一种水体净化微生物燃料电池滤坝的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及环保，特别是应用于沉积型生物阴极微生物燃料电池去除河道等低碳氮比水体中污染物，完成水体净化一种水体净化微生物燃料电池滤坝。
【背景技术】
[0002]水资源短缺和水污染严重已是各国所关心要解决的技术问题，特别是我国面临水资源短缺和水污染严重的双重压力，部分河流湖泊纳污超过其环境容量，水生态功能退化，严重制约经济和社会发展。河道等水体治理不同于其他生产生活等点源治理(可用各种生化工艺)，有其自身特殊性，须在线处理且不能影响河道其他功能(如行洪、景观等)，具有一定难度。另外，由于污染长久积累，底泥污染严重，其缓慢释放也是造成水体“久治不愈”的重要原因。
[0003]现虽有治理河流生态的滤坝，用于面源污染控制、河流污染降解、水产养殖、湖泊水库保护的生态透水坝、生态坝，如专利CN200610039961.9、CN20 1010138059.9、〇吧01110365049.3、0吧01310126610.1、0吧01310675290.5以及0吧01410215507.9等，但由于结构上的问题，水流透过坝体渗滤材料(石块、砖陶以及人工材料等)时，经附着微生物(或/和植物协同作用)降解，去除污染物(主要为C0D、N及P)。然而，自然水体多呈低C/N比特征，N污染物经硝化后难以保证充足碳源进行反硝化，最终仍以氧化态形式存在水体中。
[0004]微生物燃料电池(microbial fuel cell，MFC)利用产电菌作用，可将水中有机污染物作为“燃料”，将生物质能一步转化为电能，实现水体净化和产电功能的统一，可在技术上支持和推动“低碳经济”发展。生物阴极负载的微生物可以直接以电极作为电子供体获得电子，以硝酸盐或亚硝酸盐作为最终电子受体，进行电化学反硝化，提高低碳氮比废水的脱氮效率。沉积型MFC是最初的MFC模型，一般阳极置于底泥之中，阴极浮于水体表面(以氧气为电子受体)，用于分解海洋底泥中有机物，回收所含能量。但至今未见有该技术在治理河流生态环境领域中应用的公开报导。
【发明内容】
[0005]针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本实用新型之目的就是提供一种水体净化微生物燃料电池滤坝，可有效解决降解底泥有机污染物，获得电能输出，通过水体自有氧气及植物根系供氧完成硝化，通过阴极内缺氧微环境进行电化学反硝化，以利于河流等水体在线污染控制的问题。
[0006]本实用新型解决的技术方案是，包括滤坝型生物阴极和铺设于底泥内的沉积阳极，综合水体地形地貌、水系形态及水体污染的情况，在河流缓流段构建生态滤坝，河流水面宽I 15m、河槽深I 10m、河漫滩I 35m处设置坝体，坝体上游的底泥内有沉积阳极，坝体高于液位，坝体的上游面和下游面呈斜面，构成坝顶高于液位的空心梯形，坝体内的空心中填充有导电性与生物相容性好的导电填料，导电填料内垂直置有伸出坝顶的碳棒，构成滤坝型生物阴极结构;沉积阳极与构成滤坝型生物阴极结构的碳棒之间经导线装有电压表，导电填料上部种植有伸出坝顶的水生植物，水生植物的根系植入导电填料中，坝体阻挡沉淀污染物沉积于坝体上游，成底泥，经阳极微生物降解，释放电子，供滤坝生物阴极电化学反硝化，导电填料上在水流过程中附着生物膜，从而实现同时硝化电化学反硝化功能脱氮，坝顶水生植物通过根系改善水体溶解氧的条件，沉积阳极与滤坝生物阴极通过外部导线、碳棒经电压表连接在一起，沉积阳极降解污染物释放电子，通过外电路传递到阴极，供氧化态N污染物还原去除，以电压表的电压变化，监控水质的实时变化。
[0007]本实用新型结构简单，新颖独特，易建造，成本低，使用效果好，有效解决去除污染，防止河流生态恶化，有巨大的经济和社会效益。
【附图说明】
[0008]图1为本实用新型的结构主视图。
【具体实施方式】
[0009]以下结合附图和具体情况对本实用新型的【具体实施方式】作详细说明。
[0010]由图1所示，本实用新型在具体实施中，该电池滤坝，包括滤坝型生物阴极和铺设于底泥内的沉积阳极，综合水体地形地貌、水系形态及水体污染的情况，在河流缓流段构建生态滤坝，河流水面宽2 15m、河槽深2 10m、河漫滩2 35m处设置坝体6，坝体6上游的底泥4内有沉积阳极I，坝体6高于液位2，坝体的上游面和下游面呈斜面，构成坝顶高于液位2的空心梯形，坝体内的空心中填充有导电性与生物相容性好的导电填料7，导电填料7内垂直置有伸出坝顶的碳棒8，构成滤坝型生物阴极结构;沉积阳极I与构成滤坝型生物阴极结构的碳棒8之间经导线3装有电压表5，导电填料7上部种植有伸出坝顶的水生植物9，水生植物9的根系植入导电填料中，坝体6阻挡沉淀污染物沉积于坝体上游，成底泥4，经阳极微生物降解，释放电子，供滤坝生物阴极电化学反硝化，导电填料上在水流过程中附着生物膜，从而实现同时硝化电化学反硝化功能脱氮，坝顶水生植物9通过根系改善水体溶解氧的条件，沉积阳极I与滤坝生物阴极通过外部导线3、碳棒8经电压表5连接在一起，沉积阳极降解污染物释放电子，通过外电路传递到阴极，供氧化态N污染物还原去除，以电压表的电压变化，监控水质的实时变化。
[0011 ]所述的导电填料为石墨颗粒或活性炭，石墨颗粒的粒径为20-60mm;
[0012]所述的坝体的坝顶伸出液位0.5-1.5m，宽lm，长同河道，坝顶上平面有用于种植水生植物的生长孔隙，坝体上游坝坡长度与坝高之比为7: I，坝体下游坡面与坝高之比为4:1，坝体上游的外壁由大小天然石块构成，下密上疏，厚度为20cm;
[0013]所述的沉积阳极I为碳毡，长为10m，宽同河床，铺设于坝体上游底泥4中；
[0014]所述的水生植物为菖蒲。
[0015]由上述结构可以看出，本实用新型是由滤坝生物阴极和铺设于底泥阳极构成。生物阴极滤坝外层以混凝土或天然石块构筑坝体，作为支撑，内部填充有导电性和生物相容性好的导电材料，坝顶种植水生植物；以导电性和生物相容性好的的材料作为阳极，阳极铺设于滤坝上游或/和下游底泥中，电化学活性菌降解污染物并释放电子，通过电压表、导线构成回路。水流及底泥污染经阴阳极降解且过滤后最终得到净化。本实用新型的效果和益处是阳极可降解底泥污染物，防止底泥污染迀移转化，持续污染水体;坝体植物根系可增加坝体内溶解氧，改善氨氮硝化需氧；阴极实现同时硝化反硝化，其中电化学反硝化利于提高氮污染物去除;滤坝过滤提高过水水质。
[0016]与现有技术相比，具有以下突出的有益技术效果:
[0017](I)沉积型阳极上的电化学活性菌在缺氧条件下降解底泥中污染物，释放电子，功率密度可达1-1000 W/m3，回收底泥中有机物储存的能源，同时减缓了底泥(内源污染)持续释放污染。
[0018](2)滤坝过滤作用，过滤悬浮颗粒污染物并沉积于坝体上游，降低水体浊度，使得滤坝过水SS低于10 mg/L;同时坝体上游沉积物可为阳极持续不断提供有机电子供体，使得系统长期连续产电。
[0019](3)坝体植物根系及填料作为载体，提供功能微生物栖息场所，相比浮游态，增加功能微生物生物量10倍以上，提高水体污染物降解效果；同时植物根系可增加水体溶解氧，使坝体内水流主体溶解氧达3 mg/L以上，提高硝化效果，将水体中1.5-5 mg/L的氨氮完全转化为氧化态氮，供反硝化进而脱氮。
[0020](4)除传统反硝化作用外，附着石墨生物膜实现同时硝化电化学反硝化，提高10-20%的总氮去除率，确保河流具有良好的生态环境，经济和社会效益巨大。
【主权项】
1.一种水体净化微生物燃料电池滤坝，包括滤坝型生物阴极和铺设于底泥内的沉积阳极，其特征在于，综合水体地形地貌、水系形态及水体污染的情况，在河流缓流段构建生态滤坝，河流水面宽2 15m、河槽深2 1m、河漫滩2 35m处设置坝体(6)，坝体(6)上游的底泥(4)内有沉积阳极(1)，坝体(6)高于液位(2)，坝体的上游面和下游面呈斜面，构成坝顶高于液位(2)的空心梯形，坝体内的空心中填充有导电性与生物相容性好的导电填料(7)，导电填料(7)内垂直置有伸出坝顶的碳棒(8)，构成滤坝型生物阴极结构;沉积阳极(I)与构成滤坝型生物阴极结构的碳棒(8)之间经导线(3)装有电压表(5)，导电填料(7)上部种植有伸出坝顶的水生植物(9)，水生植物(9)的根系植入导电填料中，坝体(6)阻挡沉淀污染物沉积于坝体上游，成底泥(4)，经阳极微生物降解，释放电子，供滤坝生物阴极电化学反硝化，导电填料上在水流过程中附着生物膜，从而实现同时硝化电化学反硝化功能脱氮，坝顶水生植物(9)通过根系改善水体溶解氧的条件，沉积阳极(I)与滤坝生物阴极通过外部导线(3)、碳棒(8)经电压表(5)连接在一起。2.根据权利要求1所述的水体净化微生物燃料电池滤坝，其特征在于，所述的导电填料为石墨颗粒或活性炭，石墨颗粒的粒径为20-60_。3.根据权利要求1所述的水体净化微生物燃料电池滤坝，其特征在于，所述的坝体的坝顶伸出液位0.5-1.5m，宽lm，长同河道，坝顶上平面有用于种植水生植物的生长孔隙，坝体上游坝坡长度与坝高之比为7: I，坝体下游坡面与坝高之比为4:1，坝体上游的外壁由大小天然石块构成，下密上疏，厚度为20cm。4.根据权利要求1所述的水体净化微生物燃料电池滤坝，其特征在于，所述的沉积阳极(I)为碳毡，长为I Om，宽同河床，铺设于坝体上游底泥(4 )中。
【专利摘要】本实用新型涉及水体净化微生物燃料电池滤坝，有效解决降解底泥有机污染物，获得电能输出，通过水体自有氧气及植物根系供氧完成硝化，通过阴极内缺氧微环境进行电化学反硝化，以利于河流等水体在线污染控制的问题，方法是，在河流缓流段构建生态滤坝，坝体上游的底泥内有沉积阳极，坝体高于液位，坝体的上游面和下游面呈斜面，构成坝顶高于液位的空心梯形，坝体内的空心中填充有导电性与生物相容性好的导电填料，导电填料内垂直置有伸出坝顶的碳棒，构成滤坝型生物阴极结构；沉积阳极与构成滤坝型生物阴极结构的碳棒之间经导线装有电压表，导电填料上种植有水生植物，本实用新型易建造，成本低，使用效果好，有效去除污染，防止河流生态恶化。
【IPC分类】C02F9/14, H01M8/16
【公开号】CN205241468
【申请号】CN201521077395
【发明人】于鲁冀, 张广毅, 柏义生, 陈涛, 李庭梅
【申请人】郑州大学
【公开日】2016年5月18日
【申请日】2015年12月22日