太阳能辅助微生物三维电极去除灌溉水中镉的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种太阳能辅助微生物三维电极去除灌溉水中镉的装置及方法。本发明专利技术装置包括连接太阳能电板的蓄电池及电压调节器，该蓄电池及电压调节器的输出端分别连接阳极、阴极电极，该阳极电极和阴极电极设置于由聚乙烯板组成的电吸附池内，位于阴极电极下方的电吸附池侧壁上设置进水口，位于阳极电极上方的电吸附池侧壁上设置出水口，且该阴极电极与设置于电吸附池内的负载微生物的多孔微球接触形成三维电极，该三维电极与阳极电极之间设置绝缘多孔板。本发明专利技术的使用有效解决了微生物吸附技术去除效率低，再生困难的问题，且具有能耗低，运行稳定，微生物在弱电刺激下产生大量胞外聚合物，除镉效率高，再生简单，非常适合野外农田灌溉水的处理要求。

【技术实现步骤摘要】
太阳能辅助微生物三维电极去除灌溉水中镉的装置及方法
本专利技术涉及去除农田灌溉水中镉的装置及方法，特别是利用太阳能辅助负载微生物的三维电极去除农田灌溉水中浓度低于40μg/L镉的的装置及方法。
技术介绍
湖南省镉污染的耕地主要集中分布在湘江流域、湘南和湘西的“一线两片”及环洞庭湖区域。在湘江下游与洞庭湖区并没有大量的矿山存在，但是耕地依然存在严重的重金属污染，土壤中重金属超标的元素与湘江水体中重金属基本一致，表明灌溉水是其主要污染源。ZhaoF(2014)通过调查列出了我国南方稻田中镉平衡表,明确了灌溉水是稻田中镉的主要来源，每年每公顷输入达到1-400g，远远高于磷肥的0.04-2g、有机肥的0-10g、大气沉降的0.4-25g。因此，去除灌溉水中镉对解决南方“镉米”问题具有重要的意义。灌溉水中镉含量很低，浓度一般低于40μg/L,很难用常规的絮凝和沉淀技术去除。综合实际情况及成本因素，一般采用生物吸附和土地渗透技术进行处理，土地渗透技术占地太广，而且对地下水具有一定的影响，所以生物吸附是最合适的去除灌溉水中镉的技术。但是，生物吸附技术在实际应用过程中存在三个主要问题，首先是吸附速度缓慢；其次是吸附基质易饱和，再生难；其三是微生物生长受限。研究表明微电场作用能促进微生物(如反硝化细菌)生长，提高脱氮效率(sakakibara.Y.,1993)，也有报道微电场能促进光合细菌脱硫(宋波，2012)。我们研究发现，电场能够促进微生物的胞外聚合物的生长，提高其吸附重金属的能力。因此，是否可利用电场辅助微生物吸附技术，改善单一微生物去除灌溉水中镉面临的三个关键难题呢？电辅助微生物在深度处理高浓度氨氮废水方面已经进行了相关的研究。通常是将自养反硝化菌和三维电化学反应器结合组成BER反应系统。2011年，天津大学王灿季民等人设计了一种用于处理难降解化工废水的三维电极-生物膜反应器(专利申请号：CN201120553397.9),利用此反应器进行污水处理时，对化工生产中不达标的二级出水进行深度处理,达到国家排放标准。2011年，重庆大学陈猷鹏、方芳等人公开了一种三维电极生物膜反应器(专利申请号：CN201120466790.4)，同一电极生物膜反应器中,利用电化学作用创造微生物适宜的环境，并提供电子受体和电子供体分别进行硝化和反硝化作用,达到有效处理氨氮废水的目的。在这类反应器中，阳极的作用主要为产CO2，阴极作用主要为H2，以此为反应器中负载在填料上的自养反硝化细菌提供无机碳源和氢源，促进反硝化作用，但是其没有利用电极自身的氧化还原作用。南京大学李正魁，通过引入新的电极对，以缠绕了活性炭纤维的石墨碳板上负载金属铜钯电极为阴极，钛铱钌稳态电极为阳极，开发形成一种新的废水处理工艺(专利名称：电化学-生物膜协同作用反应器及在含氮有机废水中的应用，专利申请号：201310177710.7)。然而，电辅助微生物去除农田灌溉水中重金属尚没有报道。相对于工业废水，农田灌溉水具有自身的特点。其中最特殊的是农田灌溉水处理系统建设在野外，用电非常困难。另外，湖南农田灌溉水中所含重金属主要为镉，且镉含量一般很低。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，生物吸附技术在净化农田灌溉水中镉过程中，存在处理量大，镉浓度极低，吸附去除速率慢，去除效率低；而且生物吸附重金属后不易脱附，再生困难；微生物吸附重金属过程受限于自身的胞外聚合物浓度，胞外聚合物的含量少不利去除灌溉水中的镉；灌溉水处理系统设置在野外，无法提供常规的稳定持续电源，其用电受到极大的限制。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：提供一种太阳能辅助微生物三维电极去除灌溉水中镉的装置，其包括连接太阳能电板的蓄电池及电压调节器，该蓄电池及电压调节器的正、负输出端分别连接阳极电极和阴极电极，该阳极电极和阴极电极设置于由聚乙烯板组成的电吸附池内，该电吸附池一侧壁上部设置进水口，该电吸附池上与进水口相对的另一侧壁上设置出水口，且该阴极电极与设置于电吸附池内的负载微生物的多孔微球接触，该阳极电极、阴极电极和负载微生物的多孔微球形成三维电极，该负载微生物的多孔微球与阳极电极之间设置绝缘多孔板。上述方案的进一步改进为，该电吸附池的上层板可开关地设置于该电吸附池上，以便于补充和更换负载微生物的多孔微球及阳极电极、阴极电极。上述方案的进一步改进为，负载微生物的多孔微球主要由两种材料组成，其一为多孔碳材料A，另一材料为多孔的掺有零价纳米锰的聚乙烯酸基保水剂微球B组成，A/B的量在0.5-10范围内，使用时通过调节A/B比例值以防止电导过高，造成负荷过大。保水剂中零价纳米锰具有提供电子的作用，以保证电压中断时，系统能正常运行，其原理为自身被氧化成锰离子的过程中向外提供电子，以促进微生物生长和强化镉离子吸附；当电压恢复时，锰离子又会被还原形成零价纳米锰。该负载微生物的多孔微球上微生物负载过程为：取稻田土壤溶液，调节土壤溶液中碳C/氮N/磷P之比为100/5/1，关闭电吸附池的进、出水口，向装有多孔微球的电吸附池内添满调好的土壤溶液，将蓄电池及电压调节器的输出电压调整为0.1-10.0V，中间根据土壤溶液消耗的情况，每隔2天添加一次调好的土壤溶液，使电吸附池中始终充满土壤溶液，保证微生物生长的营养需求，驯化时间为7-10天，多孔微球上即会有明显大量紧凑的微生物膜。本专利技术公开的太阳能辅助微生物三维电极去除农田灌溉水中镉的方法包括吸附方法和再生方法，其中：吸附方法为：将电压调节器的输出电压设定为0.1-30.0V，电吸附池的进水口连接灌溉水源，出水口连接直接用于灌溉的输水管，并使进水速率为0.1-1.0m3/s；再生方法为：当装置经过30天的处理后，负载微生物的多孔微球体积缩小50％，或电流强度降低50％，表明吸附电极需要再生时，将电压调节器的输出端连接的阳极电极、阴极电极反接，电压调节器的输出电压调整为5.0-30.0V，并保持电流强度不超过100mA，兼用清洁的水冲洗多孔微球，运行时间为2h，整个再生过程仅利用电场和水流清洗，无需其他的盐和酸。本专利技术利用太阳能电板及其蓄电池给系统供电，很好地解决了野外电源的问题。另外，为了提高灌溉水中镉处理的生物吸附过程中的生物吸收速率，适应农田灌溉水处理高效大量的要求，本专利技术提出电场辅助微生物吸附技术，利用电场使水中镉离子及其带电胶体主动向负载微生物的多孔微球与阴极电极接触形成的三维电极(生物电极)迁移，增加吸附速率，提高吸附效率。而且，利用电场能促进吸附也能促进脱附的原理，本专利技术利用反电场技术促进负载微生物的多孔微球的吸附基质脱附，促进其再生。本专利技术的使用有效解决了微生物吸附技术去除效率低，再生困难的问题，且具有能耗低，运行稳定，微生物在弱电刺激下产生大量胞外聚合物，除镉效率高，再生简单，非常适合农田灌溉水的处理要求。附图说明图1为本专利技术太阳能辅助微生物三维电极去除农田灌溉水中镉的装置结构示意图。图2为使用本专利技术时，农田灌溉水中镉的去除效率及浓度随时间变化图。具体实施方式如图1所示，本专利技术太阳能辅助微生物三维电极去除农田灌溉水中镉的装置主要分三个部分：电源部分为太阳能电板1，电压控制部分为蓄电池及电压调节器2，电吸附池系统(阴极电极3、阳极电极4、负载微生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳能辅助微生物三维电极去除灌溉水中镉的装置，其特征在于包括连接太阳能电板的蓄电池及电压调节器，该蓄电池及电压调节器的正、负输出端分别连接阳极电极和阴极电极，该阳极电极和阴极电极设置于由聚乙烯板组成的电吸附池内，该电吸附池一侧壁上部设置进水口，该电吸附池上与进水口相对的另一侧壁上设置出水口，且该阴极电极与设置于电吸附池内的负载微生物的多孔微球接触形成三维电极，该三维电极与阳极电极之间设置绝缘多孔板。

【技术特征摘要】
1.一种太阳能辅助微生物三维电极去除灌溉水中镉的装置，其特征在于包括连接太阳能电板（1）的蓄电池及电压调节器（2），该蓄电池及电压调节器的正、负输出端分别连接阳极电极（4）和阴极电极（3），该阳极电极和阴极电极设置于由聚乙烯板组成的电吸附池（9）内，该电吸附池一侧壁上部设置进水口（6），该电吸附池上与进水口相对的另一侧壁上设置出水口（7），且该阴极电极与设置于电吸附池内的负载微生物的多孔微球（5）接触，该阳极电极、阴极电极和负载微生物的多孔微球形成三维电极，该负载微生物的多孔微球与阳极电极之间设置绝缘多孔板（8），该负载微生物的多孔微球由两种材料组成，其一为多孔碳材料A，另一材料为多孔的掺有零价纳米锰的聚乙烯酸基保水剂微球B组成，A/B的量在0.5-10范围内。2.根据权利要求1所述的太阳能辅助微生物三维电极去除灌溉水中镉的装置，其特征在于，该电吸附池的上层板可开关地设置于该电吸附池上。3.根据权利要求1所述的太阳能辅助微生物三维电极去除灌溉水中镉的装置，其特征在于，该负载微生物的多孔微球上微生物负载过程为：取稻田土壤溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭亮，李冰玉，曾清如，铁柏清，邵继海，顾继东，
申请(专利权)人：湖南农业大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43