CN111704243A - 一种人工湿地微生物燃料电池耦合装置及污水处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种人工湿地微生物燃料电池耦合装置及污水处理方法包括人工湿地，所述人工湿地内包括阳极区与阴极区，阳极区与阴极区将污水中的有机物在产电菌的作用下被电解利用同时产生电能，所述阳极区与阴极区将产生的电能通过导线输送至连接外界蓄电箱，所述人工湿地的两侧分别设有配水池与集水池，所述配水池通过入流布水器将污水供应至人工湿地的底部，经过人工湿地后由集水管流至集水池，所述集水管设在人工湿地的顶部并向集水池内延伸；该人工湿地微生物燃料电池耦合装置能够起到对污水的高效脱氮除磷的功能，且能够对微生物能源能量以电能的形式回收利用，同时达到了环保生态改善与节能的作用。

Description

一种人工湿地微生物燃料电池耦合装置及污水处理方法
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种人工湿地微生物燃料电池耦合装置及污水处理方法。
背景技术
人工湿地(Constructed Wetland,CW)污水处理***是一种新型的污水处理工艺,它利用湿地中填料、水生植物和微生物之间的相互作用，通过利用基质―微生物―植物这种复合生态***的物理、化学和生物的三重协调作用，即通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物电解来实现对废水的高效净化。废水中的不溶性有机物经过湿地的沉淀、过滤，可以很快被截留下来并被微生物利用；可溶性有机物则可以通过植物根系及填料表面生化的生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被电解去除；微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)利用微生物的代谢作用将水体中有机物或无机物的化学能转化为电能，与传统的厌氧生物处理法相比，MFC直接从水体中获取生物质能，并将其转化为电能和氢气的形式，更新了传统污水处理的理念。
目前随着人口增长和社会经济的快速发展，生活污水和工业废水的排放量日益增加，人们越来越关注水域生态***的净化问题。近些年来，人工湿地应用于污水处理领域，以其工艺简单、投资少、运行费用低等特点受到了广泛的关注；但是传统的人工湿地仅仅起到净水作用，微生物所产生的大量能量将被浪费，不能加以回收起到节能作用。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题而提供一种能够起到对污水的高效脱氮除磷的功能，且能够对微生物能源能量以电能的形式回收利用，同时达到了环保生态改善与节能的作用的人工湿地微生物燃料电池耦合装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种人工湿地微生物燃料电池耦合装置，包括人工湿地，所述人工湿地内包括阳极区与阴极区，所述阳极区与阴极区分别设置由不锈钢网包裹活性炭作为阳极和阴极，阳极区与阴极区将污水中的有机物在产电菌的作用下被电解利用同时产生电能，所述阳极区与阴极区将产生的电能通过导线输送至连接外界蓄电箱，所述人工湿地的两侧分别设有配水池与集水池，所述配水池通过入流布水器将污水供应至人工湿地的底部，经过人工湿地后由集水管流至集水池，所述集水管设在人工湿地的顶部并向集水池内延伸。
优选的，所述人工湿地还包括砾石区、铝污泥区、陶粒区与砂砾区，所述阴极区设在砂砾区与陶粒区之间，所述阳极区设在陶粒区与铝污泥区之间，所述铝污泥区、阳极区、陶粒区、阴极区与砂砾区从下至上依次设立，所述砂砾区的上方设有水生植物生长区。
优选的，所述人工湿地设在湿地床体内，所述湿地床体的内壁由水泥防水砂浆抹面，防止污水渗透。
优选的，所述入流布水器设在湿地床体的底部，所述入流布水器的一端伸入配水池，另一端向湿地床体内延伸。
优选的，所述配水池与集水池分别设在湿地床体的两端，其中配水池内的液面高度始终高于人工湿地顶部的集水管。
优选的，所述不锈钢网的空隙直径为5～8mm，内部活性炭为8～13mm，孔隙度为0.38mm的石墨颗粒。
本发明还提供一种人工湿地微生物燃料电池耦合装置的污水处理方法，包括：
配水池供应污水，通过入流布水器均匀将污水分布在人工湿地的底部；
污水内的有机物在微生物作用电解释放出电子和质子，电子和质子依靠电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流；
微生物电解后的污水经过人工湿地实现对污水的高效净化；
优选的，污水经过入流布水器进入人工湿地底部，通过铝污泥区、阳极区、陶粒区、阴极区与砂砾区层层净化电解，净化后的污水进一步被水生植物吸收降解后通过集水管流至集水池，阳极区与阴极区所产生的电能通过蓄电箱收集。
优选的，所述阳极区与阴极区之间增设200～1000Ω的负载电阻。
优选的，所述阳极区与阴极区通过导线连接蓄电箱，导线暴露于溶液中的部分采用树脂密封。
本发明公开了一种人工湿地微生物燃料电池耦合装置及污水处理方法包括人工湿地，所述人工湿地内包括阳极区与阴极区，阳极区与阴极区将污水中的有机物在产电菌的作用下被电解利用同时产生电能，所述阳极区与阴极区将产生的电能通过导线输送至连接外界蓄电箱，所述人工湿地的两侧分别设有配水池与集水池，所述配水池通过入流布水器将污水供应至人工湿地的底部，经过人工湿地后由集水管流至集水池，所述集水管设在人工湿地的顶部并向集水池内延伸；该人工湿地微生物燃料电池耦合装置能够起到对污水的高效脱氮除磷的功能，且能够对微生物能源能量以电能的形式回收利用，同时达到了环保生态改善与节能的作用。
附图说明
图1为本发明一种人工湿地微生物燃料电池耦合装置图。
图2为本发明中阳极区、阴极区与蓄电池的连接示意图。
图中：1、湿地床体；2、配水池；3、集水池；4、入流布水器；5、集水管；6、人工湿地；61、砾石区；62、铝污泥区；63、阳极区；64、陶粒区；65、阴极区；66、砂砾区；67、水生植物生长区；7、不锈钢网。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。附图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
请参照图1-2，一种人工湿地微生物燃料电池耦合装置，包括人工湿地6，所述人工湿地6内包括阳极区63与阴极区65，所述阳极区63与阴极区65分别设置由不锈钢网7包裹活性炭作为阳极和阴极，阳极区63与阴极区65将污水中的有机物在产电菌的作用下被电解利用同时产生电能，所述阳极63区与阴极区65将产生的电能通过导线输送至连接外界蓄电箱，所述人工湿地6的两侧分别设有配水池2与集水池3，所述配水池2通过入流布水器4将污水供应至人工湿地6的底部，经过人工湿地6后由集水管5流至集水池3，所述集水管5设在人工6的顶部并向集水池3内延伸。
所述人工湿地还包括砾石区61、铝污泥区62、陶粒区64与砂砾区66，所述阴极65区设在砂砾区66与陶粒区64之间，所述阳极区63设在陶粒区64与铝污泥区62之间，所述铝污泥区62、阳极区63、陶粒区64、阴极区65与砂砾区66从下至上依次设立，所述砂砾区66的上方设有水生植物生长区67。
其中人工湿地6为长方形，长宽比为2～3:1，最大高度为160cm；砾石区61采用16～32mm粒径砾石层厚度20～30cm；铝污泥区62采用8～16mm粒径铝污泥填料厚度20～30cm，并均匀布置有特效微生物菌群；阴极区65与阳极区63活性炭为8～13mm，孔隙度为0.38的石墨颗粒，在石墨颗粒的四周表面设置10目不锈钢网，厚度10-20cm；陶粒区64采用2～6mm粒径陶粒填料厚度20～30cm，并均匀布置有特效微生物菌群，砂粒粒径0～5mm，砂层厚度为20～30cm；砂粒区66种植湿地植物，其根系分布在阴极区65和砂粒区66之间，其中微生物菌群包括光合菌、乳酸菌及酵母菌。
所述人工湿地6设在湿地床体1内，所述湿地床体1的内壁由水泥防水砂浆抹面，防止污水渗透，所述入流布水器4设在湿地床体1的底部，所述入流布水器4的一端伸入配水池2，另一端向湿地床体1内延伸，所述配水池2与集水池3分别设在湿地床体1的两端，其中配水池2内的液面高度始终高于人工湿地顶部的集水管5，通过大气压原理，污水从湿地床底1的底部经过人工湿地6的过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物电解来实现对污水的高效净化，最终经集水管5流入集水池3。
该发明一种人工湿地微生物燃料电池的污水处理方法为，包括
配水池2供应污水，通过入流布水器42均匀将污水分布在人工湿地6的底部；
污水内的有机物在微生物作用电解释放出电子和质子，电子和质子依靠电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流；
微生物电解后的污水经过人工湿地6实现对污水的高效净化；
在厌氧环境下有机底物在阳极微生物代谢活动的作用下被氧化，这一过程伴随着电子和质子的释放，产生的电子通过微生物复杂的电子传递过程及导线最终传递至阴极室，而质子在电解质溶液通过质子交换膜或直接传至阴极；在阴极，从阳极传递的电子在催化剂的作用下，使电子受体得到电子而被还原，随着有机底物的不断氧化和阴极反应的持续进行，外电路获得持续的电流，这一过程即MFC的产电过程；
其反应代表公式为:
阳极区反应：
C6H12+6H2O→6CO2+24H++24e-；
阴极区反应：
6O2+24H++24e-→12H2O；
污水经过入流布水器4进入人工湿地6底部，通过铝污泥区62、阳极区63、陶粒区64、阴极区65与砂砾区66层层净化电解，净化后的的污水进一步被水生植物吸收降解后通过集水管5流至集水池2，阳极区63与阴极区65所产生的电能通过蓄电箱收集，所述阳极区63与阴极区65之间增设200～1000Ω的负载电阻，所述阳极区63与阴极区65通过导线连接蓄电箱，导线暴露于溶液中的部分采用树脂密封，防止金属与溶液接触发生反应。
经过深加工的铝污泥填料与水接触发生水解，
AL3 ++3H2O→AL(OH)3↓+3H+；
作用过程中能与含磷、磷酸二氢根结合而发生配位反应，使其聚集程度加大而被混凝沉降下来，在混凝过程中形成的大量氢氧化物絮体沉淀，有很强的吸附能力，通过絮体吸附作用来降低水中磷的浓度，使其集结吸附于填料表面，从而达到吸附除磷的目的。
砂粒区66上种植湿地植物，伴随微生物的协同作用，通过物理、化学和生物作用，将介质吸附、离子交换、共沉淀、高效微生物吸附还原、固定和生物提取有机结合，使得污染水体达到高效脱氮的作用；
总的硝化脱氮过程反应方程式为：
2NO3-+10e-+12H+→N2↑+6H2O；
利用人工湿地6内的阳极与阴极电解反应，将有机氮及氨氮转化为硝态氮，将其作为电子受体发生反硝化脱氮，实现其高效脱氮功能，并促使有机物转变成电能加以回收利用。
本发明是多介质填料的人工湿地技术与微生物燃料电池技术的有机结合，该多介质人工湿地与微生物燃料电池耦合装置通过多介质填料吸附挂膜、投加特定微生物并强化电子转移能力，通过阳极电子硝化、阴极电子反硝化降低碳氮比，湿地植物吸收、高效微生物降解、相互协调的物理、化学、电化学反应的协同作用，提高了污染物的去除效果，实现高效脱氮除磷的功能。且该耦合技术不仅提高了脱氮除磷的效果和产电性能，而且实现多种能源物质以电能的回收利用。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种人工湿地微生物燃料电池耦合装置，包括人工湿地，其特征在于：所述人工湿地内包括阳极区与阴极区，所述阳极区与阴极区分别设置由不锈钢网包裹活性炭作为阳极和阴极，阳极区与阴极区将污水中的有机物在产电菌的作用下被电解利用同时产生电能，所述阳极区与阴极区将产生的电能通过导线输送至连接外界蓄电箱，所述人工湿地的两侧分别设有配水池与集水池，所述配水池通过入流布水器将污水供应至人工湿地的底部，经过人工湿地后由集水管流至集水池，所述集水管设在人工湿地的顶部并向集水池内延伸。
2.根据权利要求1所述的一种人工湿地微生物燃料电池耦合装置，其特征在于：所述人工湿地还包括砾石区、铝污泥区、陶粒区与砂砾区，所述阴极区设在砂砾区与陶粒区之间，所述阳极区设在陶粒区与铝污泥区之间，所述铝污泥区、阳极区、陶粒区、阴极区与砂砾区从下至上依次设立，所述砂砾区的上方设有水生植物生长区。
3.根据权利要求2所述的一种人工湿地微生物燃料电池耦合装置，其特征在于：所述人工湿地设在湿地床体内，所述湿地床体的内壁由水泥防水砂浆抹面，防止污水渗透。
4.根据权利要求3所述的一种人工湿地微生物燃料电池耦合装置，其特征在于：所述入流布水器设在湿地床体的底部，所述入流布水器的一端伸入配水池，另一端向湿地床体内延伸。
5.根据权利要求1所述的一种人工湿地微生物燃料电池耦合装置，其特征在于：所述配水池与集水池分别设在湿地床体的两端，其中配水池内的液面高度始终高于人工湿地顶部的集水管。
6.根据权利要求1所述的一种人工湿地微生物燃料电池耦合装置，其特征在于：所述不锈钢网的空隙直径为5～8mm，内部活性炭为8～13mm，孔隙度为0.38mm的石墨颗粒。
7.根据权利要求1所述的一种人工湿地微生物燃料电池污水处理方法，其特征在于：包括
配水池供应污水，通过入流布水器均匀将污水分布在人工湿地的底部；
污水内的有机物在微生物作用电解释放出电子和质子，电子和质子依靠电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流；
微生物电解后的污水经过人工湿地实现对污水的高效净化。
8.根据权利要求6所述的一种人工湿地微生物燃料电池污水处理方法，其特征在于：污水经过入流布水器进入人工湿地底部，通过铝污泥区、阳极区、陶粒区、阴极区与砂砾区层层净化电解，净化后的污水进一步被水生植物吸收降解后通过集水管流至集水池，阳极区与阴极区所产生的电能通过蓄电箱收集。
9.根据权利要求7所述的一种人工湿地微生物燃料电池污水处理方法，其特征在于：所述阳极区与阴极区之间增设200～1000Ω的负载电阻。
10.根据权利要求7所述的一种人工湿地微生物燃料电池污水处理方法，其特征在于：所述阳极区与阴极区通过导线连接蓄电箱，导线暴露于溶液中的部分采用树脂密封。
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