專利名稱：應用微生物燃料電池凈化湖泊水體的組合生態(tài)浮床的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于能源與環(huán)境修復領域，特別是一種適用于水體污染修復與回收電能、 生物質能的組合生態(tài)浮床耦合MFC (Microbial Fuel Cell，微生物燃料電池)裝置。
背景技術：
水，是生命之源，是一種無可替代的重要資源，但水資源危機已經成為當今世界許多國家社會經濟發(fā)展的制約因素。據統(tǒng)計，過去的50多年，全世界淡水使用量增加將近4 倍，每年高達4130 Km3，農業(yè)用水就占全部用水的60%。近年來，伴隨著我國高投入、低產出的粗放型經濟增長方式以及人們薄弱的環(huán)保意識，致使大量污染物質直接排放，導致水體生態(tài)結構變化，功能退化，出現富營養(yǎng)化狀態(tài)。這無疑加劇了我國水質性缺水的局面，嚴重影響了經濟發(fā)展和居民的飲用水安全。水體富營養(yǎng)化已引起全球范圍內的廣泛關注，富營養(yǎng)化水體的恢復和治理亦迫在眉睫，但是由于污染源的復雜性和水體中營養(yǎng)物質的難去除性，現在還未找到一條徹底防治水體富營養(yǎng)化的途徑，目前主要通過控制污染源與減輕水體負荷相結合的方式進行處理。浮床技術是運用無土栽培技術原理，以天然或環(huán)境友好材料為載體和基質，采用現代農藝與生態(tài)工程措施綜合集成的水面無土種植植物技術。其去除水體污染物，抑制浮游藻類的機理表現在以下幾個方面。①植物吸收栽種在浮床上植物為了滿足本身生長需要，會通過浸沒在水中的根系不斷吸收利用水體中的營養(yǎng)物質，通過收獲水生植物減少水中營養(yǎng)鹽；②根系微生物降解發(fā)達的植物根系可吸附水中的大量膠體，并逐漸在植物根系表面形成生物膜，吞噬和降解水中的污染物；③分泌物抑制浮床植物根系能分泌化感物質，抑制藻類生長；④遮蔽陽光人工浮島通過遮擋陽光抑制藻類進行光合作用，控制藻類的生長。研究和應用實踐證明，與一般目前國內外采用的化學，物理和生物治污技術相比，生態(tài)浮床技術的最大優(yōu)勢是能達到標本兼治，并能為水生生物的自然恢復和生存。繁衍營造良好的生境條件，最終達到修復水生態(tài)系統(tǒng)的目標。微生物燃料電池(MFC)作為一種新的產能方式——利用微生物將有機質直接轉化為電能而受到越來越多的研究和推廣。MFC是利用酶或者微生物作為陽極催化劑，通過其代謝作用將各種材料包括復雜的有機物和可再生生物質氧化產生電能的裝置，這些燃料源使得MFC比只利用純化學反應燃料的化學燃料電池更為先進。研究表明，MFC不僅可以降解簡單有機物獲取電能，也可以降解復雜綜合有機底物產生電能，甚至可以降解難降解有機物獲取電能。莫漢(Mohan)等對制藥廢水、染料、殺蟲劑等綜合化學廢水的降解以及產電性能進行研究，污染物負荷為1.404 kg COD/ (m3*d)時，最大電壓為304 mV，污染物降解率達到62.9%。駱海萍等以苯酚為燃料，在1000Ω外負載條件下，苯酚去除率約達到90%， 最大輸出電壓為MOmV。因此，利用MFC降解難降解污染物并且產生電能是可行的，經濟的， 也是可持續(xù)的。充分利用組合生態(tài)浮床和MFC對水體污染修復和難降解性有機物有較高的降解性能的優(yōu)勢，對上述兩種技術進行有機的融合，即利用MFC對難降解有機污染物的去除效能高的特點，提高其凈化效果，同時能夠獲得電能，實現資源的最大化利用。應用MFC凈化湖泊水體的組合生態(tài)浮床的裝置從組合生態(tài)浮床及MFC的協同優(yōu)化出發(fā)，強化了浮床植物根際效應和浮床微生物特別是產電細菌及污染物降解細菌的富集及固定化，提高復合系統(tǒng)的難降解性有機物的凈化效能及產電性能。目前組合生態(tài)浮床耦合MFC裝置國內外尚未見報道。

發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明的目的是提供一種提供應用MFC凈化湖泊水體的組合生態(tài)浮床的裝置。技術方案為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種應用微生物燃料電池凈化湖泊水體的組合生態(tài)浮床的裝置，該裝置包括組合生態(tài)浮床以及微生物燃料電池兩部分，
組合生態(tài)浮床從上到下包括表層水生植物單元、中層水生動物單元及下層人工介質單
元，
其中，水生植物單元由水生經濟植物及固定水生植物的導電材料構成，水生動物單元掛養(yǎng)濾食性水生動物貝類，人工介質單元由納米活性炭人工介質大量富集微生物，形成高效生物膜凈化區(qū)；
所述的導電材料通過導線導出該裝置外，構成微生物燃料電池空氣陰極電極；所述的納米活性炭人工介質利用納米技術在其表面均勻噴涂納米活性炭顆粒，合成具有良好導電性能以及高比表面積的微生物燃料電池陽極電極。所述的水生經濟植物是空心菜、水芹、菖蒲、茭白、蓮、或菰米。所述的導電材料于投影面上開有直徑km圓孔以固定水生經濟植物，材料采用活性炭氈、不銹鋼絲網、碳布或石墨氈。所述的濾食性水生動物貝類是三角帆。所述的納米活性炭人工介質其骨架人工介質是阿科蔓生態(tài)基、兼具軟性及半軟性特征的高效組合人工介質。所述的導線為鈦導線或銅導線。有益效果本發(fā)明優(yōu)選水生經濟植物，利用植物根系泌氧作用增加頂部空氣陰極的溶解氧環(huán)境，強化植物根際效應及根系分泌簡單化合物作用，促進根際微生物以及陽極產電菌性能活化，促進難降解性有機污染物降解作用，提高產電性能。裝置直接從水體中去除營養(yǎng)物，并可通過收獲農產品的形式將其搬離水體，不會對沉積物中的營養(yǎng)成分再次利用，使水質狀況得到根本性改觀，從而為水生動植物群落的生存繁衍營造一個良好的水體環(huán)境，繼而為水生生態(tài)系統(tǒng)的自然恢復提供保障。其實施效果優(yōu)于其它技術，且成本低于原位物理化學凈化方法，同時能量回收，適于進行規(guī)模化、模式化和機械化作業(yè)。


圖1是本發(fā)明應用MFC凈化湖泊水體的組合生態(tài)浮床的裝置的結構示意圖。其中， 1-水生經濟植物；2-導電材料；3-濾食性水生動物貝類；4-納米活性炭人工介質；5-導線； 6-外接電路負載。
下面將參照附圖對本發(fā)明進行說明。本發(fā)明公開了一種應用微生物燃料電池(MFC)凈化湖泊水體的組合生態(tài)浮床的裝置，具體地說是一種原位修復富營養(yǎng)化湖泊水體，并將水體中各種有機物質，尤其是難降解污染物，轉化為電能的裝置，用以將污染物質凈化并回收所產生的電能。包括主體組合生態(tài)浮床以及浮床內部結構改造而成的MFC兩部分，系統(tǒng)由表層水生植物單元、中層水生動物單元及下層人工介質單元(微生物單元)組成，其中水生植物單元由水生經濟植物及固定水生植物的導電材料構成，水生動物單元掛養(yǎng)濾食性水生動物貝類，人工介質單元由納米活性炭人工介質大量富集微生物，形成高效生物膜凈化區(qū)。所述的表層導電材料通過導線導出反應主體外，構成MFC空氣陰極電極；所述的納米活性炭人工介質利用納米技術在其表面均勻噴涂納米活性炭顆粒，合成具有良好導電性能以及高比表面積的MFC陽極電極。本發(fā)明構建了組合生態(tài)浮床耦合MFC提高有機物去除效能的裝置，不僅多途徑、多階高效去除有機物，大幅度提高了有機物尤其是難降解性有機物的去除效能，同時在原位修復富營養(yǎng)化湖泊水體的同時獲得了電能，充分體現環(huán)境效益與廢棄物再生利用雙贏的理念。為修復富營養(yǎng)化湖泊水體，并將水體中各種有機物質，尤其是難降解污染物，轉化為電能的裝置，用以將污染物質凈化并回收所產生的電能。參見圖1，本發(fā)明提供的應用微生物燃料電池凈化湖泊水體的組合生態(tài)浮床的裝置，該裝置包括組合生態(tài)浮床以及微生物燃料電池兩部分，
組合生態(tài)浮床從上到下包括表層水生植物單元、中層水生動物單元及下層人工介質單
元，
其中，水生植物單元由水生經濟植物1及固定水生植物的導電材料2構成，水生動物單元掛養(yǎng)濾食性水生動物貝類3，人工介質單元由納米活性炭人工介質4大量富集微生物，形成高效生物膜凈化區(qū)。所述的導電材料2通過導線5導出該裝置外，構成微生物燃料電池空氣陰極電極； 所述的納米活性炭人工介質4利用納米技術在其表面均勻噴涂納米活性炭顆粒，合成具有良好導電性能以及高比表面積的微生物燃料電池陽極電極。所述的水生經濟植物是空心菜、水芹、菖蒲、茭白、蓮、或菰米。所述的導電材料于投影面上開有直徑km圓孔以固定水生經濟植物，材料采用活性炭氈、不銹鋼絲網、碳布或石墨氈。所述的濾食性水生動物貝類是三角帆。所述的納米活性炭人工介質其骨架人工介質是阿科蔓生態(tài)基、兼具軟性及半軟性特征的高效組合人工介質。所述的導線為鈦導線或銅導線。如圖1所示，本實施例中應用MFC凈化湖泊水體的組合生態(tài)浮床的裝置原位修復富營養(yǎng)化湖泊水體，并將水體中各種有機物質，尤其是難降解污染物，轉化為電能的裝置， 用以將污染物質凈化并回收所產生的電能。包括主體組合生態(tài)浮床以及浮床內部結構改造而成的MFC兩部分，系統(tǒng)由表層水生植物單元、中層水生動物單元及下層人工介質單元(微生物單元)組成，其中水生植物單元由水生經濟植物及固定水生植物的導電材料構成，水生動物單元掛養(yǎng)濾食性水生動物貝類，人工介質單元由納米活性炭人工介質大量富集微生物，形成高效生物膜凈化區(qū)。所述的表層導電材料通過導線導出反應主體外，構成MFC空氣陰極電極；所述的納米活性炭人工介質利用納米技術在其表面均勻噴涂納米活性炭顆粒， 合成具有良好導電性能以及高比表面積的MFC陽極電極。為了進一步提高系統(tǒng)的修復凈化效能和產電效能，其中，水生經濟植物可以是空心菜、水芹、菖蒲、茭白、蓮、菰米等；導電材料于投影面上開有直徑約4cm圓孔以固定水生經濟植物，材料可以采用活性炭氈、不銹鋼絲網、碳布或石墨氈；濾食性水生動物貝類可以是三角帆蛘等；納米活性炭人工介質其骨架人工介質可以是阿科蔓生態(tài)基、兼具軟性及半軟性特征的高效組合人工介質等；導線優(yōu)選鈦導線，也可選用銅導線，并進行連接點的絕緣密封處理。本實施例的應用MFC凈化湖泊水體的組合生態(tài)浮床的裝置其運行原理是這樣的， 在健全的浮床生態(tài)系統(tǒng)的基礎上，構建組合生態(tài)浮床耦合MFC裝置，發(fā)揮水生植物、水
生動物及微生物尤其是產電菌各自的生物活性及生物凈化功能，構成較為完整的食物鏈， 形成高效生態(tài)凈化效能，不僅促進污染物物質在浮床生態(tài)系統(tǒng)中的物質循環(huán)，使生物要素間的協同凈化效應得到充分發(fā)揮，而且加強能量從污染物化學能向電能和植物生物質能的轉化。即通過植物根際效應對水體中的污染物進行去除、轉化和固持，同時植物根部分泌的酶也促進了污染物的降解，此外根毛細胞分泌的乙酸鹽等簡單化合物，以及根際微生物降解污染物后的小分子化合物，更易被產電菌吸收與降解，因而能夠提高產電菌的生物活性； 通過濾食性水生動物貝類對顆粒性有機物的濾食及代謝，促進有機污染物的可溶化、無機化及可生化性的提高；通過人工介質對微生物富集以及水生動物的強化，使得難降解性有機物及氮、磷等營養(yǎng)物在浮床生態(tài)系統(tǒng)流動過程中得到有效降解和去除。使具有較強的藻類及藻毒素去除效能和產能效能的組合型生態(tài)浮床耦合MFC技術成型，考察復合系統(tǒng)對污染物的凈化效果及作用機理，研究系統(tǒng)中的物質與能量流通，并且為健康水生生態(tài)系統(tǒng)的恢復提供理論和實踐依據。同時實施過程和后續(xù)效果不但能確保對人體健康和水生生物的安全保障，而且在治理過程中還能美化水域景觀，對水生生物的發(fā)展也能起到積極的促進作用。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據本發(fā)明所揭示內容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護范圍內。
權利要求
1.一種應用微生物燃料電池凈化湖泊水體的組合生態(tài)浮床的裝置，其特征在于該裝置包括組合生態(tài)浮床以及微生物燃料電池兩部分，組合生態(tài)浮床從上到下包括表層水生植物單元、中層水生動物單元及下層人工介質單元，其中，水生植物單元由水生經濟植物(1)及固定水生植物的導電材料(2)構成，水生動物單元掛養(yǎng)濾食性水生動物貝類(3)，人工介質單元由納米活性炭人工介質(4)大量富集微生物，形成高效生物膜凈化區(qū)；所述的導電材料(2)通過導線(5)導出該裝置外，構成微生物燃料電池空氣陰極電極; 所述的納米活性炭人工介質(4)利用納米技術在其表面均勻噴涂納米活性炭顆粒，合成具有良好導電性能以及高比表面積的微生物燃料電池陽極電極。
2.根據權利要求1所述的應用微生物燃料電池凈化湖泊水體的組合生態(tài)浮床的裝置， 其特征在于所述的水生經濟植物是空心菜、水芹、菖蒲、茭白、蓮、或菰米。
3.根據權利要求1所述的應用微生物燃料電池凈化湖泊水體的組合生態(tài)浮床的裝置， 其特征在于所述的導電材料于投影面上開有直徑4cm圓孔以固定水生經濟植物，材料采用活性炭氈、不銹鋼絲網、碳布或石墨氈。
4.根據權利要求1所述的應用微生物燃料電池凈化湖泊水體的組合生態(tài)浮床的裝置， 其特征在于所述的濾食性水生動物貝類是三角帆。
5.根據權利要求1所述的應用微生物燃料電池凈化湖泊水體的組合生態(tài)浮床的裝置， 其特征在于所述的納米活性炭人工介質其骨架人工介質是阿科蔓生態(tài)基、兼具軟性及半軟性特征的高效組合人工介質。
6.根據權利要求1所述的應用微生物燃料電池凈化湖泊水體的組合生態(tài)浮床的裝置， 其特征在于所述的導線為鈦導線或銅導線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應用微生物燃料電池凈化湖泊水體的組合生態(tài)浮床的裝置，該裝置包括組合生態(tài)浮床以及微生物燃料電池兩部分，組合生態(tài)浮床從上到下包括表層水生植物單元、中層水生動物單元及下層人工介質單元，其中，水生植物單元由水生經濟植物(1)及固定水生植物的導電材料(2)構成，水生動物單元掛養(yǎng)濾食性水生動物貝類(3)，人工介質單元由納米活性炭人工介質(4)大量富集微生物，形成高效生物膜凈化區(qū)；其特征在于所述的導電材料(2)通過導線(5)導出該裝置外，構成微生物燃料電池空氣陰極電極。本發(fā)明使水質狀況得到根本性改觀，同時能量回收，適于進行規(guī)模化、模式化和機械化作業(yè)。
文檔編號C02F3/32GK102531181SQ20111045541
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權日2011年12月31日
發(fā)明者吳磊, 宋海亮, 李先寧, 項文力 申請人:東南大學