一种交互式原位缓解人工湿地生物堵塞的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种交互式原位缓解人工湿地生物堵塞的方法，步骤依次为：在非导电填料层上部填充阳极填料层；在阳极填料层上方填充非导电填料隔离层；在非导电填料隔离层上部填充阴极填料层，在阴极填料层中设置阴极集电极；阳极集电极和阴极集电极通过导线和负载或外电源连接；在连接导线中设置调节开关，形成外电源、内部产电和开路三种模式；人工湿地运行过程中出现过滤速率降低、孔隙率降低堵塞症状，将开关调节到内部产电模式或外电源模式。阳极填料层分别与非导电填料层、非导电填料隔离层相连，阴极填料层与非导电填料隔离层相连。有效改善了人工湿地的生物堵塞，显著提高了长期运行的人工湿地过水效率，维持净化效果，延长了寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种交互式原位缓解人工湿地生物堵塞的方法及装置
本专利技术属于环境工程污水生态净化
，更具体涉及一种交互式原位缓解人工湿地生物堵塞的方法，一种交互式原位缓解人工湿地生物堵塞的装置。
技术介绍
人工湿地(CW)堵塞是限制其高效、长效运行的瓶颈问题，会缩短人工湿地寿命、增加管理维护成本。相较于进水悬浮物引起的物理堵塞、填料孔隙间发生化学反应产生胶体或沉淀引起的化学堵塞，人工湿地中的生物堵塞更具普遍性，其后果也更为严重，是CW长效运行的主要限制因素。即使采取进水预处理、基质级配优化、植物优选配置及运行管理优化等预防措施，仍无法避免人工湿地生物堵塞(HuaGF,ZhuW,ShenJQ,etal.Theroleofbiofilmincloggingprocessinverticalflowconstructedwetland.AppliedEngineeringinAgriculture,2013,29(1):61-66.)。人工湿地中生物堵塞的形成过程，普遍被认为最初是大量的生物膜和细菌分泌的胞外聚合物(ExtracellularPolymericSubstances，简称EPS)积聚在基质表面；同时高含水率且低密度的胶状污泥中大量的惰性有机物(腐殖质和多糖)也积累在基质表面；随后EPS吸附污水中的有机和无机物，形成紧密的堵塞层(DuM,XuD,TrinhX,etal.EPSsolubilizationtreatmentbyapplyingthebiosurfactantrhamnolipidtoreduceclogginginconstructedwetlands.BioresourceTechnology,2016,218:833-841.)。由于EPS主要化学成分是大分子、大尺寸的多聚糖和蛋白，被微生物自然降解和直接利用的过程较为缓慢，而多糖的凝胶化在长期累积下造成了湿地不可逆堵塞行为。因此，生物堵塞也可理解为由EPS引起的堵塞。生物堵塞物的主要成分是生物膜，包括微生物及其分泌的EPS，微生物占干质量的比重不到10％，而EPS可占90％以上(DonlanRM.Biofilms:microbiallifeonsurfaces.EmergingInfectiousDiseases,2002,8(9):881-890.)。适量的EPS积累有利于提高湿地生物膜的稳定性，然而过量积聚，则会导致基质孔隙率降低，进一步形成生物堵塞(黄炳彬,孟庆义,何春利.人工潜流湿地堵塞成因及解决措施.环境工程,2011,29(S1):378-384.)。显微镜分析发现，EPS将有机颗粒粘合在一起形成致密的膜状结构，促进了生物堵塞过程(ZhouY,LuoS,YuB,etal.Acomparativeanalysisforthedevelopmentandrecoveryprocessesofdifferenttypesofclogginginlab-scaleverticalflowconstructedwetlands.EnvironmentalScienceandPollutionResearch,2018,25(24):24073-24083.)。在CW中，大部分微生物以生物膜的形式附着在基质表面上，生物膜在基质孔隙内的生长确实导致有效孔隙度显著降低，生物膜生长对堵塞的最重要影响是加速堵塞发生(KnowlesP,DotroG,NivalaJ,etal.Clogginginsubsurfaceflowtreatmentwetlands:occurrenceandcontributingfactors.EcologicalEngineering,2011,37(2):99-112.)。目前，生物堵塞的原位解堵技术和方法有停床轮休、化学解堵和生物解堵。停床轮休是在基质床运行一段时间后闲置，使氧气进入湿地系统，增加好氧微生物的活性，加快降解有机物，能有效缓解湿地生物堵塞，其缺点为需设置两个基质床，增加基建成本。原位化学解堵是向堵塞的基质床投加化学溶剂如过氧化氢、氢氧化钠、盐酸、次氯酸钠等具有氧化还原性质的物质或生物表面活性剂鼠李糖脂，破坏堵塞物的絮凝结构，部分有机物质被溶解，从而使孔隙率得以恢复；其缺点为对湿地环境伤害大，破坏生物膜，杀死微生物。原位生物解堵是向湿地系统投加蚯蚓、微生物菌剂，促进堵塞物质降解，防止生物膜的损害与老化，从而缓解堵塞。原位生物解堵是向湿地施加水解酶可以有效地催化和水解大分子聚合物，例如蛋白质和多糖，并且易于分解而不会造成不利的环境影响；其缺点是难以克服引入微生物对人工湿地的弱适应性及与湿地土著微生物竞争呈弱势等问题，酶促降解成本高，工程应用不实际。近年来，出现了借助电化学辅助方法如电絮凝和电泳法来控制EPS造成的膜生物反应器的膜污染。电絮凝法以直流电为动力溶解阳极金属生成金属阳离子，利用电荷作用中和带负电荷的聚合物分子EPS(如蛋白质)，从而抑制生物滤饼的形成；电凝法也能较好地抑制丝状菌的过度生长，减缓膜污染。电泳法中电场诱导的电泳在膜和膜面聚合物EPS之间产生电斥力；同时电泳生成的H2O2可以在一定程度上进行膜面原位化学清洁。但是，这些适用于膜生物反应器控制膜污染的方法并不太适合人工湿地中的生物堵塞，产生的金属阳离子和H2O2会对湿地植物的长期影响还未知。可以明确的是，电场的存在具有促进EPS降解和分散，改变EPS表面电荷状态，提高微生物活性等多重作用。因此，如果能在人工湿地内部形成合适的电场强度来降解和分散生物堵塞物，而不产生对湿地植物不利的物质，将从源头上解决人工湿地的生物堵塞问题。人工湿地内部电场可以通过外加电源或者内部产电的方式形成。外加电源可以通过调节电流强度达到合适的电场强度，强化EPS的分散和降解，但是过高的电流可能对有益微生物造成损害，而且消耗电能。内部产电方式(如微生物燃料电池)产生的电流强度有限，其形成的弱电场用于分散和降解EPS可能需要花费更长的时间，但是不需消耗电能，对于堵塞程度较轻的人工湿地是一种长期有效的减缓堵塞的方法。两种方式的有机结合，作为一种原位、简便、低成本的方法，将有效缓解人工湿地的生物堵塞。
技术实现思路
本专利技术的目的是在于提供了一种交互式原位缓解人工湿地生物堵塞的方法，简单易行，操作便捷，有效的改善了人工湿地的生物堵塞问题。本专利技术的另一个目的是在于提供了一种交互式原位缓解人工湿地生物堵塞的装置，结构简单，组装方便，可显著的提高了长期运行的人工湿地过水效率，维持净化效果，延长了寿命。为了实现上述的目的，本专利技术采用以下技术措施和方案：通过在人工湿地垂直方向不同深度处嵌入电极，进一步通过导线连接成通路，并施加一定的外部电压或者利用内部电压，形成一定的弱电场，促进人工湿地生物堵塞物EPS的分散，进一步通过阳极附近富集的电化学活性菌将EPS降解利用，来实现堵塞的缓解。一种交互式原位缓解垂直流人工湿地生物堵塞的方法，其步骤如下：A、在人工湿地底部的非导电填料层上部填充阳极填料层，阳极填料层中设置阳极集电极；B、在阳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种交互式原位缓解垂直流人工湿地生物堵塞的方法，其步骤如下：其特征在于：/nA、在湿地底部的非导电填料层上部填充阳极填料层，阳极填料层中设置阳极集电极；/nB、在阳极填料层上方填充非导电填料隔离层，该层为阳极填料层和阴极填料层间的分隔器；/nC、在非导电填料隔离层上部填充阴极填料层，在阴极填料层中设置阴极集电极，阴极填料层和阴极集电极的上表面暴露于空气中，阴极填料层中种植湿地植物；/nD、阳极集电极和阴极集电极通过导线和负载或外电源连接；/nE、在连接导线中设置开关，形成外电源、内部产电和开路三种模式；与外电源相连的开关闭合时，形成外电源模式；与外部负载相连的开关闭合时，形成内部产电模式；断开开关时，形成开路模式；/nF、人工湿地运行过程中出现过滤速率降低、孔隙率降低堵塞症状，将开关调节到内部产电模式；堵塞程度较严重，将开关调节到外电源模式，并通过调节外加电源大小，强化分散并降解胞外聚合物；孔隙率和过滤速率逐渐恢复后，将开关调节到内部产电模式，维持弱电场环境，在降解胞外聚合物同时回收电能；孔隙率和过滤速率完全恢复后；维持在内部产电模式，调节成开路模式。/n

【技术特征摘要】
1.一种交互式原位缓解垂直流人工湿地生物堵塞的方法，其步骤如下：其特征在于：
A、在湿地底部的非导电填料层上部填充阳极填料层，阳极填料层中设置阳极集电极；
B、在阳极填料层上方填充非导电填料隔离层，该层为阳极填料层和阴极填料层间的分隔器；
C、在非导电填料隔离层上部填充阴极填料层，在阴极填料层中设置阴极集电极，阴极填料层和阴极集电极的上表面暴露于空气中，阴极填料层中种植湿地植物；
D、阳极集电极和阴极集电极通过导线和负载或外电源连接；
E、在连接导线中设置开关，形成外电源、内部产电和开路三种模式；与外电源相连的开关闭合时，形成外电源模式；与外部负载相连的开关闭合时，形成内部产电模式；断开开关时，形成开路模式；
F、人工湿地运行过程中出现过滤速率降低、孔隙率降低堵塞症状，将开关调节到内部产电模式；堵塞程度较严重，将开关调节到外电源模式，并通过调节外加电源大小，强化分散并降解胞外聚合物；孔隙率和过滤速率逐渐恢复后，将开关调节到内部产电模式，维持弱电场环境，在降解胞外聚合物同时回收电能；孔隙率和过滤速率完全恢复后；维持在内部产电模式，调节成开路模式。


2.一种交互式原位缓解人工湿地生物堵塞的装置，该装置包括非导电填料层(1)、阳极填料层(2)、非导电填料隔离层(3)、阴极填料层(4)，其特征在于：阳极填料层(2)分别与非导电填料层(1)、非导电填料隔离层(3)相连，阴极填料层(4)与非导电填料隔离层(3)相连，在阴极填料层(4)中种植湿地植物(5)，在阳极填料层(2)和阴极填料层(4)中分别设置阳极集电极(6)和阴极集电极(7)，阳极集电极(6)通过导线(8)、负载(9)或外电...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖恩荣，林莉莉，吴振斌，陈宇华，鲁汭，荣鹏，李志伟，
申请(专利权)人：中国科学院水生生物研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42