CN103708622A - 一种高效处理有机污水的微生物燃料电池人工湿地 - Google Patents

一种高效处理有机污水的微生物燃料电池人工湿地 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高效处理有机污水的微生物燃料电池人工湿地装置，属于污水处理与电化学耦合技术领域。其特征在于，人工湿地的多介质滤床中种植挺水植物组并布置多组曝气管及排气管，两侧设有入流布水区和出流集水区，分别连接供水***、回流***和排水***，人工湿地由膨润土分为上、下两层分别布置至少一块石墨毡，下层为厌氧区(阳极室)由微生物氧化有机物产生电子和质子，上层为好氧区(阴极室)由植物及曝气管供氧，电子通过外电路传递到阴极形成电流，由于阴／阳极室氧化还原电位的不同产生电压从而构成微生物燃料电池人工湿地。本发明能同时去除有机物和产生电能，处理效果好，运行维护成本低，节能环保。

Description

一种高效处理有机污水的微生物燃料电池人工湿地
技术领域
本发明涉及一种高效处理有机污水的微生物燃料电池人工湿地，属于人工湿地技术领域。
背景技术
目前，人工湿地作为一种低成本、低能耗的水处理技术而得到人们的广泛关注与研究。人工湿地由湿地植物、介质滤床和微生物通过物理、化学和生物的协同作用从而达到去除水中污染物的目的。如水平潜流人工湿地上层通过植物根部泌氧形成好氧区，相反下层则主要呈现为厌氧状态形成厌氧区，由于上／下层氧化还原电位的不同，因此人工湿地具有通过改造其结构而构建成微生物燃料电池人工湿地装置的潜质。
微生物燃料电池主要是在阳极室，利用产电子活跃的微生物通过转化水中的有机物产生电子、质子及其它产物，电子通过外电路传递至阴极室形成电流，质子通过质子交换膜传递至阴极与氧结合生成水。微生物燃料电池通过处理氧化水中的有机物产生电能，并生成纯净水。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高效处理有机污水的微生物燃料电池人工湿地。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种高效处理有机污水的微生物燃料电池人工湿地，其特征在于：在人工湿地的填料介质滤床中种植挺水植物并布置有多组曝气管及排气管，在介质滤床两侧分别设有入流布水区和出流集水区，入流布水区和出流集水区分别连接供水***及排水***，入流布水区与出流集水区之间连接有回流***，由膨润土层将多介质滤床分为上层好氧区及下层厌氧区，在上层好氧区及下层厌氧区内分别布置至少一块石墨毡，有机污水经由供水***及入流布水区进入下层厌氧区，下层厌氧区作为阳极室由微生物转化有机污水中的有机物产生电子和质子，电子经由下层厌氧区的石墨毡通过外电路传递到作为阴极室的上层好氧区内的石墨毡形成电流，质子则透过膨润土层传入上层好氧区，用于排出水中所含气体及厌氧过程所产生的气体的排气管的进气端伸入下层厌氧区内，上层好氧区作为阴极室由挺水植物组及曝气管供氧，下层厌氧区的出水经出流集水区、回流***及入流布水区进入上层好氧区，在好氧微生物作用下将来自下层厌氧区的进水中的有机污染物降解后自出流集水区出水至排水***。
优选地，所述膨润土层位于所述人工湿地中部并完全覆盖。
优选地，所述外电路包括将所述石墨毡相连的导线，在位于上层好氧区内的石墨毡与位于下层厌氧区内的石墨毡之间串接负载，在负载两端并联电路监测单元或电能输出装置。
优选地，所述曝气管由直径为5cm的PVC管多方向均匀打孔制成，其约1个／m2布置在所述上层好氧区。
优选地，所述排气管由直径为5cm的PVC管在下部多方向均匀打孔、上部设置阀门制成，其约1个／m2布置在所述下层厌氧区。
优选地，所述挺水植物组由芦苇10-20株／m2或美人蕉3-4株／m2布置而成，其根系分布在所述上层好氧区。
优选地，所述入流布水区与所述出流集水区均由粒径约9-15mm的砾石填料经PVC多孔板固定构成。
优选地，所述介质滤床由粒径约5-8mm的砾石填料及砂子组成。
本发明通过改造人工湿地的结构以供产电子活跃的微生物在人工湿地的下层厌氧区(阳极室)由微生物转化有机物产生电子和质子，上层为好氧区(阴极室)由植物及曝气管供氧，电子通过外电路传递到阴极形成电流，由于阴／阳极室氧化还原电位的不同产生电压从而构成微生物燃料电池人工湿地。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：通过人工湿地下层厌氧区(阳极室)转化水中的有机物产生电子，通过外电路传递至上层好氧区(阴极室)形成电流，由于阴／阳极室氧化还原电位的不同产生电压。微生物燃料电池人工湿地在高效处理水中有机物污染物的同时产生电能。
附图说明
图1是本发明的装置示意图；
图2是本发明的俯视图；
图3是本发明的布水管图；
图4是本发明的PVC曝气管图；
图5是本发明的PVC多孔板图；
图6是本发明的PVC排气管图。
图中：1、配水井 2、蝶阀 3、格栅 4、供水泵 5、阀门 6、膨润土 7、回流管 8、微生物燃料电池人工湿地装置 9、挺水植物 10、曝气管 11、排气管 12、上层好氧区填料 13上层好氧区(阴极室) 14-1、入流布水区 14-2、出流集水区 15、出水池 16、导线 17、负载 18、电路监测装置 19、回流泵 20、阳极石墨毡 21、下层厌氧区填料 22、下层厌氧区(阳极室) 23、阴极石墨毡 24、PVC多孔板 25-1及25-2、布水管。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
如图1及2所示，本发明提供了一种高效处理有机污水的微生物燃料电池人工湿地，包括人工湿地8，在人工湿地8的多介质滤床中种植挺水植物组9并布置有多组曝气管10及排气管11。约2cm厚的膨润土层6位于人工湿地8中部并完全覆盖，由膨润土层6将多介质滤床分为上层好氧区13及下层厌氧区22。在下层厌氧区22的下层厌氧区填料21底部添加带有可以产生电子微生物的污泥，在上层好氧区13的上层好氧区填料12及下层厌氧区22的下层厌氧区填料21中间分别布置多块串联的阴极石墨毡23及多块串联的阳极石墨毡20。由导线16将阴极石墨毡23与阳极石墨毡20串接，同时，在阴极石墨毡23与阳极石墨毡20之间串接负载17，在负载17的两端并联电路监测装置18。
挺水植物组9由芦苇10-20株／m2或美人蕉3-4株／m2布置而成，其根系分布在上层好氧区。结合图4，曝气管10由直径为5cm的PVC管多方向均匀打孔制成，其约1个／m2布置在上层好氧区。上层好氧区由挺水植物组9及曝气管10供氧。结合图6，排气管11由直径为5cm的PVC管在下部多方向均匀打孔、上部设置阀门5制成，其约1个／m2布置在下层厌氧区22。
人工湿地8的多介质滤床由粒径约5-8mm的砾石填料及砂子组成，在其两侧分别设有入流布水区14-1和出流集水区14-2，结合图3及图5，入流布水区14-1与出流集水区14-2均由粒径约9-15mm的砾石填料经PVC多孔板24固定构成。入流布水区14-1和出流集水区14-2分别连接供水***及排水***，入流布水区14-1与出流集水区14-2之间连接有回流***。
使用时，供水***的配水井1中的有机污水经格栅3处理由供水泵4提升至人工湿地8的下层厌氧区22，由布水管25-1流进入入流布水区14-1均匀分配至下层厌氧区22。进水过程中，须打开排气管11的阀门，以排出水中所含气体及厌氧过程所产生的气体，待进水完毕时关闭。有机污水在作为阳极室的上层厌氧区22内由微生物氧化有机污水中的有机物产生电子、质子和其它产物，电子经由阳极石墨毡20、导线16及负载17传递至阴极石墨毡23形成电流，该过程可由电路监测装置18进行电路电流、电压的实时监测，质子透过膨润土层6传至作为阴极室的上层好氧区13。下层厌氧区22的出水出流集水区14-2后，由回流***的回流泵19进入回流管7、布水管25-2流入入流布水区14-1均匀分配至上层好氧区13。由上层好氧区13内由挺水植物9及曝气管10提供的氧与来自下层厌氧区22的质子将来自下层厌氧区22的进水中可能含有的有机污染物降解，并经由出流集水区14-2流入出水***的水池15。

Claims (8)

1.一种高效处理有机污水的微生物燃料电池人工湿地，其特征在于：包括人工湿地(8)，在人工湿地(8)的多介质滤床中种植挺水植物组(9)并布置有多组曝气管(10)及排气管(11)，在多介质滤床两侧分别设有入流布水区(14-1)和出流集水区(14-2)，入流布水区(14-1)和出流集水区(14-2)分别连接供水***及排水***，入流布水区(14-1)与出流集水区(14-2)之间连接有回流***，由膨润土层(6)将多介质滤床分为上层好氧区(13)及下层厌氧区(22)，在上层好氧区(13)及下层厌氧区(22)内分别布置至少一块石墨毡，有机污水经由供水***及入流布水区(14-1)进入下层厌氧区(22)，下层厌氧区(22)作为阳极室由微生物氧化有机污水中的有机物产生电子和质子，电子经由下层厌氧区(22)的石墨毡通过外电路传递到作为阴极室的上层好氧区(13)内的石墨毡形成电流，质子则透过膨润土层(6)传入上层好氧区(13)，用于排出水中所含气体及厌氧过程所产生的气体的排气管(11)的进气端伸入下层厌氧区(22)内，上层好氧区(13)作为阴极室由挺水植物组(9)及曝气管(10)供氧，下层厌氧区(22)的出水经出流集水区(14-2)、回流***及入流布水区(14-1)进入上层好氧区(13)，由氧将来自下层厌氧区(22)的进水中的有机污染物降解后自出流集水区(14-2)出水至排水***。
2.如权利要求1所述的一种高效处理有机污水的微生物燃料电池人工湿地，其特征在于：所述膨润土层(6)位于所述人工湿地(8)中部并完全覆盖。
3.如权利要求1所述的一种高效处理有机污水的微生物燃料电池人工湿地，其特征在于：所述外电路包括将所述石墨毡相连的导线(16)，在位于上层好氧区(13)内的石墨毡与位于下层厌氧区(22)内的石墨毡之间串接负载(17)，在负载(17)两端并联电路监测单元(18)或电能输出装置。
4.如权利要求1所述的一种高效处理有机污水的微生物燃料电池人工湿地，其特征在于：所述曝气管(10)由直径为5cm的PVC管多方向均匀打孔制成，其约1个／m2布置在所述上层好氧区(13)。
5.如权利要求1所述的一种高效处理有机污水的微生物燃料电池人工湿地，其特征在于：所述排气管(11)由直径为5cm的PVC管在下部多方向均匀打孔、上部设置阀门(5)制成，其约1个／m2布置在所述下层厌氧区(22)。
6.如权利要求1所述的一种高效处理有机污水的微生物燃料电池人工湿地，其特征在于：所述挺水植物组(9)由芦苇10-20株／m2或美人蕉3-4株／m2布置而成，其根系分布在所述上层好氧区(13)。
7.如权利要求1所述的一种高效处理有机污水的微生物燃料电池人工湿地，其特征在于：所述入流布水区(14-1)与所述出流集水区(14-2)均由粒径约9-15mm的砾石填料经PVC多孔板(24)固定构成。
8.如权利要求1所述的一种高效处理有机污水的微生物燃料电池人工湿地，其特征在于：所述多介质滤床由粒径约5-8mm的砾石填料及砂子组成。
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