基于电子传递控制水体内源磷释放的装置及方法

本发明涉及水体微生物修复，涉及一种控制水体内源磷释放的装置及方法，具体涉及一种基于电子传递控制水体内源磷释放的装置及方法。

背景技术：

1、水体富营养化对饮用水安全和水生生态系统的可持续性带来严重危害，而磷是控制富营养化的最重要因素，约80％的富营养化是由过量的磷引起。水体中磷过量的主要原因有外部源磷的排入以及水体内部磷源的释放，其中外源磷排入有过磷肥的过量施用、大量含磷废水的排放等；而内源磷释放主要是水体中沉积物内源磷的释放，沉积物内源磷的释放也是湖泊富营养化重要的污染来源。因此，控制内源磷释放引起的水体中磷过量导致的水体富营养化的主要方式就是最大限度减少沉积物中内源磷的释放。但，由于沉积物本身的复杂性，沉积物中磷的存在形态也多种多样，使得如何控制水体内源磷释放成为一个难题。

2、沉积物中内源磷的释放主要是由于铁结合磷的溶解。氧可以作为表面沉积物中微生物呼吸的电子受体，从而通过形成fe2(po4)3的沉淀或被fe(oh)3吸附引导磷的固定化。然而，污染物的输入和夏季长时间高温和阳光照射引起的热液分层会导致底层水中溶解氧的减少。fe(iii)会被还原为fe(ii)，从而降低沉积物固定磷的能力，导致沉积物中的磷被释放。

3、而一旦湖泊水体磷元素超标就容易引起水体的富营养化，进而导致藻类(如蓝藻)水华而威胁水生生物多样性。现有解决水体富营养化导致的藻类水华的方式主要有疏浚、捕捞蓝藻和添加吸附剂，比如通过疏浚能够清除沉积物中部分氮磷元素以降低水体中氮磷含量，有效缓解藻类水华，进而改善湖泊水质。又如在修复体表面添加吸附剂：cn106045248a公开一种强化固定富营养化水体底泥内源磷的方法，该方法的步骤如下：第一步：先将净水厂污泥用铁筛网过滤后干燥，再碾碎后过100目筛；第二步：在处理后的净水厂污泥中掺入过100目筛后的无水氯化钙粉末，混合均匀得到混合材料；第三步：将混合材料灼烧，得到内源磷固化材料；第四步：将内源磷固化材料平铺在被修复的富营养化水体底泥表层；第五步：引入河蚬；第六步：10天后，在被修复的富营养化水体底泥表层再次均匀铺设内源磷固化材料，即完成强化固定富营养化水体底泥内源磷的步骤。该方法可以改变底泥内部微环境，并形成厌氧—好氧交替存在的空间和状态，强化内源磷形态间的相互转化。

4、但是这些方法都属于传统的或物理、或化学、或生物的修复方法，基本上都面临着非原位处理、成本高和水体干扰大的困难，而且往往存在治理不彻底的问题。

5、进而又出现了微生物电化学系统(bioelectrochemical?systems，简称bess)用于对沉积物进行修复，现有的沉积物微生物电化学系统是通过将阳极埋在缺氧沉积物中充当电子受体，以捕获电子并通过连接的导线将其转移至好氧阴极，可极大地阻止有效fe(ⅲ)的还原，减少磷的释放。如：中国专利文献cn?101962232b公开一种沉积物微生物电化学装置及其应用。所述装置主要由阴极、阳极、导线、电阻，以及带有螺旋叶片、支撑杆和刮泥板的搅拌轴组成；其中通过导线将位于水相中的阴极、位于沉积物中的阳极以及电阻串联起来形成一个回路，电阻介于阴极和阳极之间。但现有的这种微生物电化学系统，阴阳极引入的将增大电极资金投入同时电子传递阻力较大，电子传递效率较低。

6、因此，亟待开发一种电极投入成本低且电子传递效率高的，能高效实现水体内源磷控制的装置及方法。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：提供一种基于电子传递控制水体内源磷释放的装置及方法。其目的在于，针对现有技术存在的缺陷，利用导电性材料为媒介，缩短电子传递的距离，减少电极成本，高效实现对水体内源磷释放的控制。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种基于电子传递控制水体内源磷释放的装置，包括：碳基电子导体、集流板、支撑骨架、盖板；

4、所述支撑骨架为两端开口的中空结构；

5、所述盖板固定在支撑骨架的一端，所述支撑骨架的另一端用于插入水体沉积物中进行固定；所述盖板设有中心孔，碳基电子导体的一端固定在盖板上，另一端穿过中心孔悬设在中空结构内；

6、所述集流板设置在支撑骨架的中空结构内，并环绕所述碳基电子导体设置。

7、进一步地，所述支撑骨架一般设置为两端开口的中空圆柱体。用于实际修复时，处理能力以其修复半径计。

8、进一步地，碳基电子导体的一端与盖板的固定方式有多种：

9、在其中一个实施方式中，所述盖板背向水体的的一面上以中心孔为中心、沿盖板的轴向设有若干凹槽；碳基电子导体露出盖板的一端以碳基电子导体为中心沿其轴向设有与凹槽相应数量的若干螺钉，所述螺钉的尺寸与凹槽相匹配，螺钉的一端固定在碳基电子导体上，盖板上的每个凹槽上方分别设有匹配的固定件，通过固定件将碳基电子导体的一端固定在盖板上。

10、进一步地，本发明实施方案中，支撑骨架一端与盖板的连接方式有多种：

11、在其中一个实施方式中，所述盖板朝向水体的一面上设有环形卡槽，中空圆柱体与环形卡槽匹配，实现支撑骨架一端与盖板的固定连接。

12、在另一个实施方式中，所述盖板边缘朝向与支撑骨架连接的一面设有延展边，支撑骨架的外壁与延展边的内壁过盈配合，实现支撑骨架一端与盖板的固定连接。

13、进一步地，

14、为了方便水体修复过程中的取样，同时保持水体及沉积物与外界空气的畅通、氧气扩散，所述盖板上设有若干取样与进气预留缝。优选地，所述取样与进气预留缝为环形缝或扇环形缝。

15、进一步地，

16、所述碳基电子导体由具有良好的电子传递功能的碳材料制成，一般设置为圆柱形。

17、进一步地，

18、所述集流板为由不锈钢丝组成的不锈钢丝网。采用不锈钢材质更经济实用。

19、进一步地，

20、支撑骨架的中空结构的外壁上设有若干通孔。便于周围水体的传质与电子传递。

21、进一步地，

22、所述装置还包括电信号采集器，所述电信号采集器的阴极连接集流板，其阳极连接碳基电子导体，通过电信号采集器读取集流板与碳基电子导体之间的电信号以评估水体修复进度。

23、优选地，所述电信号采集器为万用表，读取的电信号为电压。所述电信号的读取为间隔预设时间读取一次，以评估水体修复进度。

24、进一步地，

25、所述盖板上还设有fe(ⅲ)投加孔。所述fe(ⅲ)投加孔用于往水体中投加fe(ⅲ)，用于丰富内源磷固定形态，提高内源磷释放的控制效率。

26、投加的fe(ⅲ)为可溶性三价铁盐，如：硫酸铁、氯化铁、硝酸铁等可溶性铁盐。

27、具体应用实施过程中，所述支撑骨架的长度根据具体的处理水体的深度进行设计。

28、第二方面，本发明提供一种采用上述装置控制水体内源磷释放的方法，具体包括如下步骤：

29、s1、将支撑骨架远离盖板的一端插入水体沉积物中，将碳基电子导体一端伸入支撑骨架的中空结构的水体中，并在碳基电子导体的周围绕设一圈网板形成所述集流板；

30、s2、通过盖板将碳基电子导体的另一端固定在支撑骨架的另一端，使得碳基电子导体悬垂于支撑骨架的中空结构的水体中；

31、s3、采用电信号采集器记录集流板与碳基电子导体间的开路电压，以监测固磷与修复过程。

32、进一步地，所述方法还包括，通过盖板上的fe(ⅲ)投加孔，往支撑骨架中空结构的水体中投加fe(ⅲ)。

33、优选地，fe(ⅲ)的投加量占中空结构内水体重量的质量百分比为x，0＜x≤5％。更优选地x为0.5％。支撑骨架的中空结构内水体的重量根据中空结构(圆柱体)的半径进行计算。

34、进一步地，所述方法包括在处理水域设置若干所述控制水体内源磷释放的装置。

35、将上述装置应用于水体污染修复，能提高污染水体中总有机碳(toc)的去除率，以及降低污染水体内源磷的释放。

36、本发明具有如下有益效果：

37、本发明提供一种基于电子传递控制水体内源磷释放的装置及方法，利用导电性材料为媒介，缩短电子传递的距离，减少电极成本，高效实现水体内源磷的控制。与现有技术相比具有如下优势：

38、1、电子传递效率高。本发明以碳基电子导体为微生物代谢提供丰富的电子受体界面。碳基电子导体设置于污染水体内部，可收集微生物代谢产生的电子并利用自身良好的导电性将其传至富氧水面，能解决电子传递过程中的极化损耗。电子不需要经历冗长的有机物-微生物-(穿梭体)-阳极-导线-阴极-氧气的传递过程。因此，电子传递速率得以显著提高。

39、2、高效实现内源磷固定。本发明中碳基电子导体的高效电子传递，使得沉积物中微生物代谢产生的电子有了更优越的电子受体(导体与o2)。电子出路增加，使得沉积物/间隙水中铁的还原过程被替代，水体中固磷形态产物更稳定，从而减少沉积物与间隙水中磷向上覆水的释放。

40、3、同步有机污染去除与固磷，且有机污染去除过程可监测。利用本发明装置进行水体处理时，水体中的土著微生物可富集至碳基电子导体，微生物氧化半反应与上覆水中氧还原半反应异位高效结合可有效促进有机污染的去除。此外，集流板与碳基电子导体间的开路电压可通过电信号采集器(如：万用表)进行读取，通过分析集流板与碳基电子导体之间开路电压的变化可对污染水体中有机污染物的存在浓度进行监测。

41、4、投入成本低、操作简单。本发明相对于传统方法而言，将阳极的沉积物填满与阴极的上覆水漂浮设置简化为碳基电子导体，可减少导线、阴阳极的成本投入。

42、此外，简单设置后的操作更为简单，将碳基电子导体固定并垂于水体容器即可进行水体修复与固磷。

43、附图说明

44、图1为本发明实施例提供的基于电子传递控制水体内源磷释放的装置的结构示意图。

45、图2为本发明实施例水体修复过程中的电信号变化曲线图。

46、图3为本发明实施例与对比例的水体中的toc变化对比图。

47、图4为本发明实施例与对比例的水体中的tp变化对比图。