基于双重光合作用的天然水体藻类丰度控制装置及方法

本发明涉及水体处理和环境保护，尤其是涉及一种基于双重光合作用的天然水体藻类丰度控制装置及方法。

背景技术：

1、农业、工业、下水道和废水生产等人类活动导致了废水的产生，全球废水年生产量约为2212km3，相当于每年淡水抽取量的56％。废水排放至河道会导致水体环境富营养化，引发藻类爆发现象，并对水生生物和人类健康造成有害影响，随着废水排放问题越来越严重，河道周围的生态环境以及居民的日常生活已经受到了严重的威胁，成为了制约社会可持续发展进程和人类生存的控制因素。因此，需要采取一定工艺对污染水体进行处理。

2、能源是水处理过程中使用的最重要的资源之一。据统计，废水处理的电力能耗约占世界总能源的4％，这种高能耗处理过程往往伴随着大量的碳排放，在实现碳中和愿景的社会背景下，高耗能、高成本和排放温室气体的传统的水处理工艺，已无法满足可持续发展需求。能源危机、水环境污染和碳中和需求的多重压力迫使传统水处理工艺迫切需要技术升级。

3、目前，光催化技术(photocatalysis，pc)和微生物燃料电池技术(microbial fuelcell，mfc)成为新型的废水处理技术。其中pc技术处理水体具有高效性，但不适于处理成分复杂的废水，而mfc技术可以通过高性能微生物的驯化，实现多种污染物的同时降解、矿化，还可以进行产电输出，但所需处理时间较长。近年来，多种技术手段联合应用逐渐成为了污染物治理的研究热点。光催化-微生物燃料电池(pc-mfc)耦合技术，原位或间接利用催化材料在光照下对有机污染物的氧化作用以及微生物对废水中多种成分的生物降解和矿化作用，或者通过mfc体系产电促进pc体系催化材料光生电子与空穴的分离，实现目标污染物的高效降解及资源化利用，为环境友好型废水处理技术的开发提供新思路。

技术实现思路

1、本发明目的是为提供一种基于双重光合作用的天然水体藻类丰度控制装置及方法，对天然河道水进行净化处理，改善河道水微藻爆发问题，本发明提供的控制装置涉及光催化微藻电极，能够24小时动态控制微藻丰度。

2、开发设计更为高效的mfc系统应用于废水治理领域一直是一个重要的课题。本发明设计的一种具有“双重光合作用”的天然水体藻类爆发污染的控制和净化装置，可协同人工光合和自然光合的双重作用实现对水体中微藻丰度进行24小时全天候有效调控，保持水体健康的同时还得到一定的电能供给水质监测传感器，可以应用于天然河道、湖泊、人工景观水体等的藻类污染控制领域。

3、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

4、一种基于双重光合作用的天然水体藻类丰度控制装置，所述控制装置用于监测并调控水体内微藻丰度，所述控制装置包括光催化耦合双室微藻生物燃料电池和水质监测传感器，

5、所述光催化耦合双室微藻生物燃料电池包括阳极室和阴极室，所述阳极室和阴极室通过连接组件相连，

6、所述阳极室内设有光催化微藻复合阳极、光源和搅拌桨，所述光催化微藻复合阳极和光源间隔设置于阳极室内，所述光催化微藻复合阳极和光源与阳极室内顶端相连，所述搅拌桨设于阳极室内底端，所述阳极室和水体相连通，

7、所述阴极室内设有微藻生物阴极、藻液和搅拌桨，所述微藻生物阴极设于阴极室内一侧，所述藻液填充于阴极室内，所述搅拌桨设于阴极室内底端，所述光催化微藻复合阳极与微藻生物阴极电性连接，

8、所述连接组件包括质子交换膜，所述质子交换膜一端与阳极室相接，所述质子交换膜另一端与阴极室相接，

9、所述水质监测传感器一端与水体相连，所述水质监测传感器另一端与阴极室相连，所述水质监测传感器用于监测水体和阴极室内微藻丰度。

10、进一步地，所述光催化耦合双室微藻生物燃料电池还包括电容器，所述电容器通过电导线与光催化微藻复合阳极和微藻生物阴极电性连接，所述电容器还与光源电性连接，所述电容器用于给光源供电。

11、上述更进一步地，所述水质监测传感器外接第一水质监测传感器探头和第二水质监测传感器探头，所述水质监测传感器与电容器、第一水质监测传感器探头和第二水质监测传感器探头电性连接，所述电容器还用于给水质监测传感器供电，所述第一水质监测传感器探头用于监测水体内微藻丰度，所述第二水质监测传感器探头用于监测阴极室内藻液的微藻丰度。

12、进一步地，所述光催化微藻复合阳极由基底电极、光催化镀层和微藻组成，所述基底电极两侧均设有光催化镀层，所述光催化镀层一侧与基底电极相接，所述光催化镀层另一侧设有微藻。

13、进一步地，所述阳极室和阴极室底端通过第一连接水管相连，所述第一连接水管上设有第二水泵；

14、所述阳极室和阴极室顶端通过气体连通管相连，所述气体连通管用于将阳极室产生的二氧化碳气体排放至阴极室。

15、进一步地，所述阳极室上端设有第二连接水管，所述第二连接水管上设有第二闸阀，所述阳极室下端设有第三连接水管，所述第三连接水管上设有第一水泵，所述第二连接水管和第三连接水管均与水体相连通，所述第二连接水管用于进水，所述第三连接水管用于排水。

16、进一步地，所述阴极室顶端设有一个阴极室排气口，所述第二水质监测传感器探头穿过阴极室排气口，

17、所述阴极室底端设有一个第四连接水管，所述第四连接水管上设有第一闸阀。

18、进一步地，所述光源为led光源，所述光源外设有石英套管。

19、此外，本发明还提供一种基于双重光合作用的天然水体藻类丰度控制方法，采用上述控制装置进行，具体步骤如下：

20、s1、水质监测传感器对水体内微藻丰度进行检测，当微藻丰度超过设定标准值时，水体进入到阳极室内，搅拌桨启动，水体与光催化微藻复合阳极接触，

21、s2、日间，光催化微藻复合阳极接受光的辐照后产生空穴与电子，电子通过电导线输送至微藻生物阴极，空穴则迁移至光催化微藻复合阳极表面，与水中的氢氧根离子形成羟基自由基，氧化分解水体中的有机和无机污染物，并杀灭有害微生物及藻类，产生质子通过质子交换膜到达阴极室；

22、s3、阴极室内的藻液发生生物光合作用，产生氧气与步骤s2中得到的质子结合生成水，从而驱动阳极室内的质子持续进入阴极室，上述作用过程就产生了持续的电能，所产生的电能被储存在电容器中；

23、s4、夜间，电容器将日间所储存的电能持续释放，提供电能启动阳极室内的光源，驱动光催化微藻复合阳极继续工作，氧化分解水体中无机和有机污染物及微生物；

24、s5、经过阳极室处理后的水体排放至水体中，从而实现水体内污染藻类的生物量始终处于低丰度范围；

25、s6、当水体内微藻丰度达到安全数值标准时，控制装置停止运行。

26、进一步地，步骤s1中，所述水质监测传感器通过分析叶绿素浓度从而对水体内微藻丰度进行实时监测分析。

27、进一步地，步骤s1中，所述光催化微藻复合阳极材料为小球藻/k+-c3n4/tio2/c，所述c为基底电极材料，所述k+-c3n4/tio2为光催化镀层材料，所述小球藻为微藻材料。

28、进一步地，步骤s2中，净化生成的产物二氧化碳气体通过气体连通管排放至阴极室内。

29、进一步地，步骤s2中，所述微藻生物阴极材料为碳纸材质。

30、进一步地，步骤s3中，所述阴极室内藻液中的微藻藻种选自蓝藻、甲藻或绿藻。

31、本发明的工作机理如下：

32、水质监测传感器对水体内微藻丰度进行检测，当微藻丰度超过设定标准值时，第一水泵启动泵取水体进入到阳极室内，搅拌桨同时启动，实现水体中污染成分的充分混匀以及水体与光催化微藻复合阳极充分接触；

33、日间，光催化微藻复合阳极接受到光的辐照后产生光生空穴与电子分离作用，即第一重光合(“人工光合”)作用，所分离得到的电子通过电导线输送至微藻生物阴极，空穴则迁移至光催化微藻复合阳极材料表面与水中的氢氧根离子形成羟基自由基，氧化分解水体中的有机和无机污染物，并杀灭有害微生物及藻类，生成的产物二氧化碳气体通过气体连通管排放至阴极室内，阳极室内污染水体被净化处理过程中产生的质子通过质子交换膜到达阴极室；

34、与此同时，阴极室内的藻液发生生物光合作用——即第二重光合作用，产生氧气为阴极室内的还原反应提供电子受体，与从阳极室进入的质子结合生成水，从而驱动阳极室内的质子持续进入阴极室，上述作用过程就产生了持续的电能，所产生的电能被储存在电容器中。

35、夜间，电容器将日间所储存的电能持续释放，提供电能启动阳极室内的光源，驱动光催化微藻复合阳极继续工作，氧化分解水体中无机和有机污染物及微生物；经过阳极室处理后的水体通过第二连接水管排放至水体，从而实现河道、湖泊等天然水体中污染藻类的生物量始终处于低丰度范围，从而杜绝天然水体的藻类水华污染。

36、当水体中微藻丰度达到安全数值标准时，控制装置停止运行。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果如下所示：

38、(1)实时监测天然水体中微藻丰度，可根据水质要求启动装置动态调控微藻丰度；日间，天然河道水输送至装置阳极室，可见光光源使光催化微藻复合阳极发生光生空穴和电子的分离反应，光生空穴杀灭水体微藻，光生电子从光催化微藻复合阳极极板通过电导线流向微藻生物阴极极板从而产生电能；夜间，利用收集的电能供led光源运行，作为人工光源供装置继续工作，使得光催化微藻复合阳极持续产生光生空穴和电子，光生空穴杀灭水体微藻，保证水体得到持续净化；收集的电能同时也为水质监测传感器供能，维持自供能水质监控系统全天候运行。

39、(2)能耗自供给：系统可24小时不间断运行并产电，系统在处理废水的同时产生的电能足以供给紫外灯及监测系统有效运行，整套装置接近于无能耗且无次生污染；

40、(3)高效有机污染物处理结合动态控藻：动态调控水生污染藻类的丰度的同时，可对水体中多种有机污染物及氨氮、亚硝酸盐等无机污染物同时处理，维持水质长期健康稳定；

41、(4)提高材料性能：系统搭载有高效率光催化微藻复合阳极，并将其与微藻生物阴极相连，为光催化微藻复合阳极提供了光生和电子分离的驱动力，抑制了光催化材料空穴电子对复合，使其实现对水体的高效处理；

42、(5)系统运行期间实现温室气体零排放或负排放。

43、(6)本发明利用微藻和mfc技术(微藻型mfc)进行有机结合，将微藻添加至mfc阴极室，将其作为电子受体，可以避免资源的浪费，降低mfc的构建成本，提高运行的稳定性。微藻通过光合作用产生的o2为mfc提供电子受体，避免了机械曝气，减少能耗；此外，有研究发现微藻在光合作用中自身也会产生大量电荷，将其用来构建微藻光催化复合阳极，可进一步提升产电效率。同时，微藻可充分利用废水中的有机物合成自身生长所需的有机物，提高mfc系统处理cod、氮、磷等污染物的去除能力。将微藻生物阴极mfc技术应用到废水处理中，不仅能够处理废水中的有机物，同时微藻在阴极室通过光合作用固定co2，充分利用有机磷、氮等生长所需物质，实现固碳和净化富营养污水双重功效。

44、(7)本发明与专利“基于水体底泥的沉积型微生物燃料电池原位驱动电芬顿降解赤潮/水华藻的方法”(202011420278.6)相比，创新性的设计了微藻复合光催化阳极，其作用为降解有机污染物的同时控制水体中的微生物丰度，使处理效率提升；本发明与专利“一种直接耦合膜生物反应器和微生物燃料电池的反应器和废水处理方法”(201210081071.x)相比，独创了微藻复合光催化阳极，不仅对废水中难降解的有机污染物进行降解，同时还对水体中氨氮、亚硝酸盐等无机污染物和有机氮、磷等元素进行降解，降解污染物种类更广；本系统与专利“一种内导式菌藻一体微生物燃料电池生态水体净化系统”(201810010493.5)相比，对藻类可进行更高效杀灭，且实现了对水体中污染藻类丰度的有效控制；本发明与专“一种可同时产电和降解有机污染物的燃料电池系统”(202211028323.2)相比，具有利用微藻消耗固定二氧化碳，实现零碳或负碳排放的优势；本系统与专利“光催化微生物燃料电池高效去除挥发性有机污染物的装置”(202010128590.1)相比，阴极室添加含藻水体作为电解质液，可对水体中氮、磷等元素进行生物降解；本系统与专利“一种漂浮式三明治型电芬顿餐厨垃圾废水处理装置及方法”(202310423802.2)相比，具有自发电功能，更具节能优势且适用场景更广；本系统与专利“一种采用透光导电生物阴极的菌藻生物电化学系统处理污水的装置及方法”(202210008565.9)相比，能够昼夜不间断工作运行，可实现废水的24小时全天候处理，处理效率成倍提高。