[发明专利]一种用于产电、富藻水体修复的植物-SMFC体系及其应用设备

说明书

本发明公开了一种用于产电、富藻水体修复的植物‑SMFC体系及其应用设备，所述体系中植物为黑藻，且所述体系包含石墨材质的阴极、阳极，且阳极位于水体的底泥中、阴极位于上覆水中，阴极和阳极之间电连接电阻，且所述电阻并联外部用电器，所述底泥中含有沉积藻,采用黑藻相比其他植物能够显著增强SMFC的产电能力，具有更好的协同作用。用于栽种黑藻的设备可将黑藻苗带至水下的底泥表面，并且可将黑藻苗的根部插入底泥内，实现快速并大面积的栽种黑藻苗，降低了栽种黑藻苗的难度，且黑藻苗的根部插入底泥内，避免了黑藻苗向上浮动，提高了黑藻苗的成活率。

技术领域

本发明涉及黑藻栽种技术领域，具体为一种用于产电、富藻水体修复的植物-SMFC体系及其应用设备。

背景技术

随着我国经济的发展，工业化和城市化进程加快，生活污水和工业废水水量增加，大量未经处理或者处理不达标的废水排入自然水体，导致河流和湖泊等水体受到污染，现今氮、磷、重金属、持久性有机物等污染物在水体中大量积累，对人们的生活和生产用水造成巨大威胁；

同时，底泥对水体的污染释放也是应关注的主要问题，污染物在水体和底泥之间会相互迁移转化，当外源污染得到有效控制的时候，底泥作为水体的内源污染作用突出，底泥中的污染物会向水体释放，对水体水质产生直接影响；

沉水植物恢复对于稳定、功能良好的淡水生态系统的构建具有重要意义，被广泛认为是实现藻型向草型湖泊转变的关键手段(Ge et al.，2018)。湖泊水体中的藻沉降进入底泥后，其降解产物可被沉水植物有效利用促生(Li et al.，2010；Zhang et al.，2010)。然而，藻的深度降解会严重恶化水体物理环境、水体溶解氧含量急剧下降、底层透光性降低、界面严重缺氧(Pucciarelli et al.，2008；Liu et al.，2015)，这些会直接抑制沉水植物种子萌发及其生长(Holmer and Bondgaard，2001；Colmer and Flowers，2008)。此外，藻的深度降解伴随大量还原性化合物的生成，包括硫化氢(H2S)、二价铁(Fe2+)及氨氮(NH4+-N)，继而引发水体“黑臭”。这些化合物均是能够显著抑制沉水植物生长的毒性物质(Wanget al.，2010；Zhang et al.，2013；Rivetti et al.，2015)。因此，为了有效利用沉积藻作为营养物质供给沉水植物生长，需要合理调控其降解过程及速率。

使用不可生物降解的铝盐及铁盐(Deng et al.，2017)、除藻剂(Joo et al.，2017)及其它化学物质(Laue et al.，2014)可暂时控制藻降解引起的水体恶化。然而化学残留物对沉水植物具有潜在的毒性效应，不利于后续沉水植物恢复工程实施。例如，有研究表明，一定浓度的铝盐对沉水植物苦草及黑藻均会造成显著的生物毒性(Lin et al.，2017)。此外，化学方法并不能从根本上影响藻的降解。沉积物疏浚直接移除富藻底泥，同时改善底泥的氧化还原电位，减弱沉积藻的厌氧降解，能够有效防治黑臭水体的产生与发展(Liu et al.，2015)。然而，疏浚过程中不可避免引起沉积物颗粒再悬浮及污染物向水体的释放，造成二次污染。因此，不建议使用以上方法配合富藻水体中的沉水植物恢复。寻求稳定的、能够显著影响沉积藻降解过程的其它技术配合沉水植物恢复具有重要的科学意义和工程应用前景。

沉积型微生物燃料电池(SMFC)技术最近二十年受到广泛关注。SMFC作为新型生物能源技术，目前学术界更关注于其有效改善沉积物及水环境的功能，同时成本低廉、具有潜在的应用前景。Bond等(2002)首次发现将两块导电材料分别放入厌氧底泥及好氧水体中，构成的闭合回路能够产生电流。其原理同传统的微生物燃料电池(MFC)无本质差别，但是又具有MFC不具备的优势：不需添加质子交换膜、具有更高的电子转移效率。微生物电子转移过程刺激了阳极表面产电微生物的富集，从而加速了底质中有机质的降解，提高了沉积物氧化还原电位。此外，阳极的引入改变了厌氧沉积物中变价化合物的代谢途径，还原性化合物如甲烷(CH4)、H2S及NH4+等的产生被显著抑制。