一种微生物燃料电池修复城市感潮河涌黑臭底泥的设备的制作方法

本实用新型涉及环境污染治理技术领域，尤其涉及一种微生物燃料电池修复城市感潮河涌黑臭底泥的设备。

背景技术：

城市感潮黑臭河涌底泥，即河涌底部的沉积物，是各种污染物的汇集地，如重金属、有机化学品和营养物质。随着工业的快速发展及人口的迅速增长，大量工业、农业污染物通过大气沉降、废水排放、雨水淋溶与冲刷进入到水体中，由于河流本身的调蓄作用弱、纳污能力小、载污能力不够，污染物超过了河流的自净能力，污染物不断聚集，其中相当一部分会累积在底泥中，使底泥受到污染对水生生态系统造成威胁，河流水质恶化并散发出恶臭，导致周边环境十分恶劣，对人类健康产生不利影响。目前水体底泥的修复技术主要包括原位修复(如掩蔽技术、植物及微生物修复技术、投加絮凝剂及还原剂等)和异位修复(底泥疏浚、气充氧、固化填埋及堆肥等)，用的最多的是底泥疏浚，但其处理成本高、工程量大、在处理过程中会对周边环境产生很大影响且疏浚底泥还需进行额外的无害化处理处置，其他的物理化学处理处置方法也各自存在一定的问题。

而将微生物燃料电池mfcs技术引入底泥污染治理领域，在修复底泥的同时回收能源，原则上可以大大降低水体底泥的处理成本，同时实现对底泥的资源化利用，无疑是水体底泥处理理念的重大革新，具有明显的创新意义和实用价值。

现有技术中，利用海底沉积物中的有机物进行发电，被称为“无人看守海底发电机”，基于沉积物微生物燃料电池(smfc)的水体污染修复技术逐渐发展起来。在smfc中，阳极通常置于缺氧的水底沉积物，而阴极则悬于阳极上方的含氧水中，阴阳极之间以导线相连，并接一电阻构成闭合回路。在厌氧微生物的催化作用下，沉积物中的有机物在阳极区被氧化，产生的电子透过细胞膜传递到阳极，再经外电路转移至阴极。另一方面，氧化过程中产生的氢离子则通过上覆水-沉积物界面传递到阴极区，上覆水中的溶解氧接受电子后与氢离子结合生成水，完成氧气的还原过程。在smfc中，阳极作为电子受体接受微生物氧化有机物过程中产生的电子，因而可以加速沉积物中有机物的去除，同时产生电流。大部分沉积物微生物燃料电池的研究集中在海洋环境中，而淡水河流中的研究比较少。这是因为海水具有比淡水高的电导率。在20℃下，海水的电导率可达到50000μs·cm^-1，而淡水的电导率仅为500μs·cm^-1。由于电解质的电导率是影响mfc内阻的重要因素之一，电导率越高，内阻越小，因而海水smfc能够产生比淡水smfc更高的电量。

因此，在淡水型流域利用smfc的污染治理中，如何大面积、低成本、持续可靠的提高淡水的电导率，尤其是对于接近底泥的上覆水的电导率，一直是一个难以克服的技术难题。

现有研究评估了smfc在产电的同时对沉积物中有机物质的去除能力。有人以多孔石墨电极运行smfc，160天后，阳极1cm范围内的总有机质含量下降了30％，而距离阳极较远处及开路状态下有机质含量几乎没变化。这说明在闭合状态下smfc氧化沉积物有机物的能力得到提升。另外，沉积物中有机物的降解与电流的形成是相一致的，电流越大则表明有机物降解越多。虽然smfc适用于对沉积物的修复，但其产电能力和污染物去除能力仍然受到电极间距大、阴极氧气利用率低等限制。因此，如何在流域污染治理中，克服电极间距大、阴极氧气利用率低等限制，也是急需解决的技术问题。

现有研究还表明，smfc形成短路可提高污染治理效率。该研究通过构建一种沉积物微生物燃料电池对富营养化湖泊水体中的氮进行原位去除，并同时产生电能。结果显示，在富含硝酸盐和亚硝酸盐的合成湖泊水中，smfc所能达到的最大功率密度分别为42mw·m^-2和36mw·m^-2，同时硝态氮和亚硝态氮的去除率分别达到62％和77％。在闭合状态下，smfc对氮的去除可达开路状态下的4倍。根据物质守恒定律，在该smfc系统中，大部分去除的硝态氮和亚硝态氮被还原成氮气。smfc也可以有效地对水产养殖水体进行原位修复。有研究人员构建了两个smfc系统，一个连接外电阻构成闭合回路(smfc-1)，一个形成短路(smfc-2)。两个系统分别在不同的条件下运行，考察它们对水产养殖水体中cod和tkn的原位去除效果。但是，上述研究仅为在小范围应用实验的结果，如何在大流域废水及污泥治理中，低成本快速构建smfc，并使其两极形成持续稳定的短路，对大流域废水及污泥治理进行持续稳定高效的治理，也是一个不容易克服的技术难题。

现有研究发现smfc的输出电流与阴极区的溶解氧浓度密切相关。上覆水中的溶解氧在阴极的还原速率是smfc性能的限制因素之一。结果发现，在对阴极区曝气和不曝气两种情况下，smfc-2均表现出比smfc-1更高的去除率。曝气时，smfc-1和smfc-2对cod和tkn的去除率分别为79.4％、92.6％和84.4％、95.3％。当溶解氧浓度跌至低于5mgo2·l^-1时，电流会急剧下降。这意味着在野外运行smfc时，应充分考虑溶解氧条件，建议维持在5mgo2·l^-1以上。但是，持续曝气的成本高、覆盖区域有限，如何在大流域河涌治理中，无需曝气使底泥上覆水的溶解氧条件维持在设定的水平之上，也是制约smfc大规模应用的技术难题之一。

因此，现有应用于河涌污染治理的微生物燃料电池处理技术，还存在河涌底泥上覆的淡水导电率低、溶氧量低的问题，电极间距大、阴极氧气利用率低的问题，以及整体治理成本高、难以大规模施工、效果难以持续等问题，因此现有技术难以将微生物燃料电池技术规模化应用于流域级污水及底泥的治理，更没有将其用于流域级污染综合治理的案例，因此严重限制了微生物燃料电池在流域污染治理领域的应用和发展。

因此，需要研究一种新的微生物燃料电池修复城市感潮黑臭河涌底泥的设备，以实现流域级大区域淡水河涌污染低成本、高效及长效综合治理的目的。

技术实现要素：

针对上述不足，本实用新型的目的在于提供一种微生物燃料电池修复城市感潮河涌黑臭底泥的设备，其施工低成本、持续性强、环境友好，铺设形成的微生物燃料电池系统可同时实现能量回收与河涌黑臭底泥等有机污染物的去除。

本实用新型为达到上述目的所采用的技术方案是：

一种微生物燃料电池修复城市感潮河涌黑臭底泥的设备，其特征在于，其包括一船体，船体上设有碳粒混合罐、绞盘支架及绞盘、射流泵；所述的碳粒混合罐将碳粒与水进行混合形成碳粒混合液；所述的碳毡阳极及碳毡阴极卷设在绞盘支架上、并可随该绞盘的转动而铺设到底泥或水体中；所述的射流泵泵体上分别连接有压力气体导管、河水导管、碳粒混合液导管、射流出水导管，其中所述的压力气体经导管通入向射流泵内，其产生的负压将河水经导管、碳粒混合液经导管吸入到射流泵内，三者在射流泵内混合后，经射流出水导管喷射入河涌黑臭底泥、将底泥吹起，在破坏沉积物-水界面、使底泥悬浮、露出沉积物-水界面下部河床的同时，将碳粒混合在沉积物内、并一起重新沉积到河床铺设的碳毡阳极上；使铺设的碳毡阳极、碳毡阴极与底泥、水体共同构成微生物燃料电池系统。

所述船体上还设有一支撑架及张紧轮，用来支撑所述绞盘支架输送来的碳毡，并将其导入到水体中、进行连续铺设。

所述的碳毡阳极，其包括上下两片活性碳纤维毡、及在活性碳纤维毡中间夹设的一片平铺的铜箔，多根铜丝分别以纳鞋底的方式多次穿过活性碳纤维毡及铜箔，然后引向碳毡中央，将重遇后的多根铜丝扭成一股作为阳极导线，形成碳毡阳极。

所述的碳毡阴极，包括上下两片活性碳纤维毡、及在其中间夹设一片平铺的铜箔，多根铜丝分别以纳鞋底的方式多次穿过活性碳纤维毡及铜箔，然后引向碳毡中央，将重遇后的多根铜丝扭成一股作为阴极导线，在上下两片活性碳纤维毡上分别设置塑料泡沫悬浮物，形成碳毡阴极。

所述的用射流泵将设定量的碳粒混合液喷射入河涌黑臭底泥、将底泥吹起，其冲击力破坏沉积物-水界面、使底泥悬浮、露出沉积物-水界面下部的河床，使碳粒混合入底泥中、形成底泥-碳粒混合层。

所述的碳毡阳极铺设在河床上表面、底泥-碳粒混合层下方，其将河床上表面覆盖，与底泥-碳粒混合层共同形成微生物燃料电池的阳极区。

所述碳毡阴极悬浮铺设在碳毡阳极上方位置、设定的水体高度范围内，该碳毡阴极与碳毡阳极之间由导电线缆连接直接短路、或在中间再串接一阻抗负载构成闭合回路，形成一完整的微生物燃料电池系统。

所铺设的碳毡阳极与碳毡阴极的面积比，将碳毡阳极与碳毡阴极面积比设置为碳毡阳极：碳毡阴极面积比＝1：2～4，所组成微生物燃料电池的产电效率与碳毡阳极面积关系如下：

pan＝i²rext/aan

式中，pan为功率密度，mw/m²；rext为外电阻，kω；i为电流，ma；aan为阳极电极表面积，m²。

所述的碳毡阳极水平埋设于沉积物-水界面下方5～15厘米处；将碳毡阴极水平悬浮于沉积物-水界面上方10cm～50cm处，并将二者的导线相互连接，碳毡阴极通过导线固定在水体中、并保持在设定的高度上。

所述混合在沉积物内即混合到底泥中的碳粒重量比例为污泥干重的1％～5％。

本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型提供专用的船体设备施工，通过对碳毡、碳粒的连续铺设和混合作业，可实现利用smfc的淡水型流域污染治理中，大面积、低成本、持续可靠施工问题，可大幅提高淡水的电导率，克服了对于接近底泥的上覆水的电导率难以提升的技术难题。

(2)本实用新型提供的设备，通过射流向底泥中混合入碳粒，增加底泥的导电性能，同时采用导向连接较大面积的碳毡阳极、碳毡阴极使碳粒(生物碳颗粒)与底泥在射流的作用下充分混合，所形成生物碳与底泥的混和物作为微生物燃料电池的阳极底物，增强了底泥的导电性能，增加了微生物燃料电池中微生物的负载量，其具有的良好的导电性降低了内阻提高电子迁移速率，有利于加快底泥污染物氧化-还原速度，加快底泥的修复速度、效率，从而有利于实现产电速率的提升和底泥处理资源化。经过实际测试，其可以缩短黑臭河涌治底泥治理时长、起效快、可提高治理效率20-40％。

(3)本实用新型中设备所采用的生物碳，是污泥或农林废弃物在缺氧气氛下热解得到的固态产物，具有大比表面积良好的孔隙结构，大多来源于污泥或者农林废弃物，来源广泛，可随处获得，价格低廉，性质稳定，有利于稳定底泥中重金属、降解有机污染物，不会带来二次污染，且不会对水生动植物及生态系统造成不良影响；采用的碳粒通过提高阳极底物的导电性，增大产电菌附着面积进而增强微生物燃料电池性能。本实用新型利用生物碳构建微生物燃料电池系统并提高其的性能，可以实现对于生物质的资源化利用与环境污染治理的双重作用，提高了其经济价值，并降低了环境治理成本。

(4)本实用新型提供的由碳毡阳极、碳毡阴极等组成的微生物燃料电池系统，一次布设可以长期使用，其有效使用寿命长(一般可达到2-3年)，投资小，方便施工，不需要人工值守，可以方便快捷的进行流域化施工，可大幅降低黑臭河涌治理修复的投资及施工成本，可实现对流域级淡水河涌黑臭底泥产业化、规模化、持久化、生态化持续性的修复。

(5)本实用新型提供的专用设备，通过射流泵的作业，一方面可以实现向底泥中混入碳粒，同时可以实现向底泥及水体中曝气操作，增加水体中的溶氧，其结构设计巧妙、简洁、实用，易于操作，易于大面积施工。射流泵可以实现对于河水和碳粒混合液的同时抽取、混合，一机两用，大大简化了操作步骤，减少了设备数量。

本实用新型通过上述方案，重点克服了多个技术难题，解决了感潮型河流黑臭底泥污染生态治理面临的产业化、规模化、持久化、起效快等问题，同时还解决了低成本、大范围、快速施工的问题。

上述是实用新型技术方案的概述，以下结合附图与具体实施方式，对本实用新型做进一步说明。

附图说明

图1是本实用新型提供的专用设备的整体结构示意图；

图2是本实用新型提供的碳毡电极的制备流程及结构示意图；

图3是实施例1提供的单微生物燃料电池系统的输出电压图；

图中：1、船体，2、水面线；21、水体；3、沉积物-水界面；31、沉积物(河涌黑臭底泥)；4、射流泵；41、压力气体导管；42、河水导管；43、碳粒混合液导管；44、射流出水导管；5、碳粒混合罐，6、绞盘支架及绞盘，7、碳毡(片)；72、碳毡阳极；碳毡阴极71；73、碳纤维毡片；74、铜箔；75、铜丝(导线)。

为更进一步阐述本实用新型为达到预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图与较佳实施案例，对本实用新型的具体实施方式详细说明。

具体实施方式

实施例1：参见附图1～3，本实用新型提供的微生物燃料电池修复城市感潮河涌黑臭底泥的设备，采用船体1连续施工形成微生物燃料电池系统，其中碳毡电极直接短路法或串入阻抗负载9、构成单微生物电池系统对底泥进行修复。具体应用于华南地区某淡水河涌黑臭底泥的修复和治理，该河涌平均水深1.2米，河涌平均宽度120米，河涌水体为城市富氧生活污水，其黑臭底泥平均厚度为5～10厘米，多为生活垃圾及其他有机物沉积而成。

一种微生物燃料电池修复城市感潮河涌黑臭底泥的设备，其包括一船体1，该船体1在工作时，部分没入水面线2以下的水体2中；该船体1上设有碳粒混合罐5、绞盘支架及绞盘6、射流泵4；所述的碳粒混合罐5将碳粒与水进行混合形成碳粒混合液；所述的碳毡阳极72及碳毡阴极71层叠卷设在绞盘支架6上、并可随该绞盘6的转动而逐步展开、铺设到底泥或水体中；所述的射流泵4泵体上分别连接有压力气体导管41、河水导管42、碳粒混合液导管43、射流出水导管44，其中所述的压力气体经导管41通入向射流泵4内，其产生的负压将河水经导管42、碳粒混合液经导管43吸入到射流泵4内，三者在射流泵4内混合后，经射流出水导管44喷射入河涌黑臭底泥、将底泥吹起，其冲击力在破坏沉积物-水界面3、使底泥(即沉积物)31悬浮、露出沉积物-水界面3下部河床的同时，将碳粒混合在沉积物内、并一起重新沉积到河床铺设的碳毡阳极72上，以显著提高沉积物的导电性；使铺设的碳毡阳极72、碳毡阴极71与底泥31、水体21共同构成微生物燃料电池系统，实现对城市感潮河涌黑臭底泥的修复。

所述船体1上还设有一支撑架及张紧轮8，用来支撑所述绞盘支架及绞盘6输送来的碳毡7，并将其导入到水体21中，形成微生物电池系统i。实际施工时，一般采取与河涌表面径流相反的方向进行作业，以获得更好的作业效果。

所述的射流泵4将设定量的碳粒7混合液喷射入河涌黑臭底泥31、将底泥31吹起，其冲击力破坏沉积物-水界面3、使底泥31悬浮、露出沉积物-水界面3下部的河床，使碳粒7混合入底泥中、形成底泥-碳粒混合层。

所述的碳毡阳极71铺设在河床上表面、底泥-碳粒混合层下方，其将河床上表面覆盖，与底泥-碳粒混合层共同形成微生物燃料电池的阳极区。

所述碳毡阴极72悬浮铺设在碳毡阳极71上方位置、设定的水体21高度范围内，该碳毡阴极72与碳毡阳极71之间由导电线缆75连接直接短路、或在中间再串接一阻抗负载构成闭合回路，形成一完整的微生物燃料电池系统。

所述的碳毡片7，即活性碳纤维毡、简称碳毡。

所述的碳粒、碳毡7均为生物碳，是采用如下步骤制成：

以农业废弃物作物秸秆为前驱材料，在65±5℃下烘干样品，再用植物粉碎机将其粉碎并过筛；将其装入带盖的容器中，置于马弗炉等高温炉内缺氧炭化制备生物碳；马弗炉采用程序升温的方法为以5℃/min升温，直至500℃-700℃保持1-3小时，再自然降温，制得生物碳。

所述的碳毡阳极72、碳毡阴极71均为层状改性碳毡7，其改性是采用如下步骤完成的：

先用丙酮浸泡碳毡3h，以除去吸附在其表面的油性物质，增加碳毡表面的亲和性；用真空泵抽洗5次，然后用去离子水洗干净，用去离子水煮沸3h(30min换一次水)，烘干；最后将处理过的碳毡浸入浓硝酸(2mol·l^-1)中5h，用去离子水洗涤至中性，烘干。

所述碳毡阳极72为层状结构，其是在上下两片活性碳纤维毡73中间夹设一片平铺的铜箔74，然后将多根铜丝75分别以纳鞋底的方式多次穿过活性碳纤维毡73及铜箔74，然后引向碳毡73中央，将重遇后的多根铜丝扭成一股作为阳极导线75，形成碳毡阳极72。

所述的碳毡阴极71也是层状结构，是在上下两片活性碳纤维毡73的中间夹设一片平铺的铜箔74，然后将多根铜丝75分别以纳鞋底的方式多次穿过活性碳纤维毡73及铜箔74，然后引向碳毡73中央，将重遇后的多根铜丝75扭成一股作为阴极导线75，在上下两片活性碳纤维毡73上分别设置多个塑料泡沫悬浮物(图中未示出)，形成悬浮式碳毡阴极71。

所述的碳毡阳极72水平埋设于沉积物-水界面3下方5～15cm处(及底泥31下方)；所述碳毡阴极71水平悬浮于沉积物-水界面3上方10cm～50cm处；将阳极与阴极二者的导线75相互连接，碳毡阴极71通过导线75被固定在水体中、并保持在设定的高度上，形成微生物电池系统，对底泥进行修复治理。

为进一步提高底泥的导电率，使混合到底泥中的碳粒含量的重量比例，为干重污泥的1％～5％，具体比例可以根据底泥的成分进行选择。

在构成微生物电池系统时，碳毡阳极72与碳毡阴极71的面积比，优化的将碳毡阳极72与碳毡阴极71面积比设置为碳毡阳极72：碳毡阴极71面积比＝1：2～4，所组成微生物燃料电池系统的产电效率与碳毡阳极72面积关系如下：

pan＝i²rext/aan

式中，pan为功率密度，mw/m²；rext为外电阻，kω；i为电流，ma；aan为阳极电极表面积，m²。

一种微生物燃料电池修复城市感潮河涌黑臭底泥的设备，其工作时包括如下步骤：

(1)制备生物碳，并将其进一步制成为碳毡片7和碳粒，再进一步制成碳毡阳极72、碳毡阴极71；

(2)用射流泵4产生的射流，将设定量的碳粒混合液喷射入河涌黑臭底泥31(即河涌水体底部沉积物)、将底泥31吹起，其冲击力破坏沉积物-水界面3、使底泥31悬浮、露出沉积物-水界面3下部的河床，此时向该河床上表面铺设碳毡阳极72、使其将河床上表面覆盖，同时向碳毡阳极72上方对应位置、设定的高度范围内铺设悬浮的碳毡阴极71，该碳毡阳极72与碳毡阴极71之间由导电线缆75连接；

(3)当悬浮的底泥31与碳粒的混合物逐渐沉积到河床上表面时，因河床上表面已经被碳毡阳极72覆盖，因此其沉积到碳毡阳极72上相互混合后、形成微生物燃料电池的阳极区；设置在碳毡阳极72上方的碳毡阴极71与溶氧水混合后，形成微生物燃料电池的阴极区；碳毡阳极72与碳毡阴极71之间由导电线缆75连接直接形成短路、或在中间再串接一阻抗负载9(本实施例中为1000ω的电阻)构成闭合回路，即形成一完整的微生物燃料电池系统i；

(4)河涌底泥(即沉积物)31中的有机物在厌氧微生物的催化作用下，在阳极区被持续氧化，产生的电子透过细胞膜传递到阳极，再经导线75转移至阴极；同时，氧化过程中产生的氢离子则通过上覆水-沉积物界面3传递到阴极区，上覆水21中的溶解氧接受电子后与氢离子结合生成水，完成氧气的还原过程，加速底泥31中有机物的去除，实现对城市感潮河涌黑臭底泥的生态化持续性修复。

本实用新型提供设备铺设而成的微生物燃料电池系统，适合于大面积施工，其运行无需人工干预，其治理时间长(可达2-3年)，效果好。

图3是本实施例实测沉积物微生物燃料电池的运行效果图。

对实施例1在提高微生物燃料电池性能效果，对底泥能量回收、修复效果等进行测试。图3中分别显示了阳极底物(底泥31)中分别混合有0％、2％、5wt％生物活性碳粒的测试效果(含量按照底泥干重计算)。该微生物燃料电池系统i输出电压在运行周期内的变化曲线，可以看出，整个微生物燃料电池系统运行周期为550h，5％、2％生物碳底泥为底物的微生物燃料电池系统，其放电电压明显高于不含生物碳粒的系统，5％底泥含量的发电电压平均为不含碳粒的5倍以上，即其修复速度为不含碳粒的5倍以上，对应的治理时间缩短5倍以上，可以达到快速起效的目的。此运行期间，外电路接1000ω负载电阻9，环境温度为(30±1)℃。

本实用新型通过上述技术方案，重点解决了感潮型河流黑臭底泥污染生态治理面临的产业化、规模化、持久化、起效快等问题，同时还解决了低成本、大范围、快速施工的问题。

显然，本实用新型不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。