原位修复地表水体中营养盐污染的浸没式微藻-微生物电化学系统及修复方法技术方案

一种原位修复地表水体中营养盐污染的浸没式微藻‑微生物电化学系统及修复方法，涉及微生物电化学系统及修复方法。目的是解决生物电化学系统无法同时去除营养盐污染的地表水体中氨氮、硝氮和磷的问题。系统由阳极室、阴极室、外电路、阴离子交换膜、阳离子交换膜、阳极和阴极构成，阳极室的敞开口覆盖有阴离子交换膜，阴极室的敞开口覆盖有阳离子交换膜，阳极上接种有电化学活性菌，阴极室中的阴极液中接种有微藻。方法：将阳极室和阴极室浸没于营养盐污染的地表水中，将有机废水通入阳极室，最后回收阴极室中的出水。本发明专利技术氨氮去除率达到94％；硝氮去除率达到92％；磷除率达到96％。本发明专利技术适用于原位修复地表水体中的营养盐污染。

【技术实现步骤摘要】
原位修复地表水体中营养盐污染的浸没式微藻-微生物电化学系统及修复方法
本专利技术属于水处理
，具体涉及一种微生物电化学系统及修复方法。
技术介绍
自20世纪中后期以来，随着人口的密集程度的增加、工业和农业生产的快速发展以及城市化进程的加快，工业、农业、居民生活产生大量的污水直接排放到地表水体，水环境质量出现明显的恶化态势。其中，由于河流、湖泊以及其它地表水体中氮、磷等营养盐的积累富集，形成含营养盐污染的地表水，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，造成富营养化现象。富营养化污染已成为许多国家面临的世界性环境问题。目前己有的原位修复技术主要包括物理方法、化学方法和生物方法，各有其优缺点：物理方法主要有电动修复、离子交换法等，但其去除费用高，且去除不具选择性，不彻底，只是发生了污染物的转移或浓缩等；化学方法目前采用投加化学药剂与水体污染物发生反应从而达到去除污染物的目的，但化学药剂的活性和选择性等较难控制，并且成本较高，易产生二次污染；生物方法是指通过微生物制剂、水生植物等使水体水质得到改善。但是微生物制剂需要额外投加有机物作电子供体，水生植物修复周期长，处理受季节影响，短期内效果不明显。生物电化学系统作为一种新型的水处理技术，以微生物作为催化剂，将储存在有机物中的化学能转化为电能，同步实现了污水处理和产电，是微生物技术和电化学技术相结合的产物。微生物在生长代谢过程中会摄取一定量的氮和磷，但是通过这种途径在生物电化学系统中去除的营养盐非常有限。如将氮磷作为其主要去除对象，就要对微生物接种类型、运行工艺和运行条件做适当的选择和调整。目前已有的利用生物电化学系统去除氮磷营养盐的原理为：以硝酸盐作为阴极的电子受体，通过反硝化菌将硝酸盐转化成氮气而去除；通过调节阴极室曝气强度，控制溶解氧含量，实现阴极同步自养硝化和反硝化去除氨氮的目的；关于除磷的报道较少，磷酸铵镁沉淀是磷去除的一个重要途径，原理是氧还原反应，将阴极pH升高，将磷以磷酸铵镁沉淀的形式去除。目前的生物电化学系统去除营养盐存在的主要问题是目前的生物电化学系统无法同时去除氨氮、硝氮和磷：由于氮的去除路径硝化过程需要好氧条件，反硝化过程需要厌氧条件，磷去除需要聚磷菌好氧条件吸收磷，厌氧条件释放磷，而由于生物电化学系统是厌氧环境，因此，在目前关于生物电化学的研究中，几乎没有利用生物电化学系统同步去除氨氮、硝氮和磷的报道。另一个问题是由于地表水体积大，若采用生物电化学系统进行异位去除地表水中的营养盐污染，需要将水体远程运送到别处修复，易在运输过程中产生二次污染，同时能耗大，成本高，生态破坏大，因此生物电化学系统异位去除形式过程复杂，不适合体积大的地表水体。综上所述，构建一个原位去除并回收地表水体中营养盐的生物电化学系统是解决上述问题的关键。本专利技术立足于此，结合微藻与电化学活性菌，构建一个原位去除地表水中营养盐并同步产电的系统。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有生物电化学系统无法同时去除营养盐污染的地表水体中氨氮、硝氮和磷的问题，提出一种原位修复地表水体中营养盐污染的浸没式微藻-微生物电化学系统及修复方法。本专利技术原位修复地表水体中营养盐污染的浸没式微藻-微生物电化学系统由阳极室、阴极室、外电路、阴离子交换膜、阳离子交换膜、阳极和阴极构成；所述阳极室的其中一个侧壁为敞开口，阳极室的敞开口覆盖有阴离子交换膜；阴极室其中一个侧壁为敞开口，阴极室的敞开口覆盖有阳离子交换膜；阴离子交换膜和阳离子交换膜相对设置；阳极室顶部的排水口与阴极室底部的进水口之间设置有连通管道；阳极设置于阳极室内部，阴极设置于阴极室内部；外电路由外电阻、导线和电信号采集记录仪构成；外电阻两端分别通过导线与阳极和阴极连接，电信号采集记录仪与外电阻并联；电信号采集记录仪实时记录外电阻两端电压；所述电信号采集记录仪11购买于泓格科技股份有限公司生产的，型号为PISO-813；所述阳极上接种有电化学活性菌；所述电化学活性菌包括但不限于地杆菌(Geobacter)和希瓦氏菌(Shewanella)；所述地杆菌为G.sulfurreducenssp、G.metallireducenssp等；所述希瓦氏菌为ShewanellaloihicaPV-4、ShewanellamarisflaviEP1等；所述阳极接种电化学活性菌的方法为：将阳极置于容积为28ml的单室微生物燃料电池的腔室中，按体积比为1:1加入生活污水和配水1构成的进水；配水1为乙酸钠和碳酸氢钠的混合溶液，配水1中乙酸钠浓度为1g/L，碳酸氢钠的浓度为50mmol/L，单室微生物燃料电池中连接1000Ω的外电阻，单室微生物燃料电池的换水周期为两天，当连续两个换水周期的单室微生物燃料电池的最大电压相同时，即完成阳极的接种，接种后的阳极上附着有电化学活性菌，电化学活性菌来源于生活污水；所述阳极室顶部至少设置有一个排水通孔，水通孔内设有胶塞；所述阴极室顶部至少设置有一个排水通孔，水通孔内设有胶塞；所述阳极室中的阳极液为有机废水，pH为6.5～8.5，COD为200～8000mg/L；有机废水为生活污水、化工废水、制药废水、食品加工厂废水、畜牧场废水或垃圾渗滤液；所述阴极室中的阴极液为阳极室出水；所述阴极室中的阴极液中接种有微藻；所述微藻为小球藻、栅藻、纤维藻、新月藻、毛枝藻、衣藻、鱼腥藻、念珠藻、衣藻中的一种或几种。所述阳极为碳纤维刷、碳布、碳纸、碳毡、碳棒、碳颗粒电极、石墨刷、石墨毡、石墨板、石墨棒、石墨颗粒电极中的一种；所述阴极上负载有铂碳催化剂；阴极为碳纤维刷、碳布、碳纸、碳毡、碳棒、石墨刷、石墨毡、石墨板、石墨棒中的一种。所述阳极室的主体形状为长方体或圆柱体；所述阴极室的主体形状为长方体或圆柱体；所述阳极室和阴极室的主体材质为聚甲基丙烯酸酯、聚氯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚合物、聚碳酸树酯、聚苯乙烯中的一种或几种；利用上述原位修复地表水体中营养盐污染的浸没式微藻-微生物电化学系统原位修复地表水体中营养盐污染的方法按照以步骤进行：将阳极室和阴极室浸没于营养盐污染的地表水中，将有机废水通入阳极室，利用阳极上的电化学活性菌降解有机物，阳极室产生的电子通过外电路传递给阴极，阴极室中藻光合作用产生的氧气被还原成水，阳极室和阴极室中间产生的电场驱动地表水体中带电营养盐离子的迁移，带正电的氨根离子进入阴极室，带负电的硝酸根和磷酸根进入阳极室，连通管道将阳极室中的阳极液从阴极室底部的进水口输入至阴极室；随着阳极出水进入阴极，进入阴极液的营养盐被微藻吸收利用，从而使地表水体中的营养盐得到原位去除，最后回收阴极室中的出水，即完成。本专利技术的工作原理：将本专利技术装置置于营养盐污染的地表水体所处的原位环境中，阳离子交换膜一侧与阴极液接触，另一侧直接与营养盐污染的地表水原位环境接触；阴离子交换膜一侧与阳极液接触，另一侧直接与营养盐污染的地表水原位环境接触；将有机废水通入阳极室，利用生物阳极上的电化学活性菌降解有机物，产生的电子通过外电路传递给阴极，阴极液中藻光合作用产生的氧气被还原成水，因此在阳极室和阴极室中间产生电场，电场驱动地表水体中带电营养盐离子的迁移，带正电的氨根离子进入阴极室，带负电的硝酸根和磷酸根进入阳极室，连通管道将阳极室中的阳极液从阴极室底部的进水口本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种原位修复地表水体中营养盐污染的浸没式微藻‑微生物电化学系统，其特征在于：原位修复地表水体中营养盐污染的浸没式微藻‑微生物电化学系统由阳极室(1)、阴极室(2)、外电路、阴离子交换膜(4)、阳离子交换膜(5)、阳极(6)和阴极(7)构成；所述阳极室(1)的其中一个侧壁为敞开口，阳极室(1)的敞开口覆盖有阴离子交换膜(4)；阴极室(2)其中一个侧壁为敞开口，阴极室(2)的敞开口覆盖有阳离子交换膜(5)；阴离子交换膜(4)和阳离子交换膜(5)相对设置；阳极室(1)顶部的排水口与阴极室(2)底部的进水口之间设置有连通管道(9)；阳极(6)设置于阳极室(1)内部，阴极(7)设置于阴极室(2)内部；外电路由外电阻(10)、导线和电信号采集记录仪(11)构成；外电阻(10)两端分别通过导线与阳极(6)和阴极(7)连接，电信号采集记录仪(11)与外电阻(10)并联；所述阳极(6)上接种有电化学活性菌；所述阳极室(1)中的阳极液为有机废水，pH为6.5～8.5，COD为200～8000mg/L；所述阴极室(2)中的阴极液为阳极室(1)出水；所述阴极室(2)中的阴极液中接种有微藻(8)。

【技术特征摘要】
1.一种原位修复地表水体中营养盐污染的浸没式微藻-微生物电化学系统，其特征在于：原位修复地表水体中营养盐污染的浸没式微藻-微生物电化学系统由阳极室(1)、阴极室(2)、外电路、阴离子交换膜(4)、阳离子交换膜(5)、阳极(6)和阴极(7)构成；所述阳极室(1)的其中一个侧壁为敞开口，阳极室(1)的敞开口覆盖有阴离子交换膜(4)；阴极室(2)其中一个侧壁为敞开口，阴极室(2)的敞开口覆盖有阳离子交换膜(5)；阴离子交换膜(4)和阳离子交换膜(5)相对设置；阳极室(1)顶部的排水口与阴极室(2)底部的进水口之间设置有连通管道(9)；阳极(6)设置于阳极室(1)内部，阴极(7)设置于阴极室(2)内部；外电路由外电阻(10)、导线和电信号采集记录仪(11)构成；外电阻(10)两端分别通过导线与阳极(6)和阴极(7)连接，电信号采集记录仪(11)与外电阻(10)并联；所述阳极(6)上接种有电化学活性菌；所述阳极室(1)中的阳极液为有机废水，pH为6.5～8.5，COD为200～8000mg/L；所述阴极室(2)中的阴极液为阳极室(1)出水；所述阴极室(2)中的阴极液中接种有微藻(8)。2.根据权利要求1所述的原位修复地表水体中营养盐污染的浸没式微藻-微生物电化学系统，其特征在于：所述有机废水为生活污水、化工废水、制药废水、食品加工厂废水、畜牧场废水或垃圾渗滤液。3.根据权利要求1所述的原位修复地表水体中营养盐污染的浸没式微藻-微生物电化学系统，其特征在于：所述电化学活性菌为地杆菌(Geobacter)或希瓦氏菌(Shewanella)；所述地杆菌为G.sulfurreducenssp或G.metallireducenssp；所述希瓦氏菌为ShewanellaloihicaPV-4或ShewanellamarisflaviEP1。4.根据权利要求1所述的原位修复地表水体中营养盐污染的浸没式微藻-微生物电化学系统，其特征在于：所述阳极室(1)顶部至少设置有一个排水通孔，水通孔内设有胶塞；所述阴极室(2)顶部至少设置有一个排水通孔，水通孔内设有胶塞。5.根据权利要求1所述的原位修复地表水体中营养盐污染的浸没式微藻-微生物电化学系统，其特征在于：所述阳极(6)接种电化学活性菌的方法为：将阳极(6)置于容...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯玉杰，蒋晴，刘佳，宋向茹，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23