申请日2015.06.15
公开(公告)日2015.11.04
IPC分类号H01M8/16; C02F3/32; H01M4/86; H01M8/04
摘要
本发明公开了一种处理污水并用于湿地供电的微生物燃料电池人工湿地装置，该装置包括微生物燃料电池型湿地主体和集电储能系统;所述微生物燃料电池型人工湿地主体由下而上依次包括：防渗层、阳极填料层、绝缘填料层、阴极填料层和水生植物;所述阴极填料层底部铺设有曝气量可调节的曝气装置;所述集电储能系统由阳极电极、阴极电极以及连接阳极电极、阴极电极的外接导线、外接导线上串接的储能装置和电能输出设备组成;该装置集污水高效处理与产能于一体，成本低，易维护，整个过程不需要外加电压，所产生的电能可根据需要应用于系统内，从而实现污水处理和资源高效循环利用，特别适用于城市湿地公园。
摘要附图
权利要求书
1.一种处理污水并用于湿地供电的微生物燃料电池人工湿地装置，其特征在于，该装置包 括微生物燃料电池型湿地主体和集电储能系统;所述微生物燃料电池型人工湿地主体由 下而上依次包括：防渗层、阳极填料层、绝缘填料层、阴极填料层和水生植物;所述阴 极填料层底部铺设有曝气量可调节的曝气装置;所述集电储能系统由阳极电极、阴极电 极以及连接阳极电极、阴极电极的外接导线、外接导线上串接的储能装置和电能输出设 备组成;利用人工湿地主体下层阳极填料层的厌氧环境，并加入微生物燃料电池阳极材 料形成阳极电极;利用水生植物发达的根系泌氧功能结合微孔曝气装置的曝气并加入阴 极电极材料形成阴极电极;所述电能输出设备串联有第一开关，然后电能输出设备跟第 一开关组成的整体再跟第二开关并联，通过控制第一开关和第二开关的开关来实现对超 级电容器充放电的控制;微生物燃料电池型湿地主体的一侧下部设有进水口，另一侧的 顶部设有出水口。
2.根据权利要求1所述的处理污水并用于湿地供电的微生物燃料电池人工湿地装置，其特 征在于，所述阳极材料是打孔石墨板，打孔石墨板的通孔为1-100排，每排通孔1-1500 个，通孔的直径为10-300mm。
3.根据权利要求2所述的处理污水并用于湿地供电的微生物燃料电池人工湿地装置，其特 征在于，设在阳极填料层的1-1000块打孔石墨板采用折流方式串接而成。
4.根据权利要求1或2所述的处理污水并用于湿地供电的微生物燃料电池人工湿地装置， 其特征在于，所述阴极电极材料选自活性炭、炭毡、不锈钢材质、碳布、碳刷中的任一 种。
5.根据权利要求1或2所述的处理污水并用于湿地供电的微生物燃料电池人工湿地装置， 其特征在于，所述阴极材料表面通过富锰基氧化物、大环金属化合物或者Pt-Au等代Pt 或者低Pt催化剂进行表面修饰。
6.根据权利要求1所述的处理污水并用于湿地供电的微生物燃料电池人工湿地装置，其特 征在于，所述微生物燃料电池型人工湿地主体的阳极填料层、阴极填料层的填料采用砾 石、石墨颗粒、陶粒中的一种，所述绝缘填料层的填料采用砾石、陶粒中的一种。
7.根据权利要求1所述的处理污水并用于湿地供电的微生物燃料电池人工湿地装置，其特 征在于，所述阳极填料层的填料粒径为15-30mm;所述绝缘填料层的填料粒径为5-15mm。
8.根据权利要求1所述的处理污水并用于湿地供电的微生物燃料电池人工湿地装置，其特 征在于，所述曝气装置为微孔曝气装置，安装在阴极填料层底部的铺设的进气管上，微 孔曝气装置之间的行距为0.5m-1.0m，微孔曝气装置的孔间距为0.3m-0.5m，形成曝气区。
9.根据权利要求1所述的处理污水并用于湿地供电的微生物燃料电池人工湿地装置，其特 征在于，超级电容器的额定电压为2.3V、2.5V、2.7V中的一种，其容量在1F-20F之间。
10.根据权利要求1所述的处理污水并用于湿地供电的微生物燃料电池人工湿地装置，其特 征在于，水生植物选自芦苇、美人蕉、香蒲或者菖蒲中的一种;外接导线为钛丝，并且 连接处进行绝缘密封处理。
说明书
一种处理污水并用于湿地供电的微生物燃料电池人工湿地装置
技术领域：
本发明涉及污水处理和清洁能源领域，具体涉及一种处理污水并用于湿地供电的微生物 燃料电池人工湿地装置。
背景技术：
微生物燃料电池是利用微生物作为生物催化剂将化学能直接转化为电能的装置，从能源 利用和环境保护的角度来看，这一技术既可降解有机污染物，净化环境，同时又能产生清洁 电能，因此是一项具有广阔应用前景的绿色能源技术。该技术在废水处理、环境修复、地下 水处理方面具有广阔的应用前景。
人工湿地是一个综合的生态系统，它应用生态系统中物种共生、物质循环再生原理，遵 循结构与功能协调原则，在促进废水中污染物质良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜 力，防止环境的再污染，获得污水处理与资源化的最佳效益，具有投资费用低，建设、运行 成本低，运行管理简单;处理过程能耗低;污水处理效果稳定可靠;具有良好的景观效应、 经济效益等优点，而被广泛应用于污水处理领域。
微生物燃料电池阳极室的微生物通过转化水中的有机质产生电子、质子以及其它的一些有 机物，其中质子通过隔膜材料到达阴极，电子经过外电路传递到阴极，在阴极，电子、质子 以及电子受体发生反应，从而完成电流传递过程，即微生物燃料电池的产电过程，在这个过 程中，如果将所产生的电能加以利用，会产生可观的环境效益和经济效益。介质(如砾石、 陶粒等)、水生植物和微生物是人工湿地的基本构成，人工湿地下层附着在介质上的微生物 处于厌氧状态，会影响湿地污水的处理效果，但这恰恰为微生物燃料电池阳极厌氧环境提供 了得天独厚的条件，此外，人工湿地上部植物根系的泌氧作用为微生物燃料电池阴极的构造 也提供了便利条件。
城市湿地具有强大的生态保护功能和社会经济功能，随着城市的发展,各地纷纷掀起了建 设城市湿地公园的热潮，为了迎合现代化城市夜间景观发展的需要，夜间景观灯的建设已经 成为现代湿地公园投入的一部分，而且投入力度还在不断加大，这无疑会增加湿地公园建设 的经济成本和环境成本。
将微生物燃料电池与人工湿地有机融合，可达到保护环境，美化环境的双重效果。夏世 斌等(夏世斌、吴振斌、潘蓉,一种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置, 201110187473.3)发明了一种低成本的人工湿地水生植物电极，采用阴阳极错落排列的方式， 但是，这种方式湿地利用效率不高，单位面积电池产电效果有很大的提高空间，宋新山等(宋 新山，王俊峰，王宇晖,王苏艳,严登明,何媛,王玮,丁怡,一种高效处理有机污水的微生物 燃料电池人工湿地,CN 103708622 B)开发了一种高效处理污水的微生物燃料电池人工湿地装 置。相对于人工湿地而言，以上技术虽然能够提高处理污水效果，但是，处理效果还有很大 提升空间，而且电池输出功率低，所产生的能量较难实现间歇式操作。
此外，人工湿地内溶解氧的浓度相对较低，随着氧的利用离根毛较远的区域呈现缺氧状 态,更远的区域则完全厌氧(吴建强,阮晓红,王雪，人工湿地中水生植物的作用和选择，水资 源保护，2005，2(1)：1-6)而溶氧微生物燃料电池受溶氧浓度的影响较大，整个体系的产 电功率也会受到影响。此外微生物燃料电池输出功率低，而且所产生能量较难实现间歇式操 作。
发明内容：
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种处理污水并用于湿地供电的微生物燃料 电池人工湿地装置。该装置集污水高效处理与产能于一体，成本低，易维护，整个过程不需 要外加电压，所产生的电能可根据需要应用于系统内，从而实现污水处理和资源高效循环利 用，特别适用于城市湿地公园。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种处理污水并用于湿地供电的微生物燃料电池人工湿地装置，该装置包括微生物燃料 电池型湿地主体和集电储能系统;所述微生物燃料电池型人工湿地主体由下而上依次包括： 防渗层、阳极填料层、绝缘填料层、阴极填料层和水生植物;所述阴极填料层底部铺设有曝 气量可调节的曝气装置;所述集电储能系统由阳极电极、阴极电极以及连接阳极电极、阴极 电极的外接导线、外接导线上串接的储能装置(如超级电容器)和电能输出设备(如LED灯 组)组成;利用人工湿地主体下层阳极填料层的厌氧环境，并加入微生物燃料电池阳极材料 形成阳极电极;利用水生植物发达的根系泌氧功能结合微孔曝气装置的曝气并加入阴极电极 材料形成阴极电极;所述电能输出设备串联有第一开关，然后电能输出设备跟第一开关组成 的整体再跟第二开关并联，通过控制第一开关和第二开关的开关来实现对超级电容器充放电 的控制;微生物燃料电池型湿地主体的一侧下部设有进水口，另一侧的顶部设有出水口。
所述阳极材料是打孔石墨板。
特别地，打孔石墨板的通孔为1-100排，每排通孔1-1500个，通孔的直径为10-300mm。
设在阳极填料层的1-1000块打孔石墨板采用折流方式串接而成。
所述阴极电极材料选自活性炭、炭毡、不锈钢材质、碳布、碳刷中的任一种。
所述阴极材料表面可以通过富锰基氧化物、大环金属化合物或者Pt-Au等代Pt或者低Pt 催化剂进行表面修饰。
所述微生物燃料电池型人工湿地主体的阳极填料层、阴极填料层的填料采用砾石、石墨 颗粒、陶粒中的一种;所述绝缘填料层的填料采用砾石、陶粒中的一种。
所述阳极填料层的填料粒径优选为15-30mm。
所述绝缘填料层的填料粒径优选为5-15mm。
所述曝气装置优选为微孔曝气装置，安装在阴极填料层底部的铺设的进气管上，微孔曝 气装置之间的行距为0.5m-1.0m，微孔曝气装置的孔间距为0.3m-0.5m，形成曝气区。
超级电容器的额定电压为2.3V、2.5V、2.7V中的一种，其容量在1F-20F之间。
水生植物选自芦苇、美人蕉、香蒲或者菖蒲中的一种。
外接导线优选为钛丝，并且连接处要进行绝缘密封处理。
本发明具有以下的优点和效益：
1)和传统的湿地相比，微生物燃料电池型湿地对污水的处理效果更好。
2)和其它的微生物燃料电池型人工湿地相比，本发明阳极区电极由打孔石墨板采用折流 串联式构成，这种连接方式可增大阳极的面积，同时还能实现推流式进水，增加污水和电极 的接触时间，增强处理效果。
3)和其它的微生物燃料电池型人工湿地相比，本发明通过可调节的微孔曝气器装置，阴 极补氧更充足，反应效率更高.
4)LED灯组所需的电能比较低，完全可以利用微生物燃料电池型湿地所产生的电能， 不需要外加电压，实现污水的资源化利用。
5)随着湿地公园的城市化进程的推进，其夜间景观建设的投入力度不断加大，本发明利 用体系本身所产生电能，并用于湿地公园景观建设，在实现废水生态净化的同时将其内部蕴 涵的能量转化为电能，并加以储存利用，实现污水处理概念的创新，具有很大的发展潜力。
