[发明专利]一种生态浮岛与微生物燃料电池的耦合装置

说明书

本发明涉及一种生态浮岛与微生物燃料电池的耦合装置，包括水下微生物燃料电池模块和水上浮岛模块，水下微生物燃料电池模块包括由多个不锈钢钢丝笼组成的组合式阳极主体和作为阴极的导电曝气膜组件，不锈钢钢丝笼内部填充导电颗粒状石墨或活性碳，组合式阳极主体上侧架设若干个导电曝气膜组件，水下微生物燃料电池模块通过中部竖向布置的若干根支撑柱与水上浮岛模块相连；水上浮岛模块由中心浮体和植物浮床构成，所述植物浮床通过缆绳连接在中心浮体四周，中心浮体的上端通过支撑杆和风光发电装置相连。本发明具有结构简单，组装方便等优点，并能实现对水体与底泥中污染物的同步去除，满足河流水质净化与保障需求。

技术领域

本发明涉及环境工程领域，特别是涉及一种生态浮岛与微生物燃料电池的耦合装置。

背景技术

河流作为城市生态系统的重要组成部分，在维护生态平衡、调节气候环境、防控洪涝灾害、塑造城市景观等方面发挥着重要作用。随着城市快速发展、人口迅速增长，河流逐渐成为消纳污染物的载体，承受着生活污水、工业废水的污染，河流生态系统严重退化。此外，水系分隔封闭、生态基流不足、城市面源污染等进一步加剧了河流生态环境问题，富营养化、蓝藻水华，甚至是黑臭现象屡见不鲜，已对人居环境造成较大的负面影响。

近年来河流生态环境治理受到了广泛关注，已有的城市河流治理技术包括曝气充氧、底泥疏浚、化学或生物制剂投放、水生植被及湿地重建、生态浮岛布置等。其中，生态浮岛可通过植物根系对氮、磷的吸收、根系微生物对污染物的降解、根系释放的化感物质对藻类的抑制，以及浮岛对光线的遮蔽达到提升河流水质、控制藻类水华的目的，具有无二次污染、低投资、景观好等优点，是城市河流治理中应用较广的技术之一。

目前，生态浮岛对河流水体发挥净化作用的主体是植物。然而，研究表明植物吸收对脱氮除磷的贡献率较小，且受制于季节、植物生物量和浮岛面积的限制，净化效果有限。此外，对于污染程度较重的黑臭水体，水中较低溶解氧浓度会影响植物的正常生长，进一步降低生态浮岛的净化效能。后续有必要强化依附于生态浮岛的微生物群落的净化作用。在生态浮岛下方挂载生物填料有利于微生物的附着，发挥微生物的净化功能(如专利号为2016104352545的名称为多介质强化修复受污染水体的模块化人工浮岛及其应用的专利，对生态浮岛的净化进行了描述)。此外，通过在浮岛下方挂载曝气膜组件，并进行微孔曝气，有利于提高膜组件表面微生物群落的多样性，充分发挥微生物对水体的净化效果。

除了河流水体，底泥污染的治理也不容小觑。各种来源的污染物经水体悬浮颗粒物的吸附和沉降作用，最终被富集沉淀在底部沉积物中。底泥中污染物的释放会对水体产生“二次污染”，严重影响水污染的治理效果。虽然微生物在厌氧沉积环境的物质转化过程中扮演着重要角色，但是，厌氧环境中微生物往往缺乏充足的电子受体，造成基于微生物的厌氧沉积物环境中污染物降解效果缓慢。研究表明向沉积物中添加电子受体(如硝酸盐、氧气和三价铁)，可促进厌氧环境中污染物的降解效果。然而，添加电子受体成本高、不易操作，且往往伴随二次污染。

微生物燃料电池是一种利用产电微生物将有机物的化学能转化为电能的新兴技术。微生物燃料电池首先通过微生物在低电势的阳极催化有机物分解，产生电子和质子，然后，电子通过外电路到达高电势阴极并与电子受体(O₂、NO₂^-和NO₃^-等)和来自阳极的质子相结合，实现污染物降解并产生电能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种生态浮岛与微生物燃料电池的耦合装置，具有结构简单，组装方便等优点，可实现曝气增氧，阴极脱氮，阳极除碳、在线监测等多重功能，并能实现对水体与底泥中污染物的同步去除，满足河流水质净化与保障需求。