申请日2018.03.29
公开(公告)日2018.08.17
IPC分类号C02F3/32; C02F3/30; C02F101/38
摘要
本发明公开了一种生物阴极强化型人工湿地微生物燃料电池耦合系统及污水处理方法，其特征是，沿水流方向依次设置有第一砾石层、阳极、第二砾石层、阴极、挺水植物，第一砾石层下方设置进水口，第二砾石层上方设置有出水口，阳极经外电路与阴极相连;本发明通过水力驱动阴极旋转，增加了阴极区域溶解氧浓度，通过阴极上微生物分泌酶提高了氧气利用率，湿地基质为微生物生长提供了良好的场所，湿地植物的泌氧作用和根系沉积物提高了微生物的活性，从而提高了耦合系统的净化效果和产电性能。
权利要求书
1.一种人工湿地微生物燃料电池耦合系统，其特征是，沿水流方向依次设置有第一砾石层、阳极、第二砾石层、阴极、挺水植物，第一砾石层下方设置进水口，第二砾石层上方设置有出水口，阳极经外电路与阴极相连。
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系统，其特征是，第一砾石层和第二砾石层均采用粒径为8~10mm的砾石填充，第一砾石层厚度范围为10~30cm，第二砾石层厚度范围为50~90cm。
3.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系统，其特征是，阳极为阳极盘片，阳极经外电路与阴极相连，接头处用玻璃胶密封防止腐蚀。
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系统，其特征是，阴极由不锈钢轴、阴极盘片、转轮组成，转轮由若干个水槽组成并固定在不锈钢轴上，不锈钢轴设置有一片或二片以上阴极盘片，不锈钢轴末端套有不锈钢管，不锈钢管与外电路相连，出水口出水通过橡胶管引入转轮驱动其旋转，继而带动不锈钢轴和阴极盘片旋转。
5.根据权利要求4所述的一种人工湿地微生物燃料电池耦合系统，其特征是，阴极盘片和阳极盘片均为不锈钢网外包导电碳毡并用不锈钢丝缝制而成的圆形盘片。
6.根据权利要求4所述的一种人工湿地微生物燃料电池耦合系统，其特征是，阴极盘片下方设置有透水隔板。
7.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系统，其特征是，挺水植物为千屈菜、茭白、美人蕉、菖蒲、芦苇、花叶芦荻、鸢尾中的一种或多种组合。
8.一种应用人工湿地微生物燃料电池耦合系统的污水处理方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一：以升流式垂直流人工湿地结构为基础，沿水流方向依次设置有第一砾石层、阳极、第二砾石层、阴极、挺水植物，第一砾石层下方设置进水口，第二砾石层上方设置有出水口，进水口与出水口异侧设置，阳极经外电路与阴极相连，阳极为阳极盘片，阳极经外电路与阴极相连，接头处用玻璃胶密封防止腐蚀，阴极由不锈钢轴、阴极盘片、转轮组成;
步骤二： 阴极盘片和阳极盘片均为不锈钢网外包导电碳毡并用不锈钢丝缝制而成的圆形盘片，阴极盘片下方设置有透水隔板，透水隔板隔开砾石，使得阴极能够在湿地中旋转;
步骤三：转轮由若干个水槽组成并固定在不锈钢轴上，不锈钢轴设置有一片或二片以上阴极盘片，不锈钢轴末端套有不锈钢管，不锈钢管与外电路相连，出水口出水通过橡胶管引入转轮驱动其旋转，继而带动不锈钢轴和阴极盘片旋转，通过阴极旋转增加了阴极区域溶解氧浓度，通过阴极上微生物分泌酶提高了氧气利用率。
说明书
一种人工湿地微生物燃料电池耦合系统及污水处理方法
技术领域
本发明属于污水 处理技术领域，涉及一种污水处理装置及污水处理方法，具体涉及一种水力驱动旋转的空气生物阴极强化型人工湿地微生物燃料电池耦合系统及有机污水处理方法。
背景技术
在传统的人工湿地微生物燃料电池耦合系统中，人工湿地巨大比表面积的基质上栖息着丰富多样的微生物，提高了微生物燃料电池中微生物的数量及生物多样性;植物根系的分泌沉积物为阳极微生物提供了有机碳源作为共基质，提高了微生物活性和污染物的去除效果，根系泌氧作用和大气复氧作用为污染物的降解提供了良好的好氧环境;微生物燃料电池中产电菌促进了高浓度有机废水和难降解污染物的降解。人工湿地微生物燃料电池耦合系统不仅拓展了二者处理污染物的种类，同时提高了处理效率和处理规模。但是，在利用此耦合系统处理高浓度有机废水和难降解污染物时，会由于阴极区域的溶解氧浓度有限，不能确保有机物的进一步降解，影响了系统出水中污染物浓度。
西班牙的Villasenor等人构造了水平潜流人工湿地微生物燃料电池(HFCW/MFC)耦合系统，在较高的有机负荷下，有机物在阳极室中并未得到充分氧化，循环至阴极室的COD浓度过高，约为200 mg /L，这加大了对溶解氧的消耗，阴极室的溶解氧浓度从2 mg /L下降到几乎为零，CW / MFC 的产电效果受到限制，出水不能达标;Fang等人将进水中ABRX3染料比例由10%增大到90%，由于进水中染料比例增加，经过阳极断键处理后会产生较高浓度的中间产物，例如苯胺类物质等生物毒性很强的有机物质，需要在好氧环境中降解，当阴极区域的溶解氧不足时，导致这些中间产物难以完全降解，从而影响系统的处理效果。
为此，国内外研究者尝试了多种方式提高阴极区域溶氧浓度及氧气利用率。Pratiksha Srivastava等人以铂作阴极催化剂，获得了三倍的功率密度，但由于铂昂贵的价格使得其推广使用受到了限制。非贵金属氧化物来源广泛、价格低廉，Liu等研究了MnOx催化剂的形貌和尺寸大小对其氧还原性能的影响，功率密度可以达到772 mW/m3，但催化剂容易中毒失效，实际应用并不长久有效。还有一些研究者利用藻类光合作用产生氧气来为阴极区域供氧，与传统的机械供氧相比，藻类光合阴极燃料电池阴极室中溶解氧浓度可以达到20 mg/L，但考虑到人工湿地挺水植物的遮光影响，藻阴极不适合在人工湿地中推广。光催化阴极可以明显提高微生物燃料电池的产电性能，完全降解水中有机物，但也与藻阴极同样受到光照的影响，不适合在人工湿地中推广。研究发现微生物可以分泌一些酶提高氧气的利用率，一些研究者利用生物阴极提供了产电效果和净化效果，但无法提高阴极区域的溶氧浓度。一些研究者通过曝气、电驱动旋转阴极等方式提高阴极溶氧浓度，但又额外增加了电能的消耗。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种生物阴极强化型人工湿地微生物燃料电池耦合系统及污水处理方法，提高了溶解氧浓度和阴极氧气利用率，同时不额外消耗电能，占地面积小，并且方便增减阴极面积来处理不同进水，提高耦合系统的净化效果和产电性能。
针对上述问题，利用不锈钢网外包碳毡并用不锈钢丝缝制制成圆形的盘片，具有良好的生物相容性、巨大的比表面积和高电导率，用不锈钢轴穿起一片或多片阴极盘片作为阴极，不锈钢轴与外电路相连构成回路，将出水引入转轮，利用水的自重驱动转轮旋转，转轮带动不锈钢轴从而带动阴极旋转，利用旋转的阴极盘片与空气往复接触，提高了阴极区域的溶解氧浓度，利用微生物产酶提高了氧气利用率，从而提高耦合系统的净化效果和产电性能。
本发明的原理为：以升流式垂直流人工湿地结构为基础，通过在人工湿地底部填埋上述的电极盘片作为微生物燃料电池的阳极，与上述的阴极通过外电路构成一种水力驱动旋转的空气生物阴极强化型人工湿地微生物燃料电池耦合系统，废水从底部厌氧区缓慢上升，进水中简单有机物在阳极区域被微生物降解产生电子和质子，电子一部分经阳极收集通过外电路传递到阴极与氧气结合形成电流，另一部分电子、质子与难降解有机物如偶氮染料、硝基苯等结合形成苯胺类中间产物，随着水流，未降解的简单有机物和苯胺类中间产物继续在阴极区域的好氧环境中降解，从而实现高浓度有机废水和难降解有机物完全降解的同时回收电能，提高耦合系统的净化效果和产电性能。
本发明技术方案为：一种人工湿地微生物燃料电池耦合系统，其特征是，沿水流方向依次设置有第一砾石层、阳极、第二砾石层、阴极、挺水植物，第一砾石层下方设置进水口，第二砾石层上方设置有出水口，进水口与出水口异侧设置，阳极经外电路与阴极相连。
进一步的，第一砾石层和第二砾石层均采用粒径为8~10mm的砾石填充，第一砾石层厚度范围为10~30cm，第二砾石层厚度范围为50~90cm。
进一步的，阳极为阳极盘片，阳极经外电路与阴极相连，接头处用玻璃胶密封防止腐蚀。
进一步的，阴极由不锈钢轴、阴极盘片、转轮组成，转轮由若干个水槽组成并固定在不锈钢轴上，不锈钢轴设置有一片或二片以上阴极盘片，不锈钢轴末端套有不锈钢管，不锈钢管与外电路相连，出水口出水通过橡胶管引入转轮驱动其旋转，继而带动不锈钢轴和阴极盘片旋转。
进一步的，阴极盘片和阳极盘片均为不锈钢网外包导电碳毡并用不锈钢丝缝制而成的圆形盘片。
进一步的，阴极盘片下方设置有透水隔板，透水隔板隔开砾石，使得阴极能够在湿地中旋转。
进一步的，挺水植物为千屈菜、茭白、美人蕉、菖蒲、芦苇、花叶芦荻、鸢尾中的一种或多种组合。
一种应用人工湿地微生物燃料电池耦合系统的污水处理方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一：以升流式垂直流人工湿地结构为基础，沿水流方向依次设置有第一砾石层、阳极、第二砾石层、阴极、挺水植物，第一砾石层下方设置进水口，第二砾石层上方设置有出水口，进水口与出水口异侧设置，阳极经外电路与阴极相连，阳极为阳极盘片，阳极经外电路与阴极相连，接头处用玻璃胶密封防止腐蚀，阴极由不锈钢轴、阴极盘片、转轮组成;
步骤二： 阴极盘片和阳极盘片均为不锈钢网外包导电碳毡并用不锈钢丝缝制而成的圆形盘片，阴极盘片下方设置有透水隔板，透水隔板隔开砾石，使得阴极能够在湿地中旋转;
步骤三：转轮由若干个水槽组成并固定在不锈钢轴上，不锈钢轴设置有一片或二片以上阴极盘片，不锈钢轴末端套有不锈钢管，不锈钢管与外电路相连，出水口出水通过橡胶管引入转轮驱动其旋转，继而带动不锈钢轴和阴极盘片旋转，通过阴极旋转增加了阴极区域溶解氧浓度，通过阴极上微生物分泌酶提高了氧气利用率。
与现有技术相比,本发明的有益效果包括：
1.本发明电极采用不锈钢网外包导电碳毡并用不锈钢丝缝制，具有巨大的比表面积、高导电性和良好的生物相容性;本发明采用升流式连续进水，能够使废水与各填料层充分接触,提高各层对污染物的去除效果。
2.本发明采用水力驱动阴极旋转，不需要额外消耗电能，可以方便改变阴极面积(改变盘片数量)来适应不同进水，通过阴极旋转增加了阴极区域溶解氧浓度，通过阴极上微生物分泌酶提高了氧气利用率，湿地基质为微生物生长提供了良好的场所，湿地植物的泌氧作用和根系沉积物提高了微生物的活性，从而提高了耦合系统的净化效果和产电性能;提供了所述的一种水力驱动旋转的空气生物阴极强化型人工湿地微生物燃料电池耦合系统处理高浓度有机废水和难降解有机废水的应用。
3.本发明占地面积小，材料易得，无需昂贵复杂的阴极催化剂，构造成本与运行成本低。
