CN102249423A - 一种同时实现污水生态处理与微生物燃料电池产电的结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种污水处理生态工程技术中微生物燃料电池的产电结构，包括人工湿地生态工程主体以及部分人工湿地组件外连电路形成的MFC系统。人工湿地主体包括粗沙砾层、导电填料层、绝缘填料层、顶层导电材料层以及湿地植物。所述的粗沙砾层在最底层，所述的导电填料层在下部厌氧区内，所述的绝缘填料层位于下部导电填料层与顶层导电材料层之间，所述的湿地植物固定于绝缘填料层中，随着植物的生长，湿地植物根系逐渐穿透下部导电填料层。MFC系统由阳极电极、阴极电极以及连接阴、阳极的外接线组成。所述的阳极由人工湿地下部导电填料层构成，所述的阴极由人工湿地顶层导电材料层构成。顶层导电材料层一部分浸没在水中，一部分暴露于空气中，形成空气阴极。?

Description

一种同时实现污水生态处理与微生物燃料电池产电的结构
技术领域
本发明属于能源与环境工程领域，具体涉及一种污水处理生态工程中的微生物燃料电池产电技术，尤其涉及微生物燃料电池在人工湿地净化污水的同时产出电能中的应用。
背景技术
微生物燃料电池（MFC）作为一种新的产能方式——利用微生物将有机质直接转化为电能而受到越来越多的研究和重视。MFC是利用酶或者微生物作为阳极催化剂，通过其代谢作用将有机物和可再生生物质氧化产生电能的装置，这些燃料源使得MFC比只利用纯化学反应燃料的化学燃料电池更为先进。研究表明，MFC不仅可以降解简单小分子有机物获取电能，也可以降解复杂大分子有机物产生电能。Logan等人以市政和工业废水为底物，同步实现了废水的生物处理和污水生物发电。Mohan等对制药废水、染料、杀虫剂等综合化学废水的降解以及产电性能进行研究，污染物负荷为1.404 kg COD/(m3•d)时， 最大电压为304 mV，污染物降解率达到62.9%。骆海萍等以苯酚为燃料，在1000Ω外负载条件下，苯酚去除率约达到90%，最大输出电压为540mV。因此，利用MFC降解污染物并且产生电能是可行的，经济的，也是可持续的。目前MFC的相关研究结果表明，其性能主要受限于硬件、构型，而不是微生物的活性。于是，对MFC的技术发展研究主要集中于改善质子、电子的传递过程和反应器的配置及构型，如改造反应器构型，以形成阳极严格的厌氧环境；尽可能地增大阳极的比表面积，使其更容易吸附电子介体，从而提高电化学活性；控制反应器阴阳极间距，以降低电池内阻等方面。
人工湿地（constructed wetland）是从生态学原理出发，模仿自然生态系统，特别是水陆交错带生物群落演替系统，根据污水处理的目的加以改造和强化，并利用不同自然条件下水生生物多样性进行群落时空优化组合的一种新型污水净化系统。它由人工基质和生长在其上的植物组成，通过人工构建形成含有土壤（或其它基质）、植物、微生物的独特的生态系统，多途径去除污染物，净化水质。人工湿地处理技术具有低成本、低能耗和维护管理简便的特点，但是其处理速度相对缓慢，对难降解有机污染物的处理效率有待提高。
针对上述问题，本发明对上述两种技术进行有机融合。人工湿地所具有的较大面积以及湿地基质具有高比表面积的特点，加之湿地底部严格厌氧环境为MFC在湿地中的应用提供了得天独厚的有利条件，形成阳极严格的厌氧环境，是大幅度提高其产电和有机底物利用效率的主要途径。利用MFC对有机污染物的去除效能高的特点，提高其污染物净化效果，同时能够获得电能，实现废物资源的能源化利用。
同时实现污水生态处理与微生物燃料电池产电的方法综合了MFC和人工湿地的性能优势。在人工湿地中引入MFC技术，将人工湿地下层厌氧环境的高比表面积基质经过改性后作为MFC的阳极，将人工湿地的表层基质作为MFC的空气阴极，无需质子交换膜，构建MFC型人工湿地。从湿地及MFC的协同优化出发，强化了湿地植物根际效应、湿地微生物特别是产电细菌及污染物降解细菌的富集及固定化，促进了湿地植物、湿地基质、MFC电极三者之间的性能协同，提高复合系统的有机物的净化效能及产电性能。目前MFC应用在人工湿地中的研究国内外尚未见报道。
发明内容
技术问题： 本发明的目的是提供一种同时实现污水生态处理与微生物燃料电池产电的结构。实现废水的生态净化并将污染物所蕴藏的能量转化为电能。
技术方案：一种同时实现污水生态处理与微生物燃料电池产电的结构，是人工湿地主体以及部分人工湿地组件外连电路形成的MFC系统，人工湿地主体包括粗沙砾层、导电填料层、绝缘填料层、顶层导电材料层以及湿地植物。所述的粗沙砾层在最底层，所述的导电填料层在下部厌氧区内，所述的绝缘填料层位于下部导电填料层与顶层导电材料层之间，所述的湿地植物固定于绝缘填料层中，随着植物的生长，湿地植物根系逐渐穿透下部导电填料层。MFC系统由阳极电极、阴极电极以及连接阴、阳极的外接线组成。所述的阳极由人工湿地下部导电填料层构成，所述的阴极由人工湿地顶层导电材料层构成。顶层导电材料层一部分浸没在水中，一部分暴露于空气中，形成空气阴极。
所述的人工湿地主体以及部分人工湿地组件外连电路形成的MFC系统从下至上分别布有粗沙砾层、导电填料层、绝缘填料层、顶层导电材料层以及湿地植物。
所述的人工湿地主体可以是垂直流、水平流或潜流式进水方式。
所述的导电填料层可以是颗粒活性炭、石墨颗粒，可以固定湿地植物根系并支持植物直立生长。
所述的人工湿地上部绝缘填料层可选用表面光滑的沙砾材料，也可以用玻璃纤维丝。
所述的阴极导电材料可以是颗粒活性炭、不锈钢材质、碳布、石墨颗粒、石墨毡等导电材料，导电材料表面可以进行铂以及铁、锰氧化物、离子复合物或钴化合物等替代铂的催化剂进行阴极材料表面修饰处理。
所述的外接线优选钛导线，也可选用铜等材质导线，并进行连接点的绝缘密封处理。
有益效果： 本发明综合MFC和人工湿地的性能优势，利用人工湿地所具备的湿地基质高比表面积以及湿地底部严格厌氧环境等特点，使有机物降解的小分子产物更易被产电菌利用，进而促进了产电菌的富集及其产电性能，提高了整个系统的产电效率，实现了废水的生态净化并将污染物所蕴藏的能量转化为电能，是污水处理理念的重大革新，具有不可估量的发展潜力。
附图说明
图1是本发明同时实现污水生态处理与微生物燃料电池产电的方法的系统结构示意图；
图2是本发明同时实现污水生态处理与微生物燃料电池产电的方法的堆栈系统概念图。
其中有，1-粗沙砾层；2-导电填料层；3-绝缘填料层；4-顶层导电材料层；5-湿地植物；6-湿地植物根系；7-外连电路；8-外连电路负载；9-进水区；10-出水区。
具体实施方式
下面，结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，本实施例中同时实现污水生态处理与微生物燃料电池产电的结构由人工湿地主体以及部分人工湿地组件外连电路形成的MFC系统，人工湿地主体包括粗沙砾层、导电填料层、绝缘填料层、顶层导电材料层以及湿地植物。所述的粗沙砾层在最底层，所述的导电填料层在下部厌氧区内，所述的绝缘填料层位于下部导电填料层与顶层导电材料层之间，所述的湿地植物固定于绝缘填料层中，随着植物的生长，湿地植物根系逐渐穿透下部导电填料层。MFC系统由阳极电极、阴极电极以及连接阴、阳极的外接线组成。所述的阳极由人工湿地下部导电填料层构成，所述的阴极由人工湿地顶层导电材料层构成。顶层导电材料层一部分浸没在水中，一部分暴露于空气中，形成空气阴极。
本实施例的同时实现污水生态处理与微生物燃料电池产电的结构，运行原理是这样的，废水进入系统后，在导电填料层通过基质以及其上附着的生物膜对污染物的吸附、净化，过程中产生了电子和质子，电子经阳极、外接线连成电路到达阴极，而质子经上部绝缘填料层到达阴极，阴极以氧气作为电子受体，同质子与氧气生成水，形成回路并产生电流。整个系统的协同耦合作用，加强了系统中的物质与能量流通，促进了其净化效能，强化了产能效能。在工程实际中可以构建多个污水处理人工湿地-微生物燃料电池复合系统，并通过多个单体堆栈来增大其产电电压和电流，进而达到实际用电的目的，如图2所示。

Claims (7)

1. 一种同时实现污水生态处理与微生物燃料电池产电的结构，其特征在于该结构包括人工湿地主体以及部分人工湿地组件外连电路形成的微生物燃料电池，其中人工湿地主体包括粗沙砾层（1）、导电填料层（2）、绝缘填料层（3）、顶层导电材料层（4）和湿地植物（5）；所述的粗沙砾层（1）在最底层，导电填料层（2）在粗沙砾层（1）上的厌氧区内，绝缘填料层（3）位于导电填料层（2）与顶层导电材料层（4）之间，湿地植物（5）固定于绝缘填料层（3）中，随着植物的生长，湿地植物根系（6）逐渐穿透下部导电填料层；微生物燃料电池由阳极电极、阴极电极以及连接阴、阳电极的外接线组成，阳极电极由人工湿地下部导电填料层（2）构成，阴极电极由人工湿地顶层导电材料层（4）构成，顶层导电材料层（4）一部分浸没在水中，一部分暴露于空气中，形成空气阴极。
2. 按权利要求1所述的同时实现污水生态处理与微生物燃料电池产电的结构，其特征在于所述的人工湿地主体采用垂直流、水平流或潜流式进水方式。
3. 按权利要求1所述的同时实现污水生态处理与微生物燃料电池产电的结构，其特征在于所述的导电填料层（4）是颗粒活性炭或石墨颗粒，用于固定湿地植物根系（6）并支持植物直立生长。
4. 按权利要求1所述的同时实现污水生态处理与微生物燃料电池产电的结构，其特征在于所述的人工湿地主体上部绝缘填料层（3）选用表面光滑的沙砾材料，或用玻璃纤维丝。
5. 按权利要求1所述的同时实现污水生态处理与微生物燃料电池产电的结构，其特征在于所述的顶层导电材料层（4）采用颗粒活性炭、不锈钢材质、碳布、石墨颗粒或石墨毡。
6. 按权利要求5所述的同时实现污水生态处理与微生物燃料电池产电的结构，其特征在于所述的顶层导电材料层（4）表面采用铂进行阴极材料表面修饰处理；或采用铁、锰氧化物、离子复合物或钴化合物替代铂的催化剂进行阴极材料表面修饰处理。
7. 按权利要求1所述的同时实现污水生态处理与微生物燃料电池产电的结构，其特征在于所述的外接线采用钛导线或铜导线，并进行连接点的绝缘密封处理。
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