底物,此实验中,上覆水层的深度为25cm。结果表明,葡萄糖和乙酸钠处理组在前3天呈现高电势差500~600mV,随后快速下降,在持续2个月的连续监测阶段,其两极电势缓慢下降,维持在200至300mV间;而淀粉和纤维素的处理组的产电性能缓慢升高,并在近4个月的时间保持电势差在500mV左右。该实验说明,本发明的生物电化学装置,阳极微生物能够降解利用碳源进行产电,在装置启动阶段,通过额外添加葡萄糖或乙酸钠可以快速提升装置两极间的开路电压,也有益于长周期的产电性能。

上覆水与底泥的比例(泥水比,即深度比)也对生物电化学性能有显著影响,在25cm底泥厚度条件下,对阴阳极电势差进行实时监测,在连续监测2个月的周期内,上覆水深度为25cm、50cm、75cm时对应的最大电势差分别为603mV、510mV、369mV,上覆水越深,传质阻力越大,电化学活性微生物活性越低,表现为两极电势差减小,产电性能降低。但上覆水的深度不宜过浅,以免氧气进入生物电化学阳极区域,影响阳极的厌氧条件,抑制微生物活性,一般,上覆水深度不小于15cm,可以较好维持底泥的厌氧环境。

当底泥中含有难降解有机物(如多环芳烃等)时,这些积累在底泥的污染物可以被生物电化学阳极高效降解。在采用1:1泥水比例并向每升底泥中添加1g可溶性淀粉作为碳源物质的条件下,用丙酮溶解三种多环芳烃(萘、苊、芘)混入底泥中,多环芳烃浓度均为1g/L,研究本生物电化学装置对三种多环芳烃的去除作用。试验研究显示,生物电化学阴阳极电势差和外电路微弱的电流都可以大幅促进底泥中萘、苊、芘的降解,相较于断开外电路的处理组,接入1000Ω电阻的闭合电路使萘、苊、芘的去除率从35.1%、15.1%、13.7%分别提升至76.1%、65.3%、56.2%,呈现高效的污染净化能力,对底泥中有机物,尤其是对难降解有机物的高效去除,可以减轻底泥中污染物扩散导致的水体污染。与此同时,浮床部分通过好氧微生物代谢和植物吸收作用可以实现上覆水的脱氮除磷,实现底泥与上覆水的耦合净化。

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