首页分享一种垂直流互花米草湿地耦合微生物燃料电池净化海水养殖尾水的处理系统和处理方法

一种垂直流互花米草湿地耦合微生物燃料电池净化海水养殖尾水的处理系统和处理方法

来源：花匠小妙招时间：2025-01-11 20:34

本发明属于污水修复领域，具体涉及一种垂直流互花米草湿地耦合微生物燃料电池净化海水养殖尾水的处理系统和处理方法。

背景技术：

1、海水养殖产业是海洋经济的重要组成部分，伴随海水养殖产业的高强度发展和集约化转型，生态环境恶化与产量增长需求之间的矛盾日益加剧。不断扩大的养殖规模导致大量的养殖尾水排入近岸水体，给沿海海域的生态环境造成巨大破坏。海水养殖尾水中典型的污染物包括有机物、氮磷等营养盐、抗生素及重金属等，这些污染物可通过生物链影响人类健康。因此确保养殖尾水达标处理，重视海洋生态环境保护，已成为推动海水养殖产业可持续发展的必然要求。

2、由于海水养殖尾水具有污染物浓度低、高盐度效应等特点，单一处理技术无法取得理想净化效果。典型的物化处理技术包括混凝沉淀、过滤、吸附和曝气吹脱等，通常只能有效降低水体浊度并去除水体中的悬浮物，对大多数溶解性的氮磷污染物很难有明显的去除效果。此外，海水的盐度效应和污染物结构的特殊性，微生物普遍生存和生长效率不高，且生物过程往往需要较大的占地面积。微生物燃料电池是一种利用微生物催化降解有机物并将其中的化学能转化为电能的新型水处理技术，与传统水处理方式相比不仅能够高效强化对废水中污染物的去除，同时还实现了能源的有效回收。

3、互花米草是禾本科米草属的一种滨海湿地植物。作为典型的盐生植被，互花米草的叶片上分布有盐腺和气孔。大量重金属胁迫试验表明，互花米草对cd、hg、pb和zn等重金属胁迫具有较好的耐受性，因而被视为良好的重金属修复植物物种。目前人工湿地耦合微生物燃料电池在各类尾水的深度净化研究逐渐展开，但是微生物燃料电池依然存在效率低，水质净化效果慢等缺陷。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种垂直流互花米草湿地耦合微生物燃料电池净化海水养殖尾水的处理系统，该系统主要针对对海水养殖尾水中有机物、氮磷等营养盐、抗生素及重金属等典型污染物，基于物化-生化法耦合处理海水养殖尾水，削减海水养殖尾水中的污染负荷，实现水产养殖尾水的深度净化。

2、本发明还提供所述垂直流互花米草湿地耦合微生物燃料电池净化海水养殖尾水的处理系统的处理方法。

3、技术方案：为了实现上述目的，本发明所述一种垂直流互花米草湿地耦合微生物燃料电池净化海水养殖尾水的处理系统，所述处理系统从下至上依次堆叠设置有包括布水层、第一承托层、微生物燃料电池阳极层、第二承托层、微生物燃料电池阴极层及互花米草生长层。

4、其中，所述处理系统的最下层为5～10cm的布水层，布水层的底部设置有布水孔板支撑，布水层中填装底部填料并通过布水孔板支撑，所述填料为大小为10～30mm的鹅卵石；布水层以上为第一承托层，高度15～25cm，用陶粒、沸石和沙子混合填充；第一承托层以上为微生物燃料电池阳极层，高度5～10cm，由钛网盒或者不锈钢网盒装盛生物炭构建而成；微生物燃料电池阳极层以上是第二承托层，高度15～25cm，用陶粒、沙子混合填充；再往上为微生物燃料电池阴极层，由空心钛网片构成，其上下各均匀分布着2.5～5cm的活性炭颗粒形成活性炭层；微生物燃料电池阴极层以上为互花米草生长层，互花米草幼苗的根部生长在活性炭层中，互花米草幼苗的种植密度为10～50棵/m2。

5、其中，所述微生物燃料电池阴极层和微生物燃料电池阳极层通过导线连接，构成闭合回路，接头处用环氧树脂密封，外接导线串联1kω电阻以稳定体系电压；所述微生物燃料电池阳极层(4)含有产电细菌随进水时间延长逐渐富集，体系电压逐渐稳定。

6、其中，所述微生物燃料电池阳极层中由钛网盒装盛生物炭构建而成，为节省成本，可用不锈钢网盒替代，盒内装载的生物炭由城市生活污水处理厂厌氧活性污泥烧制而成或者直接市售购买获得，粒径为1～8mm；该生物炭可为阳极提供有机质作为电子供体。

7、其中，所述微生物燃料电池阴极层中为一个圆环的钛网电极板，钛网电极板面积与整个处理系统的横断面面积比为0.33～0.5，电极板间距不能超过布水层、承托层、阳极层、承托层、阴极层总高度的一半，即阴极和阳极的间距不能超过整个系统高度的一半。

8、其中，所述互花米草幼苗由互花米草种子培育而成，互花米草种子在0-4℃避光在海水浸泡1-2天，在质量分数0.1-0.2％的kmno4水溶液中表面消毒10～15分钟，然后用蒸馏水冲洗干净，每次处理50～60粒。护花米草种子用ms培养基水培培养萌发后进行移栽土培，待生长至50～60cm以在至反应器中。移栽土培的培养期间光照强度为400～600μmol/(m2·s)，每天光照12h，相对湿度为70±5％。

9、其中，取城市污水处理厂厌氧池污泥进行接种，用海水稀释从进水口8依次从布水层、第一承托层泵入微生物燃料电池阳极层，连续循环运行进行反应器内部微生物自然富集、驯化得到产电菌或者直接泵入含有产电菌的稀释污泥，整个系统采用底部进水、上部出水的方式倒入海水养殖尾水，尾水在装置内的水力停留时间(hrt)为2-3d。

10、作为优选，取城市污水处理厂厌氧池污泥进行接种，按1:10比例用海水稀释并泵入微生物燃料电池阳极层。连续循环运行15天进行反应器内部微生物自然富集、驯化，进行体系稳定阶段，15天后构建的处理系统采用底部进水、上部出水的方式开始泵入海水养殖尾水，进水水力停留时间(hrt)为3d。

11、作为优选，所述处理系统为了增强系统对海水中氮磷的去除效果，可采取两级或多级系统串联的方式。其中，第一级系统进水采用下进上出，后面系统进水采用上进下出。

12、本发明所述的垂直流互花米草湿地耦合微生物燃料电池净化海水养殖尾水的处理系统的处理方法，包括如下步骤：

13、将含高氮磷、有机质、重金属、抗生素的海水养殖尾水由蠕动泵经由进水口从底部连续泵入的处理系统中，海水养殖尾水从处理系统底部的进水口由下而上分别经过布水层、第一承托层、微生物燃料电池阳极层、第二承托层、微生物燃料电池阴极层及互花米草生长层，出水从处理系统上层的出水口流出，海水养殖尾水流经阳极层后发生厌氧反应，产电细菌在分解有机物的同时产生电子，电子被阳极电极材料收集，通过导线与阴极的钛网片相连，整个处理系统体系的电极电势可由数字采集模块采集，并通过电脑将数据导出，互花米草生长层中的互花米草可持续吸收水体中的氮磷营养盐；体系搭建后，取城市污水处理厂厌氧池污泥进行接种，用海水稀释并泵入装置。连续循环运行15天进行反应器内部微生物自然富集、驯化，构建的人工湿地型微生物燃料电池采用底部进水、上部出水的方式开始泵入海水养殖尾水，进水水力停留时间(hrt)为3d。

14、其中，主要针对海水养殖尾水中有机物、氮磷等营养盐、抗生素及重金属等典型污染物。通过本发明处理方法，对海水养殖尾水中cod去除率达60％以上，氨氮的去除率达90％以上，总氮的去除率达85％以上，总磷的去除率达85％以上，重金属离子去除率达95％以上，抗生素去除率达40％以上，实现对海水养殖尾水中氮、磷、重金属及抗生素的高效去除。

15、机理：本发明首次将互花米草和微生物燃料电池进行耦合并将其应用到海水养殖尾水净化，由于人工湿地底部和表面的溶解氧含量不同，底部厌氧区和表层好氧区存在明显的氧化还原电位梯度，阳极进行厌氧及反硝化反应，除碳脱氮，电子通过导线经过外电路后到达阴极，阴极进行好氧硝化反应。对于人工湿地与为微生物燃料电池的耦合系统，则是在人工湿地底部实现厌氧状态、表面好氧状态从而满足微生物燃料电池的实现条件以形成耦合系统，可使水中污染物质得到良性循环，同时实现资源的能源化，从而可同时获得废水净化和能源化的双重收益。同时在这种长期的电位差驯化下，体系阳极区的电化学活性菌会逐渐得到富集并成为优势菌种。垂直流互花米草湿地耦合微生物燃料电池净化海水养殖尾水的处理系统在处理含硫的海水养殖尾水时存在着硫化物和硫酸盐的循环转化过程，同时海水尾水中含有的大量硫酸盐还原菌在厌氧条件下会将so42-还原，使得部分硫元素以硫单质和s2-的形式存在于基质表面或水体中。同时s2-也会与溶液中的cu2+、zn2+等形成cus、zns沉淀，促进海水养殖尾水中重金属离子的高效去除。

16、此外，人工湿地常采用的植物包括芦苇、黄菖蒲、美人蕉、水芹等，但这些植物大多无法在盐度超过1％的水体中生长。护花米草作为常见的滨海植物，具有极强的耐盐、耐淹能力。利用护花米草构建人工湿地使得其可以利用污水中的氮磷为原料合成生物质，互花米草的耐盐性降低了盐浓度对湿地植物的胁迫影响。同时，利用微生物燃料电池体系的氧化还原功能将抗生素降解，并将溶解态重金属离子以稳定的硫化物形式沉淀去除。通过垂直流互花米草湿地耦合微生物燃料电池体系回收了污水中的养分，因此兼具水质净化和养分回收双重功能。本发明从海水养殖尾水中提取能量，将实现化学能-生物能-电能的转变，达到废物综合利用，该系统装置可使水中污染物质得到良性循环，同时实现资源的能源化。

17、本发明针对海水养殖尾水的特性，也即其高盐度。本发明首次将互花米草和微生物燃料电池进行耦合并将其应用到海水养殖尾水净化。本发明将微生物燃料电池、人工湿地(互花米草湿地)的优势结合，体系增强作用，对水产养殖尾水有极其优异的处理效果。本发明利用海水养殖尾水的特性进行设计的，设计的处理系统和处理方法起到了事半功倍的效果，相较于其它处理工艺有极大优势。而单一使用微生物燃料电池或者人工湿地的话，无法综合去除各种污染物，效率较低。

18、本发明对海水养殖尾水处理方法的优选特定设计，海水养殖尾水的特点是有机负荷高、抗菌重金属浓度高(cu2+、zn2+等)、以及盐度高(氯离子、硫酸盐等)。垂直流互花米草湿地耦合微生物燃料电池净化海水养殖尾水的处理系统在处理含硫废水时存在着硫化物和硫酸盐的循环转化过程，硫酸盐还原菌在厌氧条件下会将so42-还原，使得部分硫元素以硫单质和s2-的形式存在于基质表面或水体中。同时s2-也会与溶液中的cu2+、zn2+等形成cus、zns沉淀，促进海水养殖尾水中重金属离子的高效去除。同时互花米草的优异特性，增强了体系的抗盐特点。

19、本发明处理系统可以高效去除海水养殖尾水中的有机物、氮磷等营养盐、抗生素及重金属等典型污染物，实现了海水养殖尾水的深度净化。本发明一是利用海水养殖尾水中硫酸盐还原菌在厌氧条件下会将so42-还原，使得部分硫元素以硫单质和s2-的形式存在于基质表面或水体中，同时s2-也会与溶液中的cu2+、zn2+等形成cus、zns沉淀，促进海水养殖尾水中重金属离子的高效去除。二是利用互花米草的抗盐特性进一步增强尾水的净化效果。

20、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

21、1、本发明提供了一种垂直流互花米草湿地耦合微生物燃料电池净化海水养殖尾水的处理系统和处理方法，相比较于传统方法，微生物燃料电池体系中，由于电刺激的存在可以更快地富集产电微生物并提高微生物的耐盐性，因此可以强化对海水养殖尾水的处理效果。微生物燃料电池系统主要由厌氧阳极区、好氧阴极区和外电路组成，其对海水养殖尾水的处理方面具有明显的优势，盐度有利于提高溶液的质子传递能力、降低体系内阻，因而可极大增强对海水养殖尾水的处理效率。

22、2、本发明的处理系统由于在较大的电势差刺激下，微生物燃料电池体系还可用于强化某些难降解污染物的去除。海水中含有较高浓度的so42-，同时海水中的硫酸盐还原菌在厌氧条件下会将so42-还原，使得部分硫元素以硫单质和s2-的形式存在于基质表面或水体中。同时s2-也会与溶液中的cu2+、zn2+等形成cus、zns沉淀，促进海水养殖尾水中重金属离子的高效去除。

23、3、本发明的处理系统和方法可以从海水养殖尾水中提取能量，将实现化学能-生物能-电能的转变，达到废物综合利用。该装置可使水中污染物质得到良性循环，同时实现资源的能源化。

24、4、利用本发明垂直流互花米草湿地耦合微生物燃料电池净化海水养殖尾水的处理系统和处理方法，主要针对海水养殖尾水中有机物、氮磷等营养盐、抗生素及重金属等典型污染物。通过本发明处理方法，对海水养殖尾水中cod去除率达60％以上，氨氮的去除率达90％以上，总氮的去除率达85％以上，总磷的去除率达85％以上，重金属离子去除率达95％以上，抗生素去除率达40％以上，实现对富营养化水体中氮、磷、重金属及抗生素的高效去除，实现了海水养殖尾水的深度净化。