电化学同时强化水体及底泥净化的自动控制曝气系统.pdf

本发明公开了一种电化学同时强化水体及底泥净化的自动控制曝气系统，包括表面曝气机、微生物燃料电池以及在线溶解氧控制系统三部分。其中，微生物燃料电池由阴极和阳极组成。阴极为表面曝气机的金属叶片，阳极为埋在水体底部底泥中的阳极导电材料，微生物燃料电池产生的电能供给溶解氧仪。溶解氧仪产生的信号传递到自动控制箱以控制电动机，进而控制表面曝气机的工作状态。表面曝气机、阳极导电材料和溶解氧仪之间通过导线连接。本发明能够促进水体和底泥中有机物降解，同时能量回收利用，并能实现系统的自动控制，从而加强水体的净化能力的同时能够减少能源损耗，适于进行自动化作业。

权利要求书1.  电化学同时强化水体及底泥净化的自动控制曝气系统，其特征在于：包括微生物燃料发电装置、在线溶解氧控制系统，所述微生物燃料发电装置包括电动机、与电动机相连的表面曝气机、与表面曝气机通过导线相连的埋在水体底部底泥中的阳极导电材料，所述在线溶解氧控制系统包括设在表面曝气机与阳极导电材料之间的溶解氧仪、与溶解氧仪和电动机分别相连通的自动控制箱，溶解氧仪接收微生物燃料发电装置产生的电能，自动控制箱通过溶解氧仪电信号控制电动机以控制表面曝气机的运行状态。2.   根据权利要求1所述的电化学同时强化水体及底泥净化的自动控制曝气系统，其特征在于：所述表面曝气机为转刷曝气机或者转盘曝气机。3.  根据权利要求1所述的电化学同时强化水体及底泥净化的自动控制曝气系统，其特征在于：所述阳极导电材料为活性炭毡、不锈钢丝网、碳布或石墨毡中的一种或者多种。4.  根据权利要求1所述的电化学同时强化水体及底泥净化的自动控制曝气系统，其特征在于：所述溶解氧仪为在线溶解氧仪。

说明书电化学同时强化水体及底泥净化的自动控制曝气系统
技术领域
    本发明属于能源与环境修复领域，特别是一种结合微生物燃料电池原理强化水体及底泥净化的并且能够产生可利用电能的能够实现自动控制的曝气系统。
背景技术
    水体富营养化已引起全球范围内的广泛关注，我国的河流湖泊水质恶化形势严峻，富营养化水体的恢复和治理刻不容缓。水体中营养物质的较难去除，目前主要通过控制外源污染源与减轻水体负荷相结合的方式进行处理。与外源污染源相比，底泥污染危害更为巨大，且更难控制。污染物被水体中的颗粒物吸附、络合、絮凝、沉降而沉积在底泥中，在外源污染削减后，底泥可能会释放有机污染物，造成缓慢长期的二次污染。传统的底泥清淤，虽然效果明显，但是经济成本较大，且扰动巨大，破坏水体的生态环境，影响其自净能力。针对富营氧化水体，目前还未找到一条能够进行有效治理的根本途径。
       富营养化水体由于溶解氧被大量细菌藻类利用，导致溶解氧浓度低，不利于水体的自净能力，长期以往，加上藻类溶解产生毒素，不利于水生动植物的生长，破坏水生生态结构。人工曝气技术一般用于污水处理工艺中，例如活性污泥法、氧化沟等。曝气的主要作用为充氧和搅拌混合。叶轮装在池内废水表面进行曝气的曝气机，称为表面曝气机。表面曝气机通过叶轮的提水作用，促使池内废水不断循环流动，不断更新气液接触面以增大吸氧量。表面曝气机具有结构简单、运行管理方便、充氧效率高等优点。表面曝气机可用于富营养化湖泊水体、鱼塘及污水处理工艺中。曝气机耗电量较大，而常用的曝气系统的自动控制系统较为复杂。
微生物燃料电池（MFC）作为一种新的产能方式—利用微生物作为催化剂将生物质直接转化为电能，而受到越来越多的研究和推广。其相比于传统厌氧消化工艺， MFC中有机物除了供微生物厌氧呼吸外，还多了转化成电能的部分，从而提高了降解效率，另外导电的阳极促进了溶液中电子的定向传递，从而加快了有机物降解的时间。研究发现，MFC能够以市政及工业污水为底物，可以在对污水进行生物处理的同时获得电能，不仅会降低污水处理厂的运行费用，而且有望实现废物资源化。近年来，越来越多的研究将污水处理工艺和MFC进行结合。王万成等构建了一种基于升流式厌氧污泥床的微生物燃料电池；孔维芳和赵书菊等将厌氧流化床与MFC结合，在促进了污染物的降解的同时产生电能。孙永军等构建了氧化沟结合MFC系统，污泥增加量比传统氧化沟减少了近15%。
       将MFC和曝气技术进行优化组合，充分利用MFC能够促进底泥及水体污染修复的特点，将处于高浓度溶解氧环境中的表面曝气机导电叶片作为阴极，将底泥中的导电材料作为阳极， MFC产电供给在线溶解氧仪，可以实现了强化水体污染修复和能源的有效利用。一种电化学同时强化水体及底泥净化的自动控制曝气系统从MFC和曝气技术协同优化出发，通过曝气作用的高效充氧能力，提高了MFC产电性能强化了MFC对沉积物中有机物的降解，节约了溶解氧仪的能耗，同时能够自动控制曝气系统的工作状况，提高了复合系统的整体净化效能，同时节约了能耗。
目前这类将曝气技术、微生物燃料电池和自动控制技术进行组合的系统国内外尚未见报道。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种结合微生物燃料电池技术的强化水体及底泥净化的自动控制曝气系统。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种电化学同时强化水体及底泥净化的自动控制曝气系统，包括微生物燃料发电装置、在线溶解氧控制系统，所述微生物燃料发电装置包括电动机、与电动机相连的表面曝气机、与表面曝气机通过导线相连的埋在水体底部底泥中的阳极导电材料，所述在线溶解氧控制系统包括设在表面曝气机与阳极导电材料之间的溶解氧仪、与溶解氧仪和电动机分别相连通的自动控制箱，溶解氧仪接收微生物燃料发电装置产生的电能，自动控制箱通过溶解氧仪电信号控制电动机以控制表面曝气机的运行状态。
   进一步地，为了提高系统的修复净化效能和产电效能，所述表面曝气机为转刷曝气机或者转盘曝气机。
进一步地，所述阳极导电材料为活性炭毡、不锈钢丝网、碳布或石墨毡中的一种或者多种。
进一步地，所述溶解氧仪为在线溶解氧仪。
本发明中利用原位修复富营养化水体与底泥，并将其中各种有机物质，转化为电能的系统，同时能够实现曝气系统的自动控制。表面曝气机和微生物燃料电池进行有机组合，利用表面曝气机叶片作为阴极与底泥中的阳极导电材料组成微生物燃料电池系统，产生电能供给溶解氧仪，用溶解氧仪的电信号控制表面曝气机的工作状态。其中，微生物燃料电池由阴极和阳极组成。阴极为表面曝气机的金属叶片，阳极为埋在底泥中的阳极导电材料，微生物燃料电池产生的电能供给溶解氧仪，溶解氧仪产生的信号传递到自动控制箱以控制电动机，进而控制表面曝气机的工作状态。表面曝气机、阳极导电材料和溶解氧仪之间通过导线连接。
本发明构建了表面曝气机耦合MFC系统，提高有机物去除效能的装置，不仅多途径、多阶高效去除有机物，从下而上大幅度提高了MFC产电性能，在原位修复富营养化湖泊底泥和水体的同时获得了电能、同时实现了自动控制，充分体现环境效益与资源回收再生利用双赢的理念。
有益效果：本发明相对于现有技术，具有以下优势：
（1）    本发明提高了传统机械曝气技术对水体的净化功能，利用表面曝气机的叶片作为MFC的阴极，MFC中电流的作用能够促进水体污染物的降解。
（2）    本发明能够直接促进底泥的降解，在底泥中构造MFC阳极，利用MFC技术促进底泥中微生物的有机物降解作用，从而从根本上治理富营养化水体，防治底泥产生的“二次污染”。
（3）    本发明能够提高MFC的产电效能，利用表面曝气机的金属叶片作为MFC阴极，由于表面曝气机周围水体溶解氧浓度高，从而提高MFC阴极电化学性能，在底泥中构造MFC阳极，利用底泥中厌氧环境以及高的浓度有机物，给MFC提供充足的电子供体，从而提高MFC阳极性能。从总体上提高了MFC的产电性能。
（4）    本发明能耗低，在线溶解氧仪的电能由微生物燃料电池供应，从总体上节约了电能。
（5）    本发明能实现自动控制，根据在线溶解氧仪的溶解氧数据自控控制表面曝气机的工作状态，能够使水体中的溶解氧浓度精确控制在一定范围，减少了表面曝气机的能耗以及机器损耗。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
其中：1-电动机；2-表面曝气机 3-阳极导电材料；4-溶解氧仪；5-自动控制箱；6-导线；7-水体底部。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种电化学同时强化水体及底泥净化的自动控制曝气系统，包括微生物燃料发电装置、在线溶解氧控制系统，所述微生物燃料发电装置包括电动机1、与电动机1相连的表面曝气机2、与表面曝气机2通过导线6相连的埋在水体底部7底泥中的阳极导电材料3，所述在线溶解氧控制系统包括设在表面曝气机2与阳极导电材料3之间的溶解氧仪4、与溶解氧仪4和电动机1分别相连通的自动控制箱5，溶解氧仪4接收微生物燃料发电装置产生的电能，自动控制箱5通过溶解氧仪4电信号控制电动机1以控制表面曝气机2的运行状态。
其中，微生物燃料电池由阴极和阳极组成。阴极为表面曝气机2的金属叶片，阳极为埋在底泥中的阳极导电材料3。微生物燃料电池产生的电能供给溶解氧仪4。溶解氧仪4产生的信号传递到自动控制箱5以控制电动机1，进而控制表面曝气机2的工作状态，表面曝气机2、阳极导电材料3和溶解氧仪4之间通过导线6连接。
上述系统中，在表面曝气系统的基础上，构建表面曝气系统耦合MFC装置，发挥微生物燃料电池对底泥中有机物的转化降解，激发微生物尤其是产电菌和有机物降解菌的生物活性及其生物净化功能，另外在表面曝气机2周围的表面水体由于MFC阴极的作用，能够促进表层水体的净化。表面曝气系统和微生物燃料电池共同构成一个较为多样的净化降解体系，形成高效生态净化效能，不仅促进污染物物质在水生态系统中的物质循环，使各净化要素间的协同净化效应得到充分发挥，而且加强能量从污染物化学能向电能的转化。同时MFC产生的电能供应给溶解氧仪4，溶解氧仪4根据电信号自动控制表面曝气系统的工作状态，从而实现了自动控制，节约了能耗。即通过微生物燃料电池电极效应强化水体和底泥中的有机污染物的去除和转化，同时通过曝气充氧、加强水体流动对水体中的污染物进行吸附、转化和去除。利用表面曝气机2的金属叶片作为MFC阴极，由于表面曝气机2周围水体溶解氧浓度高，从而提高MFC阴极电化学性能，在底泥中构造MFC阳极，利用底泥中厌氧环境以及高的浓度有机物，给MFC提供充足的电子供体，从而提高MFC阳极性能。从总体上提高了MFC的产电性能。实施过程和后续效果不但能提高水体的污染净化能力而且在治理过程中能实现自动控制，操作方便。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。