电催化与水生植物相结合用于水体脱氮的立体式生态浮岛

1.本发明属于水体净化技术领域，具体为一种电催化与水生植物相结合用于水体脱氮的立体式生态浮岛。


背景技术：

2.申请号为2015103797621，发明名称为一种用于城市水体中持久性污染物净化的电化学生物浮岛，公开的技术方案中整个系统以锚定的方式固定于湖泊或河道中心，由浮板提供浮力，承载固根底座以种植植物浮岛；由太阳能电池板提供电能，驱动螺旋桨引起水流扰动；并在阳极和阴极上施加恒定的电流实现持久性污染物的电吸附和电催化净化，该技术方案中能种植的浮水植物有限，且植物对氮、磷的吸收有限，同时浮水、沉水植物易缺氧死亡，对水体造成二次污染，这个技术方案对水体净化的效果堪忧。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提供一种电催化与水生植物相结合用于水体脱氮的立体式生态浮岛，通过电催化技术对水体中有机物的氧化作用、水生植物的净化作用以及微生物的降解作用，能够更好地净化水体。
4.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种电催化与水生植物相结合用于水体脱氮的立体式生态浮岛，包括均呈圆环结构的种植体和浮体，浮体的外径较大，浮体位于种植体的外围，种植体的外侧壁通过连接杆与浮体的内侧壁可拆卸式连接；种植体包括呈圆环结构的底板一，底板一中心具有通孔，底板上表面连接有内侧板和外侧板，外侧板位于底板的外圈，内侧板位于底板的内圈，外侧板和内侧板在浮体的上表面共同形成用于种植挺水植物的种植槽，种植槽为环形槽结构，外侧板和内侧板的底部连接有若干个人工水草；浮体包括呈圆环结构的底板二，底板二的上表面设置有太阳能板，太阳能板与蓄电池电连接，蓄电池固连在底板二上。
6.底板一、二均通过浮力支撑整个浮岛漂浮在水面上，挺水植物、浮水植物和沉水的人工水草，将生态净水浮岛形成上中下三层的立体结构，挺水植物的根系通过底板一的网孔向下生长，吸收水分，整个生态浮岛实现沿着水体的深度方向多层次吸收污染物。种植体和浮体可拆卸连接，方便单独更换、安装，使整个浮岛的体积能适应性地增大、减小，且浮体的设计增大了种植体与水面的接触面积，增大了浮岛的浮力，浮体上设置太阳能板，可为浮岛供电，环保节能。
7.挺水植物和浮水植物都具有根系发达、茎秆强韧的特点，具有发达的根部，利用其自身发达的根部，便可增加与水体的接触面积，形成密布的过滤层。这种特点能够很好地使水中的悬浮物质和污染物沉降下来，起到沉降、吸附、过滤的作用。
8.同时，水生植物的生长需要大量的氮、磷等有机物的供给，其生长过程中会不断地吸收水体中地氮、磷等营养物质来维持自身地代谢，从而降解了水中的有机物质，净化了水体。挺水植物和浮水植物能将自身通过光合作用产生的氧气和大气中的氧气输送至根系，
一部分氧气供给植物的呼吸需要，另一部分通过根系向根部释放，扩散到周围的缺氧环境中，在缺氧的填料中形成有氧的环境，加强了微生物的生长繁殖，促进了好氧微生物对水体中有机污染物的分解。
9.水生植物生长过程中，会产生很多微生物，有些微生物可以促进植物的蒸腾作用，提高植物的c、o的比例，植物的协同作用、微生物的协同作用也可以促进nh
4+
‑
n、tn的去除，促进电催化装置中的电子的转移，电子的转移又能促进氢离子、氧气的产生，氢离子可以调节土壤中的ph，促进铁发生析氢腐蚀，产生亚铁离子，再进一步氧化产生铁离子，促进植物的生长，提高微生物种群的丰度，形成了一个良性循环。
10.种植体底部的人工水草与水体接触面积大，人工水草表面也会形成一层生物膜，生物膜首先吸附附着水体中有机物，由好氧层的好氧菌将其分解，再进入厌氧层进行厌氧分解，流动水层则将老化的生物膜冲掉以生长新的生物膜，如此往复净化水体中有机物质。
11.太阳能板发电储存在蓄电池中，蓄电池为底部的人工水草通电，会在水体中形成电磁场，磁化后水体会加速水生植物种子的萌动，提高其发芽率，增加其根系的发达程度，能够提高水生植物的抗病及抗逆性。磁场作用还能增加水生植物叶绿体的光化学活性，光合磷酸化和希尔反应速度加快，硝酸还原酶活性提高，从而促进水生植物的氮代谢，提高水生植物对氮、磷等营养物质的吸收。
12.进一步地，种植槽内填充有混合填料，混合填料中种植挺水植物，底板一中心通孔与内侧板围合形成的水域内种植浮水植物；外侧板和内侧板上连接若干个人工水草。
13.优选地，混合填料为空心花球与铁碳的混合物，其中空心花球和铁碳颗粒的质量比为10：1。混合填料为空心花球和铁碳颗粒的混合物，其中空心花球和铁碳颗粒的质量比例为10：1。空心花球和铁碳颗粒的填料基质可以促进植物、微生物对nh
4+
‑
n、tn的去除，有利于微生物形成生物膜。
14.铁碳颗粒还会在水中形成微电解反应，铁成为阳极，碳成为阴极。铁填料反应生成高活性fe
2+
离子，参与水体中电化学反应的同时，可水解并起到较好絮凝剂效果，与水中污染物质生成铁的络合物。水中铁离子会与磷酸根离子形成络合物fe3(po4)2·
8h2o等，有效除磷，植物根系的部分分泌物也具有很强絮凝作用。
15.进一步地，底板一为绝缘塑料网孔板，底板一上孔径小于填料直径。挺水、浮水植物发达的根系和混合填料表面在与河道污水的不断接触过程中会生成生物膜。
16.优选地，内侧板、外侧板均为铁丝网，内侧板和外侧板上附着有碳纳米管电催化膜，内侧板和外侧板上均连接有导线，导线与蓄电池电连接，蓄电池为内侧板和外侧板上的人工水草通电。
17.碳纳米管电催化膜通电后，会与水相结合，产生h
+
和电子，产物与水体中的有机物结合，产生co2和h
+
，将有机物氧化和产物还原。其结果就是碳纳米管电催化膜总量不变，起到催化剂的作用，水被分解成氧气和h
+
，同时有机物被氧化。这种机制可以加快有机物的氧化速率，同时电催化膜不被消耗，可以长期对黑臭水体进行处理。
18.电催化会产生羟基自由基，可以氧化有机物，提高难降解有机污染物的可生化性，使得废水中的难降解的有机污染物氧化成小分子物质，更易被植物、微生物吸收、利用。
19.电催化作用产生的氧气可以在植物根系区的还原态介质中形成氧化态的微环境，改善湿地氧环境，有利于污染物的净化。产生的电子随着铁丝网在太阳能电板形成的电势
差下移动，促进反应的进行。
20.优选地，底板二的高度高于底板一，太阳能板自浮岛中心向外倾斜设置。落在太阳能板上的水会沿倾斜面流向水体中，防止水长时间堆积在太阳能板上，另一方面也为了更加充分地接收太阳能。
21.优选地，外侧板和内侧板的底部连接有若干个上用于连接人工水草的挂钩。
22.进一步优选地，人工水草包括中心绳和固定在中心绳上的人工水草单体，人工水草单体为碳纤维，中心绳为导电的金属导线，中心绳的顶端具有与挂钩匹配连接的弯钩。人工水草在水体中不易变质，不会造成对水体的二次污染，且通过弯钩的设计，人工水草方便安装和更换。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果：
24.本发明采用电催化技术、水生植物、填料基质中的微生物三者结合且互相影响，共同促进污染物质的去除，去除效果佳。
25.本发明中上中下三层的挺水植物、浮水植物、沉水植物可以起到对水中杂质的沉降、吸附及过滤作用，底部的人工水草模拟了沉水植物，从而避免了沉水植物因缺氧死亡以及死亡后进一步污染水体的问题，同时能更加高效得将水体吸入到浮岛中，可阻止水中的污染物和悬浮颗粒物的流失，使其沉降下来，起到很好的净水作用。
附图说明
26.图1显示了本发明的剖视图结构；
27.图2显示了种植体的整体结构；
28.图3显示了种植体的俯视图结构；
29.图4显示了本发明的整体结构；
30.图5显示了人工水草的结构。
具体实施方式
31.下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
32.实施例1
33.如图1
‑
5一种电催化与水生植物相结合用于水体脱氮的立体式生态浮岛，包括均呈圆环结构的种植体和浮体，浮体的外径较大，浮体位于种植体的外围，种植体的外侧壁通过连接杆10与浮体的内侧壁可拆卸式连接；种植体包括呈圆环结构的底板一1，底板一中心具有通孔2，底板上表面连接有内侧板3和外侧板4，外侧板位于底板的外圈，内侧板位于底板的内圈，外侧板和内侧板在浮体的上表面共同形成用于种植挺水植物的种植槽5，外侧板和内侧板的底部连接有若干个上用于连接人工水草12的挂钩9。
34.种植槽为环形槽结构，外侧板和内侧板的底部连接有若干个人工水草；浮体包括呈圆环结构的底板二6，底板二的上表面设置有太阳能板7，太阳能板与蓄电池8电连接，蓄电池固连在底板二上，底板二的高度高于底板一，太阳能板自浮岛中心向外倾斜设置。
35.种植槽内填充有混合填料，混合填料为空心花球与铁碳的混合物，其中空心花球和铁碳颗粒的质量比为10：1。混合填料中种植挺水植物，底板一中心通孔与内侧板围合形
成的水域内种植浮水植物；外侧板和内侧板上连接若干个碳纤维人工水草。底板一为绝缘塑料网孔板，底板一上孔径小于上述混合填料直径。
36.内侧板和外侧板均为铁丝网，内侧板和外侧板上附着有碳纳米管电催化膜，内侧板和外侧板上均连接有导线11，导线与蓄电池电连接，蓄电池为内侧板和外侧板上的人工水草通电，人工水草包括中心绳14和固定在中心绳上的人工水草单体，中心绳为导电的金属导线，中心绳的顶端具有与挂钩匹配连接的弯钩13。
37.实施例2
38.本实施例在上述实施例1所述装置的种植槽内填充混合填料、种植挺水植物，在底板一中心通孔与内侧板围合形成的水域内种植浮水植物；内、外侧板上不覆碳纳米管电催化膜，不连接人工水草，内、外侧板不通电。挺水植物为芦苇、水菖蒲，浮水植物为灯芯草。
39.实施例3
40.本实施例在上述实施例2的基础上，内、外侧板上覆碳纳米管电催化膜，在内、外侧板上连接人工水草，但内、外侧板不通电。人工水草为碳纤维人工水草，每根水草长30cm，完全浸没在水中，人工水草的密度约为7根/m2。
41.实施例4
42.本实施例在上述实施例3的基础上，给内、外侧板通电。
43.分别搭建3个水池和3个本发明所述装置，分别用于实施例2
‑
4，将本装置分别放置在实验室水池内进行实验，实验开始运行开始前两天将腐殖酸自配水(0.1g腐殖酸溶于1l自来水)放置在阳光下去除自来水中的余氯。从第三天起，向每个装置曝气并放入植物，运行周期为24h，包括进水30min、曝气4h、沉淀10h、排水30min、闲置9h，预计运行15天。
44.实验开始前，先分别取三个水池的水进行测定，从每个水池分别取水750ml，取水后再在每个水池中分别补充750ml同浓度的腐殖酸自配水，保证水位不发生较大变化。对取出的水样中的总氮、硝氮、亚硝氮、氨氮的初始值进行测定。
45.15天后，再分别取三个水池的水进行测定，从每个水池分别取水750ml，测定浮岛在实验水池中15天后，水体中总氮、硝氮、亚硝氮、氨氮、高锰酸盐指数、溶解性有机氮的值。总氮、硝氮、亚硝氮、氨氮的测定结果如表1所示，其中总氮0表示总氮初始值，总氮1表示15天后水体中总氮的终值，氨氮0、氨氮1、硝氮0、硝氮1、亚硝氮0、亚硝氮1、cod
mn
0、cod
mn
1、don0、don1的意义与前述总氮0、总氮1的意义相同。高锰酸盐指数、溶解性有机氮的测定结果如表2所示。
46.表1
[0047][0048]
表2
[0049]
实施例cod
mn
0cod
mn
1cod
mn
去除率don0don1don去除率实施例221.714.334.10％2.0621.58423.18％实施例321.711.646.54％2.0622.514
‑
21.92％实施例421.72.688.02％2.0621.4629.10％
[0050]
通过对比实施例3与4，可以看出，电催化对于植物与生物膜系统对总氮、氨氮、硝氮、亚硝氮的降解具有很好的促进作用，比植物
‑
微生物体系具有更好的脱氮效果，实施例3对don的去除效果不佳。
[0051]
结果显示，实施例4所述技术方案净化水体中总氮、氨氮、硝氮、亚硝氮的效果最好，即种植挺水植物、浮水植物和人工水草三种水生植物，结合碳纳米管电催化膜和通电的碳纤维人工水草组成的立体式生态浮岛，净化水体的效果更佳。