一种基于沉积物微生物燃料电池的沉水植物补光装置的制作方法

本实用新型属于水体净化和水体生态修复技术领域，具体涉及一种基于沉积物微生物燃料电池的沉水植物补光装置。

背景技术：

沉水植物作为水体中重要的初级生产者，具有多种生态功能，一方面其根茎叶吸收水体及沉积物中的氮、磷等营养物质，另一方面其光合作用又增加了水体的溶氧量，可以有效的净化水质，在水体修复领域具有重要的应用价值。

但在实际环境中沉水植物的生长受到诸多因子的影响，其中起主要限制作用的是光照强度。合田健指出光补偿深度为水体透明度的1.5倍，或光照强度约为表面光强1%处的水深。故在浊度高的富营养化水体或湖库深水区中进行水体修复时，光照不足现象最容易发生，当水下的光照小于沉水植物的光补偿点时，沉水植物则难以生存。

实际工程中改善沉水植物光照强度的技术主要包括以下三种：（1）降低湖库水位。通过降低水位增加水底光照强度，随着沉水植物的生长，再逐步加高水位。如公开号为（CN 104743675A）的发明名称为“水深调节控制沉水植物生长治理湖泊富营养化的方法”，根据北方地区的季节特点选取关键的时间点来调控水深，在沉水植物生长初期降低水深，并通过人工播种的方式种植沉水植物，待其生长成株，将水深抬高控制其蔓延。该方法小区域内实现沉水植物的恢复和达到净化的效果相对容易，但在大型湖库中水位的降低对水资源造成极大的浪费，且受到技术条件和实施难度的限制。（2）调节沉水植物床的高度。通过升降装置、滑轮、绳索等装置调节沉水植物在水中的深浅，使沉水植物始终处在合适的光照强度下，可提高沉水植物存活率。如公开号为（CN 101015268A）的发明名称为“一种在湖泊中种植沉水植物的方法”介绍了一种水草种植方法，并用伊乐藻和黑藻做了实验，但这种方法结构复杂、手动操作繁琐。（3）传统的水下补光。将LED灯、彩光带等光源通过防水处理引入水体中对光照不足区域的沉水植物补光。但此方法需额外电源供电，增加能耗。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的在于提供一种节能环保且成本低廉的基于沉积物微生物燃料电池的沉水植物补光装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于沉积物微生物燃料电池的沉水植物补光装置，其特征在于，包括沉积物微生物燃料电池、电源管理系统和照明器；所述的沉积物微生物燃料电池、电源管理系统和照明器通过导线依次串联，构成闭合的补光电路；所述的沉积物微生物燃料电池包括石墨棒阳极和石墨棒阴极，所述的石墨棒阳极插于底泥中，所述的石墨棒阴极悬于上覆水中；所述的石墨棒阳极和石墨棒阴极之间通过电极连接线连通。

进一步，所述的电源管理系统包括依次串联的电容器、电荷泵和DC-DC转换器。

进一步，所述的照明器为LED光源。

进一步，所述的石墨棒阳极和石墨棒阴极为数量相等的若干个，所述的石墨棒阳极和石墨棒阴极均匀且交替地固定在一个圆环形塑料板上，相邻的石墨棒阳极和石墨棒阴极所夹的圆心角的度数相同。

进一步，所述的石墨棒阳极上附着有阳极微生物膜。

进一步，所述的石墨棒阳极和石墨棒阴极的数量均为3个。

进一步，还包括用于监测沉积物微生物燃料电池产电信息的数据采集系统，所述的数据采集系统与电源管理系统相并联。

与现有的技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、无需额外电源供电，节省能耗，不释放有毒有害物质，环境友好，同时，能够降解有机污染物质，实现废物资源化利用，且成本低廉。

2、该装置不仅能够实现为沉水植物间断补光的效果，还能够对水体底泥和上覆水进行修复。

3、本实用新型可以有效的改善水体透明度低、水位较深、光照强度不足等不利于沉水植物生长的问题，使沉水植物能在深水区和高浊度水域发挥净化水体，改善水质的功能，形成稳定的水生生态系统。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的SMFC电极构造示意图；

图3为本实用新型的塑料板示意图。

附图中：1—沉水植物；2—石墨棒阳极；3—石墨棒阴极；4—阳极微生物膜；5—电源管理系统；6—数据采集系统；7—照明器；8—上覆水；9—底泥；11—圆环形塑料板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，一种基于沉积物微生物燃料电池的沉水植物补光装置，包括沉积物微生物燃料电池（SMFC）、电源管理系统5（PMS）和照明器7；所述的沉积物微生物燃料电池、电源管理系统5和照明器7通过导线依次串联，构成闭合的补光电路；所述的沉积物微生物燃料电池包括石墨棒阳极2和石墨棒阴极3，所述的石墨棒阳极2插于底泥9中，所述的石墨棒阴极3悬于上覆水8中；所述的石墨棒阳极2和石墨棒阴极3之间通过电极连接线连通。

以受污染水体的底泥9为基质，阳极插入底泥9，阴极悬于上覆水8中，电极由导线连接，构建SMFC。沉水植物1种植在SMFC电极周围，可以为SMFC的阳极补充电子供体有机物燃料，为阴极提供电子受体O₂。本实用新型就是利用SMFC进行产电，通过PMS储存电能，并扩大电压至足以点亮照明器7，从而达到为沉水植物1补光的目的。

沉积物微生物燃料电池（SMFC）的阴极位于上层好氧的水相中，SMFC阳极插于沉积物（底泥9）中，阴极和阳极之间通过导线相连接，并接有电阻。沉积物中有机物在阳极区附近厌氧微生物的催化作用下被氧化，产生的电子通过细胞膜传递到阳极，再经过外电路到达阴极，氢离子通过水-沉积物界面传递到阴极，悬浮在含溶解氧相对高的水中阴极接受电子，完成氧气的还原作用。在此过程中电极作为微生物的电子受体来传递氧化有机物过程中产生的电子，从而加速了底物中有机物的去除并产生电流。

作为优化，所述的电源管理系统5包括依次串联的电容器、电荷泵和DC-DC转换器。PMS包括电容器、电荷泵和DC-DC转换器，用来存储SMFC产生的电能、控制电源和扩大电压输出。

作为优化，所述的照明器7为LED光源。LED光源的耗电量低，较低的电压即可点亮，是最佳的水下补光光源。

作为优化，所述的石墨棒阳极2和石墨棒阴极3为数量相等的若干个，所述的石墨棒阳极2和石墨棒阴极3均匀且交替地固定在圆环形塑料板11上，相邻的石墨棒阳极2和石墨棒阴极3所夹的圆心角的度数相同。

作为优化，所述的石墨棒阳极2上附着有阳极微生物膜4。阳极微生物膜4是在石墨棒阳极2插入底泥9一段时间后，底泥9中的产电细菌在石墨棒上聚集生长而成的，其作用是降解底泥9中的有机物质，并在该过程中产生电子，传至石墨棒阳极2。

作为进一步优化，所述的石墨棒阳极2和石墨棒阴极3的数量均为3个。如图2，石墨棒阳极2和石墨棒阴极3均固定在一圆环形塑料板11上，其在圆环形塑料板11上的分布参见图3，两个电极之间的夹角为60°，塑料板内圆半径100mm，宽30mm，埋入基质底泥9中。

作为优化，还包括用于监测沉积物微生物燃料电池产电信息的数据采集系统6，所述的数据采集系统6与电源管理系统5相并联。数据采集系统6可采用泓格PISO-813。

本实用新型的上述实施例仅仅是为说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本实用新型的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。