一种生物质炭基多功能漂浮湿地系统的制作方法

本发明涉及废弃生物质资源化及污染水体治理领域，具体涉及一种生物质炭基多功能漂浮湿地系统。

背景技术：

随着中国经济社会的快速发展，生活污水排放量急剧增长，河道水体污染问题日益突出；同时，农业上过量施用的农药、化肥会随地表径流汇入河道，使河道中氮、磷、有机物含量超标，引起水体富营养化。漂浮湿地是较为有效的富营养化水体修复技术，在河道的修复中应用广泛。传统漂浮湿地以植物为主体，通过植物根系摄取水体中的氮、磷等营养物质，达到净化水体的目的。

然而，随着生态漂浮湿地技术研究和应用的不断深入，有关生态漂浮湿地的缺陷性和不足之处也逐渐显示。传统生态漂浮湿地的基质和填料以沙石、陶粒为主，对氮、磷、有机物吸附能力差；植物难以从中摄取足够的营养物质，成活率低，易腐烂；浮体部分主要由pvc塑料组成，安装费力耗时，具有二次污染的风险；而且传统的漂浮湿地仅利用植物去除污染物，功能单一，水体净化效率低。

生物质炭是以生物质为原料，经高温热解制备而成的多孔炭材料，比表面积大，表面官能团丰富，能够有效吸附水体中氮、磷、有机物等污染物；而且部分生物质炭具有良好的导电能力，能够用于制备电极材料，通过生物质炭电极构成的微生物燃料电池，能够加速水体中的有机物分解；湿地植物能够回收利用作为制备生物质炭的原材料。因此，本发明涉及的生物质炭基多功能漂浮湿地系统，能够解决现有技术的不足。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中的不足，本发明提供了一种用于修复染水体的生物质炭基多功能漂浮湿地系统，以解决传统漂浮湿地基质功能性差、植物易腐烂、具有二次污染风险的难题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种生物质炭基多功能漂浮湿地系统，包括：

海绵炭浮床；

包覆所述海绵炭浮床的固定网；

与所述固定网连接的固定装置；

设置在所述海绵炭浮床内的生物质炭电极；

与所述生物质炭电极连接的led灯；

种植在所述海绵炭浮床上的植物

以及设置在所述海绵炭浮床下方的电极生物膜装置。

本发明中，所述海绵炭浮床包覆在固定网内；所述海绵炭浮床是由能够漂浮的海绵炭构成，所述海绵炭是由孔隙发达的高吸附性生物质炭粘结构成；海绵炭浮床配有生物质炭电极，所述生物质炭电极是由多孔生物质炭制备而成；所述植物能够种植于海绵炭浮床上。从上述方案可以看出，本发明是利用自身具备漂浮能力的海绵炭浮床来种植植物的，不需要额外的塑料浮体为湿地提供漂浮功能；高吸附性海绵炭还具备有效吸附水体中氮、磷、有机物等污染物的作用，一方面能够加速水体污染物的去除，另一方面起到富集植物生长所需营养物质的功能，促进植物生长；海绵炭浮床孔隙发达，植物根系能够自由生长于其中，摄取其吸附的营养物质，从而达到海绵炭浮床吸附能力再生的目的。

所述的海绵炭浮床由长50cm、宽50cm、高60cm的块状生物质基海绵炭拼接构成，即所述的海绵炭浮床由块状生物质基海绵炭拼接构成，根据实际需要拼接而成的生物质基海绵炭浮床包覆在所述固定网内。所述的生物质基海绵炭浮床能够漂浮于水中，其每平方米的总浮力大于50kg，具备吸附水体中氮、磷和有机物的能力。固定网、生物质基海绵炭浮床和固定锚共同构成了生物质基多功能漂浮湿地系统的主体，具备漂浮湿地面积大小可控、安装方便、固定方式简单、适用水体广泛等特点。

对上述技术方案进一步细化：所述高吸附性海绵炭由孔隙发达的高吸附性生物质炭粘结构成，用于制备海绵炭的高吸附性生物质炭是由植物、农作物秸秆、竹粉、木料等废弃生物质在缺氧或无氧条件下400～850℃高温热解2～4h制备得到，起到废弃生物质资源化利用的作用。生物质炭的孔体积为200～800cm³/kg，生物质炭表面的孔隙直径为0.1～10μm，比表面积为600～1000m²g^-1，表面能够为微生物提供栖息场所。多孔且表面积巨大的生物质炭，能够有效吸附水中的氮、磷和有机物等污染物，使海绵炭浮床具备高效的水体净化功能；而且吸附营养物质的生物质炭是一种良好的植物栽培基质，能够为植物生长提供充足的养料。即所述的块状生物质基海绵炭采用孔隙发达的生物质炭，海绵炭的孔体积为200～800cm³/kg，海绵炭表面的平均孔隙直径为0.1～50μm，比表面积为600～1000m²g^-1。

所述的生物质基海绵炭的制备方法如下：

以高粱壳粉作为废弃生物质原料，将高粱壳粉粉碎为100～300目的细颗粒，将其和去离子水混合，搅拌均匀，在其中按比例加入尿素、聚乙烯醇和聚氨酯，高粱壳粉、尿素、聚乙烯醇和聚氨酯质量比为10:1:0.5:0.5，利用氢氧化铵和硝酸调节反应ph，反应1h后，将所得样品在110℃干燥12h，将所得样品在通入氮气保护的条件下，在750℃高温热解3h制备得到生物质基海绵炭(即高吸附性生物质基海绵炭)，海绵炭的孔体积为800cm³/kg，表面的平均孔隙直径为40μm，比表面积为900m²g^-1。

所述的固定装置包括固定绳和固定锚，所述的固定网和固定绳由强度高、耐磨性好、不易老化的改性尼龙材料构成，固定网的网眼的大小为5～20cm，固定锚为不锈钢梨锚，固定绳的一端与所述固定锚连接，固定绳的另一端与包覆所述生物质基海绵炭浮床的固定网连接。

所述的生物质炭电极由经过处理的生物质炭挤压成圆柱形而构成，用于制备电极的生物质炭是由红松、杨木、竹粉、大豆秸秆等一种或多种生物质在缺氧或无氧条件下700～850℃高温热解2～4h，再经过硝酸和盐酸酸洗后制备得到。生物质炭电极的直径为0.5～4cm，长度为60～70cm；所述的生物质炭电极具备良好的耐磨强度和耐压强度，表面能为微生物提供栖息场所。生物质炭电极、生物质基海绵炭能和微生物构成微生物燃料电池，包括阴极、阳极以及与所述阴极、阳极通过铜丝导出相连的led灯，构成的微生物燃料电池在微生物和生物炭电极的协同作用下，一方面能够促进水体中有机物分解为水和二氧化碳，加水水体净化效率；另一方面微生物燃料电池产生的点能够用于点亮led灯，将led灯制作成具有当地文化特色的图案，为漂浮湿地提供夜间景观美化的功能。

所述的生物质炭电极的制备方法如下：

以竹粉作为废弃生物质原料，将其粉碎为800～1000目的粉末，将其加入去离子水中，超声洗涤30min，再用去离子水漂洗至ph为中性，过滤后，110℃烘干，在其中按比例加入石墨粉，竹粉和石墨粉的质量比为100:0.5，然后在氮气保护条件850℃高温热解2h制备得到电极原料生物质炭，电极原料生物质炭经过硝酸和盐酸酸洗后，再通过磨具挤压成型，制备得到具有良好耐压和耐磨强度的生物质炭电极

所述的电极生物膜装置包括太阳能电池板、核壳型生物炭电极和反硝化菌、厌氧氨氧化菌等微生物膜(附着在所述核壳型生物炭电极上的微生物膜)，核壳型生物炭电极安装于所述海绵炭浮床下方，所述的太阳能电池板安装于所述海绵炭浮床上方，能够提供0.01～0.5a的电流，通过导线将太阳能电池板的负极和正极分别同核壳型生物炭电极相连，核壳型生物炭电极包括生物质炭电极以及包裹所述生物质炭电极上的生物质基海绵炭壳层，以生物质炭电极为核，以生物质基海绵炭壳层为壳，其中生物质炭电极作为核被包裹于具有浮力的生物质基海绵炭壳层中，具体制备方法为先用模具制备得到中空的海绵炭环形柱作为壳，再将生物炭电极作为核插入其中，组成核壳型生物炭电极。微生物生长于生物质炭电极及海绵炭表面，形成生物膜，通入的电流能够刺激生物膜中的微生物将硝酸根还原为氮气，加速水体中硝态氮的去除效果。

所述的植物可以是芦苇、再力花、菖蒲等景观植物，也可以是选育的生菜、西红柿、黄瓜等水培经济作物，经过多种植物复配组合，不仅具有观赏功能，还能产生一定的经济效益，植物残体能够回收利用于制备生物质炭，实现漂浮湿地植物回收利用的目的。

所述生物质炭基多功能漂浮湿地系统主要材质为生物质炭，长期使用后，海绵炭浮床能够回收用于土壤改良，无二次污染。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过生物质基海绵炭自身的浮力解决整个系统的浮力问题，不再需要传统的塑料浮体，是系统具备漂浮功能，有效防止传统塑料浮体废弃后带来的二次污染；采用的生物质基海绵炭及生物质炭电极材料均由农业废弃生物质、林业废弃生物质等原料制备的生物质炭进一步加工改性获得，同时，漂浮湿地中的废弃植物也可作为原料制备生物质炭，避免湿地植物腐烂堆积造成二次污染，具备废弃生物质资源化利用功能；生物质基海绵炭对氮、磷和有机物等污染物的吸附能力强，有利于促进植物生长，微生物繁殖，在微生物、植物和生物炭的耦合作用下显著强化水体净化效果；微生物燃料电池在去除污染物时产生的电能还可应用于给led灯供电，不需要额外增加电耗，实现了水质净化与景观美化功能的和谐统一；电极生物膜装置能够加速水中硝态氮的去除效率；可种植经济作物，在实现水体净化的同时，产生额外的经济价值等特点。本发明无需占用土地，适应不同水利条件的稳固要求，可应用于各类水体修复，可将水体中氮、磷、有机物等污染物的去除效率提高10～30％，使市政河道污染水体处理成本节约15％，快速构建水生态景观，提升环境效应，无二次污染。

本发明由生物质炭电极构成的微生物燃料电池可促进水中有机物分解，电极生物膜装置能够促进水中硝态氮的去除。本发明适应不同水利条件的稳固要求，可应用于修复河道等各类水体，可有效降低水体氮、磷、有机物等污染物质含量；本发明采用的生物质基海绵炭不仅避免了使用额外的浮力部件，还能促进湿地植物生长，解决了传统浮床植物成活率低，浮体易造成二次污染的难题，快速构建水生态景观，提升环境效应；本发明在去除污染物的同时，能够产电供led灯发光，不需要额外增加电耗；后期维护管理费用低，服务到期的生物质炭浮床能够用于土壤改良，实现废弃物资源化利用；且漂浮湿地可种植经济作物，提升经济价值，经济效益明显。

附图说明

图1为本发明生物质炭基多功能漂浮湿地系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明为一种生物质炭基多功能漂浮湿地系统，包括：led灯1、生物质炭电极2、海绵炭浮床3、固定网4、固定绳5、固定锚6、植物7、核壳型生物炭电极8、太阳能板9。

以高粱壳粉作为废弃生物质原料，将高粱壳粉粉碎为100～300目的细颗粒，将其和去离子水混合，搅拌均匀，在其中按比例加入尿素、聚乙烯醇和聚氨酯，质量比为10:1:0.5:0.5，利用氢氧化铵和硝酸调节反应ph，反应1h后，将所得样品在110℃干燥12h。将所得样品在通入氮气保护的条件下，在750℃高温热解3h制备得到高吸附性生物质基海绵炭，海绵炭的孔体积为800cm³/kg，表面的平均孔隙直径为40μm，比表面积为900m²g^-1。高吸附性生物质炭能够快速吸附水体中的氮、磷和有机物等污染物，且其表面能够为分解有机物、进行反硝化作用的微生物提供栖息场所，利用微生物加速污染物的分解转化。

将海绵炭组装成海绵炭浮床，其每平方米的总浮力大于50kg。利用长50cm、宽50cm、高60cm的块状生物质基海绵炭拼接构成海绵炭浮床3，海绵炭浮床3包覆在由强度高、耐磨性好、不易老化的改性尼龙材料构成固定网4内，固定网4的网眼为10cm。根据实际需要拼接而成面积为20平方米的生物质基海绵炭浮床，海绵炭浮床3具备吸附水体中氮、磷和有机物的能力，能够种植植物，并为种植于其表面的植物提供充足的营养物质。

由改性尼龙材料制备得到的固定绳5的一端与包覆在海绵炭浮床外的固定网4相连接，固定绳5的另一端与梨型固定锚6连接，固定锚6一共设置五个，分别固定于漂浮湿地周长四等分处和中间位置，将固定锚6沉没到水底，实现漂浮湿地的固定。

以竹粉作为废弃生物质原料，将其粉碎为800～1000目的粉末，将其加入去离子水中，超声洗涤30min，再用去离子水漂洗至ph为中性，过滤后，110℃烘干，在其中按比例加入石墨粉，竹粉和石墨粉的质量比为100:0.5，然后在氮气保护条件850℃高温热解2h制备得到电极原料生物质炭，生物质炭经过硝酸和盐酸酸洗后，再通过磨具挤压成型，制备得到具有良好耐压和耐磨强度的生物质炭电极2，生物质炭电极2的直径为4cm，长度为60cm，生物质炭电极2具备良好的耐磨强度和耐压强度，表面能为微生物提供栖息场所。将生物质炭电极2插入海绵炭浮床3中，利用铜丝导线将表面长有微生物的厌氧区生物质炭电极3、好氧区的电极及led灯1连接起来构成漂浮湿地微生物燃料电池，加速水体中有机物的分解速率，通过布置led灯1的结构，形成符合当地特色的图案，美化夜间景观。

电极生物膜装置包括太阳能电池板9、核壳型生物炭电极8和反硝化菌、厌氧氨氧化菌等微生物膜，电极生物膜装置安装于海绵炭浮床3下方，安装于海绵炭浮床3上方的太阳能电池板9能够提供0.3a的电流，通过导线将太阳能电池板9的负极和正极分别同核壳型生物炭电极8相连，核壳型生物炭电极8包括生物质炭电极以及包裹所述生物质炭电极上的生物质基海绵炭壳层，以生物质炭电极为核，以生物质基海绵炭壳层为壳，其中生物质炭电极作为核被包裹于具有浮力的生物质基海绵炭壳层中，具体制备方法为先用模具制备得到中空的海绵炭环形柱作为壳，再将生物炭电极作为核插入其中，组成核壳型生物炭电极。微生物生长于生物质炭电极及海绵炭表面，形成生物膜，通入的电流能够刺激生物膜中的微生物将硝酸根还原为氮气，加速水体中硝态氮的去除效果。

核壳型生物炭电极8包裹于具有浮力的生物质基海绵炭中，微生物生长于核壳型生物炭电极8表面，形成生物膜，通入的电流能够刺激生物膜中的微生物将硝酸根还原为氮气，加速水体中硝态氮的去除效果。

在预留好种植孔的海绵炭浮床上种植芦苇、美人蕉、菖蒲、铁线莲等景观植物，和选育的生菜、西红柿、百香果等水培经济作物，种植的植物根系能够在海绵炭浮床内自由生长，有效利用生物质基海绵炭浮床吸附的氮、磷等营养物质生长，不仅使生物质炭基漂浮湿地系统具备优异的水体净化功能，还具备景观美化功能，同时具备生产果蔬的功能。

生物质炭基多功能漂浮湿地系统的主体结构是生物质炭，后期维护过程中，漂浮湿地上收割的植物残体可用于制备生物质炭，而达到服务年限的生物质基多功能漂浮湿地中的生物质炭，因其吸附了大量营养元素，能够回收利用于制备土壤改良剂，从而实现资源循环利用。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在发明的保护范围之内。