一种受污染水体原位修复的微生物氧化还原装置及修复方法与流程

本发明涉及受污染水体的修复领域，具体涉及一种受污染水体原位修复的微生物氧化还原装置及修复方法。

背景技术：

对城市河道进行清淤可疏通河道、改善水体，但清淤产生的底泥泥量巨大，不仅占用土地，而且会对环境造成二次污染。大量的清淤底泥如何处置是个难题，目前最终处理有以下几种方法：海洋处置、热化学处理、制作材料或卫生填埋。这些方法不仅工程量大，而且成本昂贵。虽然城市排污河底泥除含有重金属、有机物等污染物质外，但同时也还含有植物生长所需的氮肥、磷肥、无机盐以及微生物生长所必需的碳源、氮源和矿物质。如果可以去除其中的污染物质，城市排污河底泥的将会得到有效利用。针对目前小河流及湖泊底泥污染严重，亟需能大规模有效工程应用的底泥处理方法。

生物修复是指利用生物(动物、植物、微生物)将存在于空气、土壤、地下水和海洋等环境中的有毒、有害、难降解的污染物降解为CO₂、H₂O以及其他无毒无害或者低毒性的物质，从而将污染环境修复成正常环境的工程体系。目前常用的生物修复主要方法包括植物修复、投加菌剂等。生物修复由于没有副产品，可以在没有副作用的情况下去除污染物，且操作简便，处理效率高，成本低，所以被认为是目前最有潜力的修复方法之一。然而生物修复也存在短期效果不明显，受环境因素(季节，光照等)制约。

微生物电化学系统(Microbial-electrochemical System，MES)可从有机质丰富的沉积物中可以获得电能。其作用机理为：将阳极材料放置于厌氧的沉积物中，阴极材料位于上层好氧的水相中，阴极和阳极之间通过导线和电阻相连接，沉积物中有机物在阳极区附近被沉积物中土著微生物氧化分解，产生的电子传递到阳极，再经过外电路到达阴极，与阴极区中的氧气和从阳极区传递来的质子结合生成水，从而实现在去除沉积物中有机污染物的同时又回收能量的目的。目前，MES被认为有两个主要的应用领域为：为海洋或内陆水体的长期监测仪器提供低功率的电源；作为一种新型、高效的沉积物原位生物修复技术。然而，电极催化剂价格昂贵，电极制作成本高，扩大后电压及输出功率下降等诸多因素限制了微生物电化学系统作为沉积物原位生物修复技术的广泛应用。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明基于微生物电化学系统(MES)提出一种低成本，高效率的应用于受污染水体沉积物修复的底栖-生物电化学修复系统(BMES,Benthic Microbial-electrochemical System，MES)，为一种受污染水体原位修复的技术方案。

本发明采用了如下技术方案：

一种受污染水体原位修复的微生物氧化还原装置，其包括微生物氧化还原修复系统和强化生态功能的人工湿地系统。

所述的微生物氧化还原修复系统包括生物基阴极、生物基阳极、负载、第一电子传导线路、第二电子传导线路和浮力支撑材料；所述的生物基阴极固定在浮力支撑材料上，生物基阴极通过第一电子传导线路与负载的一端相连接，生物基阳极通过第二电子传导线路与负载的另一端相连接；所述的强化生态功能的人工湿地系统包括挺水植物和浮水植物；所述的微生物氧化还原修复系统中的生物基阳极置于河道底部一定深度或岸边一定深度中，人工湿地系统中的挺水植物的生长于生物基阳极上部，微生物氧化还原修复系统中的浮力支撑材料和生物基阴极置于河道上层水体中，人工湿地系统中的浮水植物种植在生物基阴极上面。

所述的生物基阴极、生物基阳极为均具有导电性的材料。

所述的生物基阴极或生物基阳极为碳基材料、金属材料、导电聚合物或上述材料的复合材料，其形状可以为网状、颗粒状、棒状、片状、层状，其体积尺度为毫米级到30m，其表面可进行改性使其有利于富集所需要种类的细菌。

生物基阴极富集好氧微生物，生物基阳极富集厌氧产电微生物。

所述的金属材料为金属钛、金属镍或不锈钢。

所述的第一电子传导线路或第二电子传导线路的材质为导电性良好的金属丝。

金属丝为钛丝、不锈钢丝或经防水防腐处理的其他金属丝。

所述的浮力支撑材料为质量密度低于水的环保材料。

利用上述一种受污染水体原位修复的微生物氧化还原装置原位修复方法，其特征在于：包括如下步骤：

将微生物氧化还原修复系统中的生物基阳极置于受污染水体底部一定深度或岸边一定深度之中，生物基阴极固定在浮力支撑材料上，将浮力支撑材料和生物基阴极置于黑臭河道上层的污染水体中，生物基阴极通过第一电子传导线路与负载的一端相连接，生物基阳极通过第二电子传导线路与负载的另一端相连接，挺水植物生长于生物基阳极上面的污染底泥中，浮水植物生长在生物基阴极表面，生物基阴极开始富集好氧微生物，生物基阳极开始富集厌氧产电微生物，启动运行后在60天内，得到去除污染物的水体和去除污染物的底泥。

所述的受污染水体底部一定深度或岸边一定深度中的污染物为有机碳、氮、磷或芳香族化合物。

本发明与现有的技术相比有如下有益的技术效果：

一、本发明微生物氧化还原修复系统中的生物基阴极富集好氧微生物，无需催化剂，克服了传统生物电化学系统多使用高成本或对环境有风险催化剂的缺点。

二、本发明微生物氧化还原修复系统中的生物基阳极通过富集产电微生物达到去除污染物的目的；

三、本发明应用于底泥修复的生物电化学系统能有效去除底泥沉积物中的有机碳、氮、磷和芳香族化合物等污染物，同时能够产生电能，运行30天底泥沉积物中有机碳含量(TOC)去除率可达到60％以上。

四、本发明可广泛应用于受污染的湖泊，城乡及农田的小河道、沟渠等底泥及水体的污染去除，环保安全造价低，维护简单；

五、本发明设计的人工湿地与生物电化学系统耦合，达到受污染水体和沉积物同步修复的目的。

附图说明

图1为一种受污染水体原位修复的微生物氧化还原装置的结构示意图。

图2为受污染水体原位修复的微生物氧化还原装置在负载为10Ω下原位修复哈尔滨阿什河松花江入水口段受污染底泥的电压变化曲线图。

图3为哈尔滨阿什河松花江入水口段受污染底泥中的TOC含量值的变化柱状图。

图4为哈尔滨阿什河松花江入水口段受污染底泥中的TN含量值的变化柱状图。

图5为哈尔滨阿什河松花江入水口段受污染底泥中的PAH含量值的变化柱状图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例来详细解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

图1中受污染水体原位修复的微生物氧化还原装置包括微生物氧化还原修复系统和强化生态功能的人工湿地系统；其中微生物氧化还原修复系统包括生物基阴极2、生物基阳极3、负载4、电子传导线路5、电子传导线路6和浮力支撑材料7；生物基阴极2固定在浮力支撑材料7上，生物基阴极2通过电子传导线路5与负载4的一端相连接，生物基阳极3通过电子传导线路6与负载4的另一端相连接；所述的强化生态功能的人工湿地系统包括挺水植物8和浮水植物9。

生物基阳极3置于受污染水体底部一定深度或岸边一定深度中，强化生态功能的人工湿地系统中的挺水植物8的种植于生物基阳极3上面的污染底泥中，浮力支撑材料7和生物基阴极2置于受污染水体上层的污染水体中，浮水植物9固定在生物基阴极2上面。

生物基阴极2是由直径为0.5mm～1.5mm的金属丝和阴极材料制成，所述的阴极材料为具 有导电性，例如碳基材料、金属材料(金属钛、金属镍、不锈钢等)、导电聚合物及上述材料的掺杂材料等，其形状可以为网状、颗粒状、棒状、片状、层状或其他立体结构等，其具有一定的亲/疏水性有利于液体/气体在电极内部及表面的传质，其表面可进行改性使其有利于富集所需要种类的细菌。

生物基阳极3为具有导电性的材料，例如碳材料、金属材料(金属钛，金属镍，不锈钢等)、导电聚合物及上述材料的掺杂材料等，其形状可以为网状、颗粒状、棒状、片状、层状或其他立体结构等，其具有一定的亲/疏水性有利于液体/气体在电极内部及表面的传质，其表面可进行改性使其有利于富集所需要种类的细菌。

电子传导线路5、6的材质为金属丝，浮力支撑材料7为环保聚合材料或环保再生材料。

利用上述受污染水体原位修复的微生物氧化还原装置进行原位修复方法，包括以下步骤：

将生物基阳极3置于受污染水体底部一定深度或岸边一定深度之中，生物基阴极2固定在浮力支撑材料7上，将浮力支撑材料7和生物基阴极2置于受污染水体上层的污染水体中，生物基阴极2通过电子传导线路5与负载4的一端相连接，生物基阳极3通过电子传导线路6与负载4的另一端相连接，挺水植物8种植于生物基阳极3上面的污染底泥中，浮水植物9固定在生物基阴极2上面，生物基阴极2开始富集好氧微生物，生物基阳极3开始富集厌氧产电微生物，启动运行后60天内，得到去除污染物的水体和去除污染物的底泥。

受污染水体底部一定深度或岸边一定深度中的污染物为有机碳、氮、磷或芳香族化合物中的一种或两种的混合物。

采用以下实例验证本发明的有益效果：

取100L哈尔滨阿什河松花江入水口段受污染底泥置于350L反应器中再加入200L水，将微生物氧化还原修复系统中的生物基阳极3置于哈尔滨阿什河松花江入水口段受污染底泥之中，生物基阴极2固定在浮力支撑材料7上，将浮力支撑材料7和生物基阴极2置于哈尔滨阿什河松花江入水口段受污染底泥上层的水体中，生物基阴极2通过电子传导线路5与负载4的一端相连接，生物基阳极3通过电子传导线路6与负载4的另一端相连接，强化生态功能的人工湿地系统中的挺水植物8种植于生物基阳极3上面的污染底泥中，强化生态功能的人工湿地系统中的浮水植物9固定在生物基阴极2上面，生物基阴极2开始富集好氧微生物，生物基阳极3开始富集厌氧产电微生物，负载4为10Ω，平均电压保持在90mV，运行反应器。

根据底泥的TOC及TN检测结果分析：

图3是受污染水体原位修复的微生物氧化还原装置在负载为10Ω下原位修复哈尔滨阿什河松花江入水口段受污染底泥的电压变化曲线图。

从图3可知，由于底泥中有机质及微生物丰富致使获得较高的启动电压。底泥中有机物含量较高时电压有所升高，不再外加营养物质底泥中有机物含量下降之后，电压缓慢下降。其中阴极面积0.1m²，阴极获得的最大功率密度为81mW/m²。

分别检测装置运行一段时间后底泥中TOC、TN、PAH的变化情况。发现经长时间运行60天，生物电化学系统生物基阳极区域底泥底层有机质含量出现明显下降，而无促进有机物降解并原位修复受污染水体的装置的空白实验底泥中有机质含量无明显变化，说明该装置生物基阳极对底泥中有机质去除效果明，运行60天底泥沉积物中有机碳去除率可达到40％以上。如图3-5所示。

图3为TOC的变化柱状图，1为原始哈尔滨阿什河松花江入水口段受污染底泥中的TOC含量值，2为使用促进有机物降解并原位修复受污染水体的装置在电阻为10Ω下运行30天的TOC含量值，3为无促进有机物降解并原位修复受污染水体的装置的空白实验运行30天的TOC含量值，4为使用清水冲刷30天的TOC含量值，5为使用促进有机物降解并原位修复受污染水体的装置在电阻为10Ω下运行60天的TOC含量值，6为无促进有机物降解并原位修复受污染水体的装置的空白实验运行60天的TOC含量值，7为使用清水冲刷60天的TOC含量值，清水冲刷底泥即用连续流自来水以400L/h的速度流过反应器，对污染物进行稀释。

图4为TN的变化柱状图，图4中1为原始哈尔滨阿什河松花江入水口段受污染底泥中的TN含量值，2为使用促进有机物降解并原位修复受污染水体的装置在电阻为10Ω下运行30天的TN含量值，3为无促进有机物降解并原位修复受污染水体的装置的空白实验运行30天的TN含量值，4为使用清水冲刷30天的TN含量值，5为使用促进有机物降解并原位修复受污染水体的装置在电阻为10Ω下运行60天的TN含量值，6为无促进有机物降解并原位修复受污染水体的装置的空白实验运行60天的TN含量值，7为使用清水冲刷60天的TN含量值。

图5为PAH的变化柱状图，图5中1为原始哈尔滨阿什河松花江入水口段受污染底泥中的PAH含量值，2为为使用促进有机物降解并原位修复受污染水体的装置在电阻为10Ω下运行60天的PAH含量值，3为无促进有机物降解并原位修复受污染水体的装置的空白实验运行60天的PAH含量值，4为使用清水冲刷60天的PAH含量值。

生物电化学系统生物基阳极区域底泥底层有机质含量出现明显下降，而无生物电化学系统的空白实验底泥中有机质含量无明显变化，说明该装置生物基阳极对底泥中有机质去除效果明显。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域， 均同理包括在本发明的专利保护范围内。