技术领域
背景技术
[0002] 伴随城市化的快速发展，河流、湖泊等地表水受到严重污染，根据2018年《中国生态环境状况
公报》，全国地表水1613个水质断面中V类和劣V类水体的比例仍占11.4％，地表水体的富营养化会影响生态环境，而且污染物可通过
灌溉农田或食物链危害人类身体健康。
[0003] 生物/生态技术因其具有造价低、运行成本低、能耗低且效果良好的优点被广泛应用于河道与湖泊的地表水原位修复，这类技术主要有人工湿地技术和人工浮岛技术，依靠
微生物和
植物等生物的新陈代谢转移、转化和降解水中的污染物，重构水
生态系统。目前市面上广泛应用的人工浮岛浮体材料为强化塑料、发泡聚苯乙烯、
合成树脂等高分子材料，中间安装种植篮种植植物，通过植物吸收氮磷营养物质供给自身生长去除水体中的污染物，然而植物生长速度和根系长度有限，依靠植物吸收作用通常达不到有效的治理效果。人工湿地技术具有出水水质稳定、污染物去除能
力强、运行成本低等优点，然而其占地面积较大，构型单一尤其对于土地资源稀缺的城市，大大限制了应用范围。传统的强化方法如添加悬挂生物填料，投加生物菌剂，曝气虽具有一定的强化效果，然而存在生物菌剂活性维持时间短，生物填料
接触面积有限，能耗高的问题。
发明内容
[0004] 本发明要解决现有人工浮岛技术仅依靠植物吸收作用通常达不到有效的治理效果，现有强化方法中生物菌剂活性维持时间短，生物填料接触面积有限，能耗高的问题，而提供一种利用生物电化学强化浮动生态床的水体原位修复方法。
[0005] 一种利用生物电化学强化浮动生态床的水体原位修复方法，它是按照以下步骤进行的：
[0006] 一、选取受污染天然水体区域；
[0007] 二、在受污染天然水体区域构建生物电化学强化浮动生态床并固定；
[0008] 所述的生物电化学强化浮动生态床由多个
单体生物电化学强化浮动生态床连接而成，所述的单体生物电化学强化浮动生态床由浮体材料层、基质材料层、植物和
电子传导材料组成；浮体材料层上下各设置一层基质材料层，延单体生物电化学强化浮动生态床厚度方向，设置多个种植孔，且种植孔贯穿单体生物电化学强化浮动生态床，种植孔内设置种植篮并种植植物；
[0009] 所述的电子传导材料由电子受体材料、电子供体材料和导体材料组成，且电子受体材料和电子供体材料通过导体材料连接
电路装置形成闭合电路；
[0010] 所述的电子受体材料的材质为
碳纤维丝，将
碳纤维丝与直径为0.05mm～0.2mm的导体材料制成碳纤维刷并置于种植篮中，每个种植篮内放置2个～4个碳纤维刷，所述的碳纤维刷的直径为3cm～6cm，长度为5cm～10cm；
[0011] 或所述的电子受体材料为厚度为0.1mm～0.2mm的碳纤维布，碳纤维布设置于上层设置的基质材料层与浮体材料层之间；
[0012] 或所述的电子受体材料为
活性炭颗粒和
生物炭颗粒中的一种或者两种的组合，活性炭颗粒的粒径为5mm～8mm，生物炭颗粒的粒径为5mm～8mm，电子受体材料置于导体材料制成的网笼内，再置于种植篮中，电子受体材料的体积占种植篮体积的1/3～1/2；
[0013] 所述的电子供体材料的材质为碳纤维丝，将碳纤维丝与直径为0.05mm～0.2mm的导体材料制成碳纤维刷并悬挂于单体生物电化学强化浮动生态床下方，每个单体生物电化学强化浮动生态床下方悬挂2个～4个碳纤维刷，所述的碳纤维刷的直径为3cm～6cm，长度为30cm～100cm；
[0014] 或所述的电子供体材料为厚度为0.1mm～0.2mm的碳纤维布，碳纤维布设置于浮体材料层与下层设置的基质材料层之间；
[0015] 或所述的电子供体材料的材质为碳纤维丝、活性炭颗粒和生物炭颗粒中的两种或三种的组合，活性炭颗粒的粒径为5mm～8mm，生物炭颗粒的粒径为5mm～8mm，将碳纤维丝与直径为0.05mm～0.2mm的导体材料制成碳纤维刷，所述的碳纤维刷的直径为3cm～6cm，长度为30cm～100cm，电子供体材料填满尼龙网袋内并悬挂于单体生物电化学强化浮动生态床下方，每个单体生物电化学强化浮动生态床下方悬挂2个～4个尼龙网袋。
[0016] 本发明的有益效果是：
[0017] 1、浮体材料层为功能性基质材料提供
浮力，充足的浮力方便后期维护管理，浮体材料通过螺丝、
捆扎绳连接形成浮体材料层，方便施工且抗
风浪，生物电化学强化浮动生态床可通过绳索或链条固定在河岸边，亦可连接链条锚定在固定
位置。
[0018] 2、基质材料层由于孔隙率大、
比表面积大、具有亲水性、
生物相容性良好，为微生物提供良好的栖息地，挂膜速度较快，且在浮体材料层上下各设置一层增加生态床内微生物的生物量，在与植物和生物电化学系统相结合后，表面附着微生物的多样性更大，物种丰富度更高，达到强化生物转化，高效降解污染物，有效提高生态床对污染物的去除率和抗污染负荷能力。
[0019] 3、植物种植在种植篮中，一方面可有效吸收氮磷等污染物质，为微生物的生长提供载体，另一方面选取根系泌
氧能力高的植物，通过根系泌氧为电子受体材料提供部分电子受体，进而保证生物电化学系统的稳定运行，从而保持可持续且稳定的强化效果。
[0020] 4、电子受体材料可以通过大气复氧、根系泌氧和水体中硝态氮污染物获得充足的电子受体，本发明中的电子受体材料为廉价易得的碳基材料，表面附着的功能微生物代替传统贵金属、
炭黑等催化剂，具有廉价、稳定和可持续的优点。不仅可以有效降低电子受体在材料表面还原的活化能，表面富集的功能微生物亦能有效去除水体中碳氮磷等污染物，相比传统电子受体材料更具功能性。
[0021] 5、电子供体材料置于水下，通过材
料堆积和材料表面形成的微
生物膜形成厌氧区域，其表面附着的功能微生物氧化有机物和
氨氮，产生的电子通过电子传导材料传递到电子受体材料，在电子传递过程中电子通过导体材料连接电路装置可进行
能量回收，从而实现
化学能转化为
电能的过程。
[0022] 6、本发明生物电化学强化浮动生态床的氨氮去除率始终稳定在80.0％以上，最高可达到83.4％，硝氮去除率始终维持在80.0％以上，总磷去除率稳定，可达到51.4％以上。
[0023] 本发明用于利用生物电化学强化浮动生态床的水体原位修复方法。
附图说明
[0024] 图1为
实施例一单体生物电化学强化浮动生态床的示意图，1为植物，2为种植篮，3为上层设置的基质材料层，4为浮体材料层，5为电子受体材料，6为电子供体材料，7为下层设置的基质材料层，8为导体材料，9为螺丝，10为电路装置；
[0025] 图2为实施例一生物电化学强化浮动生态床的示意图；
[0026] 图3为传统浮岛反应器的浮体材料层的实物图；
[0027] 图4为实施例一系统运行稳定后出水的氨氮去除率效果图；1为对比空白实验构建的系统反应器，2为传统浮岛的系统反应器，3为实施例一构建的生物电化学强化浮动生态床的小试反应器；
[0028] 图5为实施例一系统运行稳定后出水的硝氮去除率效果图；1为对比空白实验构建的系统反应器，2为传统浮岛的系统反应器，3为实施例一构建的生物电化学强化浮动生态床的小试反应器；
[0029] 图6为实施例一系统运行稳定后出水的总磷去除率效果图；1为对比空白实验构建的系统反应器，2为传统浮岛的系统反应器，3为实施例一构建的生物电化学强化浮动生态床的小试反应器。
具体实施方式
[0030] 具体实施方式一：本实施方式所述的一种利用生物电化学强化浮动生态床的水体原位修复方法，它是按照以下步骤进行的：
[0031] 一、选取受污染天然水体区域；
[0032] 二、在受污染天然水体区域构建生物电化学强化浮动生态床并固定；
[0033] 所述的生物电化学强化浮动生态床由多个单体生物电化学强化浮动生态床连接而成，所述的单体生物电化学强化浮动生态床由浮体材料层、基质材料层、植物和电子传导材料组成；浮体材料层上下各设置一层基质材料层，延单体生物电化学强化浮动生态床厚度方向，设置多个种植孔，且种植孔贯穿单体生物电化学强化浮动生态床，种植孔内设置种植篮并种植植物；
[0034] 所述的电子传导材料由电子受体材料、电子供体材料和导体材料组成，且电子受体材料和电子供体材料通过导体材料连接电路装置形成闭合电路；
[0035] 所述的电子受体材料的材质为碳纤维丝，将碳纤维丝与直径为0.05mm～0.2mm的导体材料制成碳纤维刷并置于种植篮中，每个种植篮内放置2个～4个碳纤维刷，所述的碳纤维刷的直径为3cm～6cm，长度为5cm～10cm；
[0036] 或所述的电子受体材料为厚度为0.1mm～0.2mm的碳纤维布，碳纤维布设置于上层设置的基质材料层与浮体材料层之间；
[0037] 或所述的电子受体材料为活性炭颗粒和生物炭颗粒中的一种或者两种的组合，活性炭颗粒的粒径为5mm～8mm，生物炭颗粒的粒径为5mm～8mm，电子受体材料置于导体材料制成的网笼内，再置于种植篮中，电子受体材料的体积占种植篮体积的1/3～1/2；
[0038] 所述的电子供体材料的材质为碳纤维丝，将碳纤维丝与直径为0.05mm～0.2mm的导体材料制成碳纤维刷并悬挂于单体生物电化学强化浮动生态床下方，每个单体生物电化学强化浮动生态床下方悬挂2个～4个碳纤维刷，所述的碳纤维刷的直径为3cm～6cm，长度为30cm～100cm；
[0039] 或所述的电子供体材料为厚度为0.1mm～0.2mm的碳纤维布，碳纤维布设置于浮体材料层与下层设置的基质材料层之间；
[0040] 或所述的电子供体材料的材质为碳纤维丝、活性炭颗粒和生物炭颗粒中的两种或三种的组合，活性炭颗粒的粒径为5mm～8mm，生物炭颗粒的粒径为5mm～8mm，将碳纤维丝与直径为0.05mm～0.2mm的导体材料制成碳纤维刷，所述的碳纤维刷的直径为3cm～6cm，长度为30cm～100cm，电子供体材料填满尼龙网袋内并悬挂于单体生物电化学强化浮动生态床下方，每个单体生物电化学强化浮动生态床下方悬挂2个～4个尼龙网袋。
[0041] 本具体实施方式中植物为根系泌氧能力较强且具有较强吸收氮磷能力的挺水类植物，植物种植在种植蓝内土培或
水培。
[0042] 本实施方式的目的在于克服
现有技术存在的缺点，构建具有
吸附/氧化、生物强化转化和能量回收功能的浮动生态床，实现对受污染天然水体强化修复，该技术具有效率高、能量回收、构型灵活且易施工维护的优点。
[0043] 本实施方式增加方便易施工的基质材料为微生物提供更多的附着位点，耦合生物电化学技术原位驯养富集土著功能微生物，丰富微
生物群落结构，强化污染物的去除速率及效率、提高有机负荷抗冲击能力，提出一种原位驯养微生物为主、植物为辅，构型灵活兼具能量回收的原位修复水体的生物电化学强化浮动生态床技术。
[0044] 本实施方式的有益效果是：
[0045] 1、浮体材料层为功能性基质材料提供浮力，充足的浮力方便后期维护管理，浮体材料通过螺丝、捆扎绳连接形成浮体材料层，方便施工且抗风浪，生物电化学强化浮动生态床可通过绳索或链条固定在河岸边，亦可连接链条锚定在固
定位置。
[0046] 2、基质材料层由于孔隙率大、比表面积大、具有亲水性、生物相容性良好，为微生物提供良好的栖息地，挂膜速度较快，且在浮体材料层上下各设置一层增加生态床内微生物的生物量，在与植物和生物电化学系统相结合后，表面附着微生物的多样性更大，物种丰富度更高，达到强化生物转化，高效降解污染物，有效提高生态床对污染物的去除率和抗污染负荷能力。
[0047] 3、植物种植在种植篮中，一方面可有效吸收氮磷等污染物质，为微生物的生长提供载体，另一方面选取根系泌氧能力高的植物，通过根系泌氧为电子受体材料提供部分电子受体，进而保证生物电化学系统的稳定运行，从而保持可持续且稳定的强化效果。
[0048] 4、电子受体材料可以通过大气复氧、根系泌氧和水体中硝态氮污染物获得充足的电子受体，本发明中的电子受体材料为廉价易得的碳基材料，表面附着的功能微生物代替传统贵金属、炭黑等催化剂，具有廉价、稳定和可持续的优点。不仅可以有效降低电子受体在材料表面还原的活化能，表面富集的功能微生物亦能有效去除水体中碳氮磷等污染物，相比传统电子受体材料更具功能性。
[0049] 5、电子供体材料置于水下，通过材料堆积和材料表面形成的微生物膜形成厌氧区域，其表面附着的功能微生物氧化有机物和氨氮，产生的电子通过电子传导材料传递到电子受体材料，在电子传递过程中电子通过导体材料连接电路装置可进行能量回收，从而实现化学能转化为电能的过程。
[0050] 6、本具体实施方式生物电化学强化浮动生态床的氨氮去除率始终稳定在80.0％以上，最高可达到83.4％，硝氮去除率始终维持在80.0％以上，总磷去除率稳定，可达到51.4％以上。
[0051] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中所述的浮体材料层由聚氯乙烯管材、聚苯乙烯
泡沫板、酚
醛泡沫板和聚氯乙烯发泡板中的一种或其中几种组合而成。其它与具体实施方式一相同。
[0052] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：所述的聚氯乙烯管材的管径为24cm～48cm；所述的聚苯乙烯泡沫板、酚醛泡沫板及聚氯乙烯发泡板的厚度为1cm～5cm。其它与具体实施方式一或二相同。
[0053] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中所述的基质材料层为藤
棉、过滤棉和生化棉中的一种或其中两种组合而成；所述的基质材料层为厚度为2cm～5cm，孔径为15PPI～35PPI。其它与具体实施方式一至三相同。
[0054] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中所述的植物为水培或在含土基质中生长的挺水类植物。其它与具体实施方式一至四相同。
[0055] 具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述的挺水类植物为美人蕉、菖蒲、旱伞竹、芦苇、香蒲和水葱中的一种或其中几种。其它与具体实施方式一至五相同。
[0056] 具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中所述的电子受体材料为厚度为0.1mm～0.2mm的碳纤维布时，碳纤维布与单体生物电化学强化浮动生态床面积相同；步骤二中所述的导体材料制成的网笼孔径为10目～35目；步骤二中所述的尼龙网袋长为30cm～100cm，宽为3cm～5cm，孔径为10目～35目；步骤二中所述的电子供体材料为厚度为0.1mm～0.2mm的碳纤维布时，碳纤维布与单体生物电化学强化浮动生态床面积相同。其它与具体实施方式一至六相同。
[0057] 具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中所述的单体生物电化学强化浮动生态床的长宽均为30cm～60cm。其它与具体实施方式一至七相同。
[0058] 具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤二中所述的生物电化学强化浮动生态床由多个单体生物电化学强化浮动生态床利用聚氯乙烯立体三通接头、直
角弯接头、四通接头、螺丝和捆扎绳连接而成。其它与具体实施方式一至八相同。
[0059] 具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤二中所述的种植孔直径为4cm～17cm；步骤二中所述的单体生物电化学强化浮动生态床中设置1个～4个种植孔；步骤二中所述的电路装置为充放电装置或
电阻；步骤二中所述的导体材料为
钛丝或钛网。其它与具体实施方式一至九相同。
[0060] 采用以下实施例验证本发明的有益效果：
[0061] 实施例一：
[0062] 本实施例提出利用生物电化学强化浮动生态床的水体原位修复方法，应用于河道的原位修复。浮体材料层选择聚氯乙烯发泡板，基质材料层选择藤绵和生化棉，电子受体材料为碳纤维丝，电子供体材料为碳纤维布，导体材料为钛丝，植物选择菖蒲，通过链条锚定在河岸边，具体如图1及2示，图1为实施例一单体生物电化学强化浮动生态床的示意图，1为植物，2为种植篮，3为上层设置的基质材料层，4为浮体材料层，5为电子受体材料，6为电子供体材料，7为下层设置的基质材料层，8为导体材料，9为螺丝，10为电路装置；图2为实施例一生物电化学强化浮动生态床的示意图；
[0063] 一种利用生物电化学强化浮动生态床的水体原位修复方法，它是按照以下步骤进行的：
[0064] 一、选取受污染天然水体区域；
[0065] 二、在受污染天然水体区域构建生物电化学强化浮动生态床并固定；
[0066] 所述的生物电化学强化浮动生态床由多个单体生物电化学强化浮动生态床连接而成，所述的单体生物电化学强化浮动生态床由浮体材料层、基质材料层、植物和电子传导材料组成；浮体材料层上下各设置一层基质材料层，延单体生物电化学强化浮动生态床厚度方向，设置多个种植孔，且种植孔贯穿单体生物电化学强化浮动生态床，种植孔内设置种植篮并种植植物；
[0067] 所述的电子传导材料为电子受体材料、电子供体材料和导体材料组成，且电子受体材料和电子供体材料通过导体材料连接电路装置形成闭合电路；
[0068] 所述的电子受体材料的材质为碳纤维丝，将碳纤维丝与直径为0.1mm的导体材料制成碳纤维刷并置于种植篮中，每个种植篮内放置3个碳纤维刷，所述的碳纤维刷的直径为3cm，长度为10cm；
[0069] 所述的电子供体材料为厚度为0.1mm的碳纤维布，碳纤维布设置于浮体材料层与下层设置的基质材料层之间，且碳纤维布与单体生物电化学强化浮动生态床面积相同。
[0070] 步骤二中所述的浮体材料层由聚氯乙烯发泡板制成，厚度为2cm；
[0071] 步骤二中所述的上层设置的基质材料层为生化棉，厚度为2cm，孔径为15PPI～35PPI，下层设置的基质材料层为藤棉，厚度为4cm，孔径为15PPI～35PPI。
[0072] 步骤二中所述的植物为菖蒲。
[0073] 步骤二中所述的单体生物电化学强化浮动生态床的长宽均为30cm。
[0074] 步骤二中所述的生物电化学强化浮动生态床由多个单体生物电化学强化浮动生态床利用螺丝和捆扎绳连接而成。
[0075] 步骤二中所述的种植孔直径为80mm；所述的种植篮直径为80mm，高为145mm；步骤二中所述的单体生物电化学强化浮动生态床中设置4个种植孔；步骤二中所述的电路装置为1000Ω电阻；步骤二中所述的导体材料为钛丝。
[0076] 本实施例利用构建的生物电化学强化浮动生态床的小试反应器，小试反应器中仅采用了一个单体生物电化学强化浮动生态床，且所述的单体生物电化学强化浮动生态床中设置1个种植孔，其他参数与上述相同，且验证本实施例利用生物电化学强化浮动生态床对水体中污染物去除效果试验具体是按以下步骤完成的：
[0077] 构建生物电化学强化浮动生态床的小试反应器长×宽×高为350mm×350mm×500mm的长方体，材料为有机玻璃，反应器内有效容积为40L。设置两个对比反应器，一是对比空白实验构建的反应器，仅底部铺10cm厚细河砂；二是传统浮岛反应器，生态浮岛大小为
34cm×34cm×6.5cm，图3为传统浮岛反应器的浮体材料层的实物图；在人工浮岛的浮体材料层中间安装种植篮种植植物，通过植物吸收氮磷营养物质供给自身生长去除水体中的污染物；三是本实施例构建的生物电化学强化浮动生态床的小试反应器，三个反应器底部均铺设10cm厚细河砂，进水为40L配水，
水力停留时间为3d。
[0078] 图4为实施例一系统运行稳定后出水的氨氮去除率效果图；1为对比空白实验构建的系统反应器，2为传统浮岛的系统反应器，3为实施例一构建的生物电化学强化浮动生态床的小试反应器；
[0079] 图5为实施例一系统运行稳定后出水的硝氮去除率效果图；1为对比空白实验构建的系统反应器，2为传统浮岛的系统反应器，3为实施例一构建的生物电化学强化浮动生态床的小试反应器；
[0080] 图6为实施例一系统运行稳定后出水的总磷去除率效果图；1为对比空白实验构建的系统反应器，2为传统浮岛的系统反应器，3为实施例一构建的生物电化学强化浮动生态床的小试反应器；
[0081] 进水氨氮的浓度为3.8±0.4mg/L，从图4可以看出，强化生态床的氨氮去除率始终稳定在80.0％左右，最高可达到83.4％，然而空白系统(仅有河砂)和传统浮岛系统的氨氮平均去除率仅为43.0％左右和67.3％左右。
[0082] 进水的硝氮浓度为2.0±0.1mg/L，从图5可以看出，前期由于河砂的吸附作用，三个系统的硝氮去除率均较高，后期随着时间推移，强化生态床的硝氮去除率始终维持在80.0％左右，而空白系统(仅有河砂)和传统浮岛系统的硝氮去除率明显下降，27d时仅为
9.0％和53.2％，说明了加入生物电化学强化后的系统中的硝化和反硝化能力均有提升。
[0083] 进水总磷浓度为3.4±1.0mg/L，从图6可以看出，前期由于河砂对总磷的吸附和脱附作用，使得水质
波动较大，15d后反应器强化生态床的总磷比较稳定，平均去除率可达到51.4％，而空白系统和传统浮岛系统中因微生物的生长量很少，总磷去除主要通过细砂的吸附，因此后期总磷去除率仅为20％左右，且出水水质相对不稳定。
[0084] 该试验结果说明本实施例中利用的基质材料能为微生物的附着提供载体，耦合生物电化学系统在电子受体材料和基质材料上富集了更多的反硝化菌，增强了反硝化能力，且丰富了系统中微
生物多样性，使得系统的运行效果更加稳定，极大的提高了污染物的去除效能。
