一种在线预测并减缓垂直流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在线预测并减缓垂直流人工湿地生物堵塞的方法及装置，步骤是：在池底自下而上依次填充底部非导电填料层、底部阳极填料层、中部非导电填料隔离层、中部阳极填料层、上部非导电填料隔离层、填充阴极填料层；中部阳极集电极和底部阳极集电极通过导线和负载一一与阴极集电极连接，形成若干微生物燃料电池(MFC)；人工湿地系统净化污水过程中，微生物分泌的EPS形成致密堵塞层会导致内阻增加，通过各个MFC系统的电压变化可预测堵塞位点，同时利用各个MFC对生物堵塞物的实时和持续降解，有效地预防和改善了人工湿地的生物堵塞问题。方法操作便捷，装置结构简单，可维持垂直流人工湿地长期运行时较高的过水速率和净化效果。

【技术实现步骤摘要】
一种在线预测并减缓垂直流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
，更具体涉及一种在线预测并减缓垂直流人工湿地生物堵塞的方法。同时还涉及一种在线预测并减缓垂直流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(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.)。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，包括微生物和分泌的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.)。其实，人工湿地堵塞的预防、缓解和解决主要面临两方面的难点。一是具体堵塞的位点难以准确判断，大多通过水力性能特性来整体判断堵塞，使得在治理堵塞时只能整体更换填料或者停床轮休，耗时耗力耗钱。二是一些原位防止人工湿地堵塞的物理方法等比较耗能，如反冲洗；化学药剂方法要考虑二次污染以及对植物和微生物的伤害；湿地结构优化(如增设挡水板、排泥池)，则会增加施工成本和难度，能耗也较高；鼠李糖脂生物表面活性剂虽具有EPS增溶作用，可生物降解且毒性低，但其长期影响还未知；水解酶、本源微生物菌剂等生物解堵手段的成本高、与湿地土著微生物竞争呈弱势；蚯蚓也难以在长期淹水的湿地基质中存活，这些方法均难以在在工程中应用。近几年，基于潜流湿地堵塞区的电阻率较未堵塞区低的特征，出现了利用电阻率的大小判断判断潜流人工湿地的堵塞位点和堵塞程度。但是操作较为复杂，需要在湿地中插入多个电极，并额外提供电源，有的还需要排空水体后一定时间内完成测定。其实这一类方法利用了电化学，以堵塞区的电阻升高为基础。虽然人工湿地堵塞位点识别的准确性有提高，但是堵塞问题的解决仍是首要问题。如何采用有效、简便、低成本、低能耗的方法是亟需解决的问题。微生物燃料电池(microbialfuelcells，MFC)是一种以微生物作为催化剂氧化有机和无机物质并同步产电的新型产能及废水净化技术，几乎所有有机物都可作为反应底物。MFC内的产电细菌可将EPS中难降解的大分子量的有机物分解成简单的、可溶性的有机物后加以利用并产生电能。此外，MFC形成的微弱电场对控制松散结合型EPS(LB-EPS)中多糖类小分子污染物具有明显优势。如果在人工湿地中能利用MFC来降解引起生物堵塞的EPS，就可从根本上解决堵塞的问题，实现对人工湿地生物堵塞的原位预防。而垂直流人工湿地不同深度位置的天然的氧化还原电位梯度，为MFC与人工湿地的嵌合提供了条件。
技术实现思路
本专利技术的目的是在于提供了一种在线预测并减缓垂直流人工湿地生物堵塞的方法，简单易行，操作便捷，有效的预防和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预测并减缓垂直流人工湿地生物堵塞的装置，结构简单，组装方便，可维持垂直流人工湿地长期运行时较高的过水速率和净化效果。为了实现上述的目的，本专利技术采用以下技术措施和技术方案：通过微生物电极与垂直流人工湿地的有效嵌合，以及阳极电化学活性菌对于生物堵塞物质EPS的降解利用，使得人工湿地在污水净化过程中填料表面形成的过量堵塞物质EPS不断被降解利用，并原位利用电压信号的变化作为湿地位点堵塞的表征，来实现垂直流人工湿地生物堵塞的预测和减缓。一种在线预测并减缓垂直流人工湿地生物堵塞的方法，其步骤如下：A、在人工湿地池底部填充底部非导电填料层，在底部非导电填料层上部填充底部阳极填料层，底部阳极填料层中等距间隔设置8-12个底部阳极集电极，均匀收集、指示底部阳极填料层各位点的生物堵塞情况；B、在底部阳极填料层上方填充中部非导电填料隔离层，该层主要功能是作为底部阳极填料层和中部阳极填料层间的分隔器，避免底部阳极填料层和中部阳极填料层直接相连；C、在中部非导电填料隔离层上方填充中部阳极填料层，中部阳极填料层中等距间隔设置8-12个中部阳极集电极，均匀收集、指示中部阳极填料层各位点的生物堵塞情况；D、在中部阳极填料层上方填充上部非导电填料隔离层，避免中部阳极填料层和阴极填料层直接相连形成短路，植物根系部分分布在这一层的中上部；E、在上部非导电填料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在线预测并减缓垂直流人工湿地生物堵塞的方法，其步骤是：/nA、在人工湿地池底部填充底部非导电填料层，在底部非导电填料层上部填充底部阳极填料层，底部阳极填料层中等距间隔设置8-12个底部阳极集电极，均匀收集、指示底部阳极填料层各位点的生物堵塞；/nB、在底部阳极填料层上方填充中部非导电填料隔离层，该层为底部阳极填料层和中部阳极填料层间的分隔器；/nC、在中部非导电填料隔离层上方填充中部阳极填料层，中部阳极填料层中等距间隔设置8-12个中部阳极集电极，均匀收集、指示中部阳极填料层各位点的生物堵塞；/nD、在中部阳极填料层上方填充上部非导电填料隔离层，植物根系部分分布在这一层的中上部；/nE、在上部非导电填料隔离层表面填充阴极填料层，在阴极填料层中等距间隔设置8-12个阴极集电极，阴极填料层和阴极集电极的上表面暴露于空气中，利于阴极填料层中维持较高的氧化还原电位；/nF、底部阳极集电极和阴极集电极一一通过导线和负载连接，形成8-12个微生物燃料电池，中部阳极集电极和阴极集电极也一一通过不同的导线和负载连接，形成8-12个微生物燃料电池，在每个微生物燃料电池的外阻两端用导线连接电压采集器，通过电压采集器反应出每个微生物燃料电池的电压变化，指示集电极各位点的堵塞；/nG、人工湿地系统净化污水过程中，微生物分泌的胞外聚合物逐渐积累形成了致密层，导致堵塞位点处的内阻增加；/nH、人工湿地系统底部阳极填料层和中部阳极填料层中富集的电化学活性菌，促进胞外聚合物的降解和利用，将不断生成的胞外聚合物逐步降解，维持在一个稳定的范围，减缓人工湿地的生物堵塞。/n...

【技术特征摘要】
1.一种在线预测并减缓垂直流人工湿地生物堵塞的方法，其步骤是：
A、在人工湿地池底部填充底部非导电填料层，在底部非导电填料层上部填充底部阳极填料层，底部阳极填料层中等距间隔设置8-12个底部阳极集电极，均匀收集、指示底部阳极填料层各位点的生物堵塞；
B、在底部阳极填料层上方填充中部非导电填料隔离层，该层为底部阳极填料层和中部阳极填料层间的分隔器；
C、在中部非导电填料隔离层上方填充中部阳极填料层，中部阳极填料层中等距间隔设置8-12个中部阳极集电极，均匀收集、指示中部阳极填料层各位点的生物堵塞；
D、在中部阳极填料层上方填充上部非导电填料隔离层，植物根系部分分布在这一层的中上部；
E、在上部非导电填料隔离层表面填充阴极填料层，在阴极填料层中等距间隔设置8-12个阴极集电极，阴极填料层和阴极集电极的上表面暴露于空气中，利于阴极填料层中维持较高的氧化还原电位；
F、底部阳极集电极和阴极集电极一一通过导线和负载连接，形成8-12个微生物燃料电池，中部阳极集电极和阴极集电极也一一通过不同的导线和负载连接，形成8-12个微生物燃料电池，在每个微生物燃料电池的外阻两端用导线连接电压采集器，通过电压采集器反应出每个微生物燃料电池的电压变化，指示集电极各位点的堵塞；
G、人工湿地系统净化污水过程中，微生物分泌的胞外聚合物逐渐积累形成了致密层，导致堵塞位点处的内阻增加；
H、人工湿地系统底部阳极填料层和中部阳极填料层中富集的电化学活性菌，促进胞外聚合物的降解和利用，将不断生成的胞外聚合物逐步降解，维持在一个稳定的范围，减缓人工湿地的生物堵塞。


2.一种在线预测并减缓垂直流人工湿地生物堵塞的装置，该装置包括底部非导电填料层(1)、底部阳极填料层(2)、中部非导电填料隔离层(3)、中部阳极填料层(4)、上部非导电填料隔离层(5)、阴极填料层(6)，其特征在于：底部阳极填料层(2)分别与底部非导电填料层(1)、中部非导电填料隔离层(3)相连，中部阳极填料层(4)分别与中部非导电填料隔离层(3)、上部非导电填料隔离层(5)相连，阴极填料层(6)与下部...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖恩荣，吴振斌，林莉莉，陈宇华，张义，武俊梅，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