CN103482768B - 一种用于污水净化并同步持续产电的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于污水净化并同步持续产电的方法及装置，步骤：A、在复合垂直流人工湿地填充填料；B、在复合垂直流人工湿地下行流池种植湿地植物；C、在下行流池湿地植物根系间埋入阳极集电极，与导线相连；D、将外阳极集电极的导线与阴极集电极的导线通过负载连接；E、在下行流池中接种污水处理厂回流池中的活性污泥；F、得到的出水为净化后的水，而带动负载的电量即为产生和回收的电能。装置包括上下行流池、进水管、布配水管、下行流池导电填料层、下行流池普通填料层、上行流池普通填料层、上行流池导电填料层、阴极集电极、密封塞、密封盖、连接导线、负载。方法简单易行，操作简便，在实现污水的净化的同时同步持续回收电能。

Description

一种用于污水净化并同步持续产电的方法及装置
技术领域
本发明属于水处理技术和新能源领域，具体涉及一种用于污水净化并同步持续产电的方法，同时还涉及一种污水净化并同步持续产电的装置，尤其涉及人工湿地生态工程技术在净化污水的同时通过湿地中的植物和微生物将太阳能、化学能转换为电能的应用。
背景技术
能源危机和环境污染以及由此产生的社会、气候问题等已经成为全世界关注的焦点。以“减量化、资源化和再利用”为原则发展清洁能源和循环经济，是建设资源节约型、环境友好型社会和实现可持续发展的重要途径。开发、利用以太阳能、核能、风能、生物质能为主的清洁能源是替代传统能源，解决能源危机的必然选择，也是我国未来能源发展的战略要求。
微生物太阳能电池作为一种将太阳能直接转化为电能的技术是最近几年发展起来的，通过高等植物或光合微生物在太阳光照射下进行光合作用，产生的有机物质进一步被微生物燃料电池转化成电能（D.P.B.T.B.Strik,H.V.M.Hamelers,and C.J.N.Buisman,Solar EnergyPowered Microbial Fuel Cell with a Reversible Bioelectrode,in Environmental Science&Technology,2010,pp.532-537；D.P.B.T.B.Strik,R.A.Timmers,M.Helder,K.J.J.Steinbusch,H.V.M.Hamelers,and C.J.N.Buisman,Microbial solar cells:applying photosynthetic andelectrochemically active organisms,in Trends in Biotechnology,2011,pp.41-49.）。
人工湿地是模仿自然生态系统基础上的强化和改造，利用不同自然条件下水生生物多样性进行群落时空优化的污水净化系统，是最接近自然的人工生态系统之一，是植物的温床（吴振斌,复合垂直流人工湿地,科学出版社,北京,2008.）。根据最新的调查统计，截止到2010年，在欧洲至少有1200座处理城市污水的人工湿地，北美地区有超过1500座处理城市污水和多种工业废水的湿地系统(Knight R L,and K.R.H,Constructed treatment wetlands-a globaltechnology,in water21,2000,pp.57-58；J.Vymazal,Constructed Wetlands for WastewaterTreatment:Five Decades of Experience,in Environmental Science&Technology,2011,pp.61-69.)；在我国，已经建造与运行的各类人工湿地约有700例，而且处理规模和数量均呈现逐年上升趋势(T.Zhang,D.Xu,F.He,Y.Zhang,and Z.Wu,Application of constructed wetlandfor water pollution control in China during1990-2010,in Ecological Engineering,2012,pp.189-197.)。复合垂直流人工湿地（IVCW）（专利号：ZL00114693.9）采用独特的下行、水平、上行结构，以低廉的投资运行成本、较高的N、P去除率、简单的管理维护、较好的生态环境效益等诸多优势广泛应用于污水的处理或受污染水体的修复中。
人工湿地与微生物太阳能电池可通过湿地植物、微生物、基质、电极实现一体化结合，形成湿地-微生物太阳能电池（CW-MSC）耦合系统，可利用湿地植物光合作用将太阳能直接转化为电能，在污水净化同时回收电能，将成为分散式持续可再生能源发电的一种新模式，具有良好的发展前景。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种用于污水净化并同步持续产电的方法，该方法简单易行，操作简便，在实现污水的净化的同时同步持续回收电能。
本发明的另一个目的是在于提供了一种用于污水净化和同步产电的装置，该装置可实现污水的净化，并以污水中的有机物以及湿地植物根系分泌的有机物作为营养，通过产电微生物将太阳能转化为电能后加以回收利用；可成为分散式持续可再生能源发电的一种新模式。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
技术方案：本发明的核心由一种垂直流人工湿地(IVCW)与电极、外接负载电路等组件通过一定方式组合，形成IVCW-MSC耦合系统。通过结构和工艺的优化配置，实现净化污水与持续产电同步进行。
一种用于污水净化并同步持续产电的方法，其步骤是：
1、在复合垂直流人工湿地下行流池和上行流池中分上、中、下三层分别填充填料。其中，上层填料为可导电材质的颗粒活性炭或者石墨，下行流池上层导电填料层厚度28-32cm，上行流池上层导电填料层厚度18-22cm；若填充颗粒活性炭，其粒径为0.5-2mm，填充密度为0.45-0.55g／cm3，若填充颗粒石墨，其粒度为1-4mm，填充密度为1.8-2.0g／cm3。中层填料为非导电材质的河砂，厚度13-17cm，粒径为3-5mm。下层填料为非导电材质的砾石，厚度8-12cm，粒径为0.5-1cm。
2、在复合垂直流人工湿地下行流池导电填料层中种植湿地植物，湿地植物为千屈菜、茭白、美人蕉、水田茅、大米草、野古草、菖蒲、芦苇、象草、花叶芦荻、鸢尾其中的任意两种。并保证植物根系大部分在下行流池导电填料层中。
3、在下行流池湿地植物根系间埋入阳极集电极的一端，阳极集电极的另一端穿出下行流池导电填料层，并与导线相连；在上行流池导电填料层中埋入阴极集电极的一端，阴极集电极的另一端穿过上行流池密封盖，并与导线相连，阴极集电极穿出上行流池密封盖的部分用密封塞密封。
4、将与阳极集电极穿出下行流池导电填料层的一端相连的导线与阴极集电极一端的导线通过负载连接。
5、装置外阳极集电极一端的导线与阴极集电极一端的导线通过负载连接。
6、在下行流池中接种污水处理厂回流池中的活性污泥，并泵入污水驯化10-14天。
7、在白天，污水分四次进入，两次间隔3-4小时；在晚上，污水连续泵入。
8、按上述步骤得到的出水为净化后的水，同时带动负载的电量即为产生和回收的电能。
一种用于污水净化和同步持续产电的装置，它由下行流池、上行流池、污水进水管、污水布配水管、湿地植物A、湿地植物B、下行流池导电填料层（阳极区）、下行流池普通填料层、下、上行流池底部连通层、湿地植物根系、湿地内部隔墙、上行流池普通填料层、上行流池导电填料层（阴极区）、出水集水管、气孔、阴极集电极、密封塞、密封盖、连接导线、负载、阳极集电极组成。其连接关系是：下行流池与上行流池通过湿地内部隔墙分隔成两个相对独立的区间，下行流池和上行流池的底部通过下、上行流池底部连通层连通。下行流池内自上而下分别为湿地植物A和湿地植物B、污水布配水管、下行流池导电填料层（阳极区）、下行流池普通填料层、下、上行流池底部连通层；湿地植物A和湿地植物B栽种在下行流池导电填料层中，并且湿地植物根系主要生长分布于下行流池导电填料层中；污水进水管与污水布配水管连接；阳极集电极一端埋入植物根系间，阳极集电极另一端穿过下行流池导电填料层（阳极区）。上行流池内自下而上分别为下、上行流池底部连通层、上行流池普通填料层、上行流池导电填料层（阴极区）、出水集水管、上行流池密封盖；出水集水管位于上行流池导电填料层（阴极区）表面，并穿过上行流池外墙壁；上行流池密封盖位于出水集水管上部一定位置处，上行流池密封盖上有两个对称的气孔。阴极集电极一端埋入上行流池导电填料层（阴极区）中，上行流池导电填料层另一端穿过上行流池密封盖，并用密封塞密封。阳极集电极穿出下行流池导电填料层（阳极区）的一端与导线相连，阴极集电极穿过上行流池密封盖的一端与导线相连，负载位于阳极集电极和阴极集电极之间，两端分别连接导线。
在上述方法和装置中：
所述的下行流池为1.5m×1.0m×0.8m(长×宽×高)的水泥池。
所述的上行流池为0.5m×1.0m×0.8m(长×宽×高)的水泥池。
所述的下行流池底层为连通层，深10cm，填充粒径为0.5-1cm的砾石。
所述的下行流池中层为普通填料层，深15cm，填充粒径为3-5mm的砂。
所述的下行流池上层为导电填料层，深30cm，填充粒径为0.5-2mm的颗粒活性炭，填充密度为0.45-0.55g／cm3，或者填充粒径为1-4mm的颗粒石墨，填充密度为1.8-2.0g／cm3。
所述的上行流池底层为连通层，深10cm，填充粒径为0.5-1cm的砾石。
所述的上行流池中层为普通填料层，深15cm，填充粒径为3-5mm的砂。
所述的上行流池上层为导电填料层，深20cm，填充粒径为0.5-2mm的颗粒活性炭，填充密度为0.45-0.55g/cm3，或者填充粒径为1-4mm的颗粒石墨，填充密度为1.8-2.0g／cm3。
所述的下行流池中种植的湿地植物为千屈菜、茭白、美人蕉、水田茅、大米草、野古草、菖蒲、芦苇、象草、花叶芦荻、鸢尾中的两种或两种至十一种任意组合。
所述的阳极集电极为碳棒或石墨棒，一端埋入下行流池中间的导电填料层里，另一端穿出下行流池导电填料层。
所述的阴极集电极为碳棒或石墨棒，一端埋入上行流池中间的导电填料层里，另一端穿过密封盖，用密封塞密封。
所述的上行流池密封盖置于上行流池顶部，距离出水集水管上方5-8cm。以避免上行流池表面填料与大气接触，保证上行流池的缺氧、厌氧性。
所述的上行流池密封塞为圆柱体，内部开孔，包裹住阴极集电极棒，材质可为橡胶、木质。
所述气孔对称开在上行流池密封盖上，带孔帽。
所述的外接电路是用一根导线的一端连接到阳极集电碳棒伸出填料的一端，导线的另一端连接负载，负载的另一端连接另外一根导线，这根导线的另一端与阴极集电极棒穿出密封盖的一端相连接。这些导线和负载将阳极集电碳棒与阴极集电碳棒连接起来形成的有电流、电压的电路即为外接电路。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、将人工湿地与微生物太阳能电池有机结合，利用人工湿地中湿地植物的光合作用将太阳能转化为化学能，存储在植物体中；湿地植物根系分泌的有机物以及污水中的有机物进一步被产电活性菌利用并转换为电能加以回收利用。没有引入微生物太阳能电池时，污水在湿地植物、基质、微生物的综合作用下得到净化。引入微生物太阳能电池后，人工湿地系统中增加了产电活性菌，污水中的有机物可被产电活性菌利用将化学能转变为电能；系统中的硝酸盐除了被反硝化菌异氧反硝化外，还可以被自养型电化学生物反硝化菌还原。
2、将复合垂直流人工湿地的下行流池导电填料层用作阳极区，上行流池导电填料层用作阴极区的方法，使得在复合垂直流人工湿地内隔墙的作用下形成了阳极区和阴极区的自然分隔。阴极区和阳极区不设置离子交换膜，利用复合垂直流人工湿地下行流池和上行流池底部的连通层实现质子和其他离子随水流到达阴极区，避免了通常双室结构中因氢离子（H+）以外的阳离子或氢氧根离子（OH-）以外的阴离子透过离子交换膜进入阴极而形成的阳极区酸化、阴极区碱化的问题。进一步使得阳极区种植的植物不会因为阳极酸化而死亡，保证了装置持续产电的性能。
3、突破了传统微生物燃料电池结构上的阳极厌氧、阴极好氧设置，而是采用阳极区种植植物形成敞开式好氧、局部缺氧、厌氧的环境；阴极区不种植物，形成封闭的厌氧环境。非厌氧生物阳极以及厌氧生物阴极的设置不但可以利用植物根系沉积物作为电子来源，还可通过阴极区硝酸盐代替氧作为电子受体，通过电化学生物反硝化菌对硝酸盐的还原提高脱氮能力，可实现微生物在低碳源或无碳源条件下的硝酸盐去除。并且形成的厌氧生物阴极可以避免由于氧气消耗电子导致库伦效率的下降。
4、在下行流池导电填料层（阳极区）内种植高等水生植物，植物根际分泌的有机沉积物可作为电子供体，在阳极区电化学活性菌催化下，产生电子。采用半连续运行方式，可充分利用太阳能和生物质能。即白天有阳光时，采用分次间歇进水方式，充分利用植物的光合作用，将太阳能转化成有机物的化学能，通过产电菌群将湿地植物根系分泌的有机物（电子供体）氧化，产生电子。夜晚植物不进行光合作用时，采用连续进水方式，有利于产电量的持续与稳定。对于具备分散难收集，水质水量波动大等特点的农村生活污水，此种运行方式尤其适用，可实现分散处理并部分回收电能。
5、可在污水净化同时持续产生并回收电能。人工湿地作为植物的温床，与微生物太阳能电池（MSC）结合后在实现将太阳能直接转化为电能的同时，可不占用农用耕地，还具有一定的生产能力和景观美化性。该装置将太阳能转化为电能后加以回收利用，可成为分散式持续可再生能源发电的一种新模式，具有良好的应用前景，
附图说明
图1为一种用于污水净化并同步产电的装置结构示意图
图2为一种用于污水净化并同步产电的装置产电过程以及能量转换过程示意图
其中：1-下行流池，2-上行流池，3-污水进水管，4-污水布配水管，5-湿地植物A，6-湿地植物B，7-下行流池导电填料层（阳极区），8-下行流池普通填料层，9-下、上行流池底部连通层，10-湿地植物根系，11-湿地内部隔墙，12-上行流池普通填料层，13-上行流池导电填料层（阴极区），14-出水集水管，15-气孔，16-阴极集电极，17-密封塞，18-密封盖，19-连接导线，20-负载，21-阳极集电极，22-太阳光（能），23-污水中的有机物，24-阳极电化学活性菌，25-水（分子），26-质子（氢离子），27-湿地植物根系分泌的有机物，28-二氧化碳，29-电子，30-氮气，31-硝酸盐，32-阴极电化学生物反硝化菌
具体实施方式
下面结合附图1-2对本发明作进一步说明。
实施例1：
一种用于污水净化并同步持续产电的方法，其步骤是：
1、在复合垂直流人工湿地下行流池和上行流池中按上、中、下三层分别填充填料。其中，上层填料为可导电材质的颗粒活性炭或者石墨，下行流池导电填料层厚度28或29或30或31或32cm，上行流池导电填料层厚度18或19或20或21或22cm；若填充颗粒活性炭，其粒径为0.5或0.8或1.2或1.6或2mm，填充密度为0.45或0.48或0.52或0.55g／cm3，若填充颗粒石墨，其粒度为1或2或3或4mm，填充密度为1.8或1.9或2.0g／cm3。中层填料为非导电材质的河砂，厚度13或14或15或16或17cm，粒径为3或4或5mm。下层填料为非导电材质的砾石，厚度8或9或10或11或12cm，粒径为0.5或0.7或0.8或1cm。
2、在复合垂直流人工湿地下行流池导电填料层中种植湿地植物，湿地植物为千屈菜、茭白、美人蕉、水田茅、大米草、野古草、菖蒲、芦苇、象草、花叶芦荻、鸢尾其中的任意两种。并保证植物根系大部分在导电填料层中。
3、在下行流池湿地植物根系间埋入阳极集电极的一端，阳极集电极的另一端穿出下行流池导电填料层，并与导线相连；在上行流池导电填料层中埋入阴极集电极的一端，阴极集电极的另一端穿过密封盖，并与导线相连，阴极集电极穿出密封盖的部分用密封塞密封。
4、将与阳极集电极穿出下行流池导电填料层的一端相连的导线与阴极集电极一端的导线通过负载连接。
5、在下行流池中接种污水处理厂回流池中的活性污泥，并泵入污水驯化10或11或12或13或14天。
6、在白天，污水分四次进入，两次间隔3或4小时；在晚上，污水连续泵入。
7、按上述步骤得到的出水为净化后的水，同时带动负载的电量即为产生和回收的电能。
实施例2：
一种用于污水净化和同步持续产电的装置，它包括下行流池1和上行流池2、污水进水管3、污水布配水管4、下行流池导电填料层（阳极区）7、下行流池普通填料层8、上行流池普通填料层12、上行流池导电填料层（阴极区）13、阴极集电极16、密封塞17、密封盖18、连接导线19、负载20，其特征在于：复合垂直流人工湿地主体单元包括一座下行流池1和一座上行流池2，下行流池1和一座上行流池2（两池）通过湿地内部隔墙11连接并分隔成两个相对独立的池，两池底部通过下、上行流池底部连通层9连通，下行流池1内自上而下依次设置下行流池导电填料层（阳极区）7、下行流池普通填料层8、下、上行流池底部连通层9，下行流池导电填料层（阳极区）7上铺设污水布配水管4，污水布配水管4与污水进水管3相连；上行流池2内自下而上依次设置下、上行流池底部连通层9、上行流池普通填料层12、上行流池导电填料层（阴极区）13，上行流池导电填料层（阴极区）13上铺设出水集水管14；下行流池导电填料层（阳极区）7和上行流池导电填料层（阴极区）13铺设可导电材质的粒状填料，下行流池普通填料层8和上行流池普通填料层12铺设非导电材质的一般粒状填料，下、上行流池底部连通层9铺设非导电材质的较大粒径的填料，下行流池导电填料层（阳极区）7作为阳极，在当中种植湿地植物A5、湿地植物B6，并设置阳极集电极21于本层填料中心、湿地植物根系10间。上行流池导电填料层13作为阴极，中间设置阴极集电极16，阴极集电极16穿过上行流池导电填料层（阴极区）13上部的密封盖18，并通过密封塞17密封。阳极集电极21和阴极集电极16之间通过连接导线19和负载20连接。上行流池2上部密封盖18上对称开两个气孔15。
所述的复合垂直流人工湿地（IVCW）下行流池1尺寸为1.5m×1.0m×0.8m(长×宽×高)，上行流池2尺寸为0.5m×1.0m×0.8m(长×宽×高)。下行流池1中下行流池导电填料层（阳极区）7的填充粒径为0.5-2mm的颗粒活性炭，厚度30cm，填充密度为0.45-0.55g／cm3；下行流池1中下行流池普通填料层8填充粒径为3-5mm的砂，厚度15cm。上行流池2中上行流池导电填料层（阴极区）13填充粒径为0.5-2mm的颗粒活性炭，填充密度为0.45-0.55g/cm3，厚度20cm；上行流池2中上行流池普通填料层12填充粒径为3-5mm的砂，厚度15cm。下行流池1和上行流池2底部的下、上行流池底部连通层9填充粒径为0.5-1cm的砾石，厚度10cm。
所述的湿地植物A5和湿地植物B6种植在下行流池导电填料层（阳极区）7中，湿地植物其根系10主要在下行流池导电填料层（阳极区）7中。
所述的湿地植物A5为千屈菜、茭白、美人蕉、水田茅、大米草、野古草、菖蒲、芦苇、象草、花叶芦荻、鸢尾中的任意一种。
所述的湿地植物B6为千屈菜、茭白、美人蕉、水田茅、大米草、野古草、菖蒲、芦苇、象草、花叶芦荻、鸢尾中的任意一种。
所述的湿地植物A5和湿地植物B6组合可扩展为以上所述湿地植物A5和湿地植物B6中的两种或二至十一种的任意组合。
所述的下行流池阳极集电极21埋入下行流池导电填料层（阳极区）7中，材质为碳棒或石墨棒。
所述的上行流池阴极集电极16的材质为碳棒或石墨棒，埋入上行流池导电填料层（阴极区）13中，碳棒或石墨棒上端穿过上行流池顶部密封盖18，并用密封塞17密封。
所述的密封盖18置于上行流池2顶部，距离出水集水管14上方5-8cm高。所述的外接电路是用连接导线19及负载20将下行流池阳极集电极21与阴极集电极16连接起来形成的有电流、电压的电路。
所述的太阳光（能）22，污水中的有机物23，下行流池阳极电化学活性菌24，水（分子）25，质子（氢离子）26，湿地植物根系分泌的有机物27，二氧化碳28，电子29，氮气30，硝酸盐31，阴极电化学生物反硝化菌32。其连接关系为：太阳光（能）22为自然光（也可以是人造光），位于装置的外部，污水中的有机物23随着污水流向，分布于下行流池和上行流池中。在下行流池导电填料层7中，有湿地植物根系分泌的有机物27、阳极电化学活性菌24、水（分子）25、以及通过生物化学反应产生的质子（氢离子）26、电子29，二氧化碳28。质子（氢离子）26在下行流池导电填料层（阳极区）7中产生，随水流方向逐步分布于下行流池1和上行流池2的各个填料层；电子29在下行流池导电填料层（阳极区）7中产生并通过阳极集电极21和导线19迁移到上行流池导电填料层（阴极区）13中；二氧化碳28在下行流池导电填料层（阳极区）7中产生并通过下行流池导电填料层（阳极）7中的填料空隙释放到下行流池上部的大气中。上行流池导电填料层（阴极区）13中存在着阴极电化学生物反硝化菌32，随水流转移过来的硝酸盐31、通过外接导线19迁移来的电子29，以及通过生物化学反应产生的氮气30，氮气30通过上行流池顶部密封盖18上的气孔15释放到大气中。
污水经过上述装置得到净化处理的详细过程是（图1-2）：待处理的污水由污水进水管3进入到下行流池表面的污水布配水管4中，通过污水布配水管4均匀分配进入装置下行流池1中。进入污水布配水管4的污水依次自上而下流经下行流池1中的下行流池导电填料层（阳极区）7、下行流池普通填料层8和下、上行流池底部连通层9，进入上行流池2中。进入上行流池2中的污水再依次自下而上流经下、上行流池底部连通层9、上行流池普通填料层12、上行流池导电填料层（阴极区）13，最后通过位于上行流池导电填料层（阴极区）13表面的出水集水管14流出。在该装置中，污水在湿地植物A5和湿地植物B6，下行流池1和上行流池2中各填料层7、8、9、12、13以及填料表面附着的微生物，湿地植物根系10周围聚集的微生物的共同作用下经上述流程得到净化。污水中主要污染成分被净化的过程如下：污水中的有机物23主要在下行流池1中被降解，在下行流池导电填料层（阳极区）7中被阳极电化学活性菌24氧化，在下行流池普通填料层8、下、上行流池底部连通层9中被非产电微生物进一步降解，少量没被降解的有机物随水流进入上行流池2中，在上行流池普通填料层12继续被降解或者作为碳源被反硝化菌利用进行异氧反硝化脱氮。污水中的氮主要以氨氮和硝酸盐氮形态存在，其中氨氮主要在下行流池导电填料层（阳极区）7和普通填料层8中被硝化菌氧化成硝酸盐31，污水中的硝酸盐31（包含由氨氮转化而生成的）随水流进入上行流池2中，一部分通过上行流池普通填料层12和上行流池阴极导电填料层（阴极区）13中的异氧反硝化菌还原成氮气30；一部分通过上行流池导电填料层（阴极区）13中的自养型电化学生物反硝化菌32还原为氮气30；污水中少量的氮作为营养元素被湿地植物吸收用于正常生长发育。污水中的磷主要通过物理、化学吸附方式聚集在下行流池1和上行流池2各层填料表面而去除，少量磷作为营养元素被湿地植物吸收用于正常生长发育。
污水经过上述装置后产电的详细过程是（图1-2）：待处理的污水经由污水进水管3和污水布配水管4进入下行流池1中。在下行流池导电填料层（阳极区）7中湿地植物根系10和其中填料表面附着的阳极电化学活性菌24的催化作用下，污水中的有机物23、湿地植物根系分泌的有机物27和水分子25发生反应，在此氧化过程中产生电子29和质子26。一方面，下行流池导电填料层（阳极区）7中产生的电子29经下阳极集电极21收集后，通过导线19和负载20迁移到阴极集电极16并到达上行流池导电填料层（阴极区）13中。另一方面，下行流池导电填料层（阳极区）7中产生的质子26随着污水继续依次流经下行流池普通填料层8，下、上行流池底部连通层9，上行流池普通填料层12到达上行流池导电填料层（阴极区）13中。在上行流池导电填料层(阴极区)13中，污水中的硝酸盐31作为电子受体，在阴极电化学生物反硝化菌32作用下，与迁移来的电子29、质子26反应，硝酸盐31被还原为氮气30释放到空气中。由于电子29不断在下行流池导电填料层（阳极区）7中产生，并在上行流池导电填料层（阴极区）13中消耗，使得阴、阳两极形成电势差，从而产生了电流。在电流产生过程中下行流池导电填料层（阳极区）7、上行流池导电填料层（阴极区）13发生的氧化还原化学反应分别如式（1）、（2）所示：
阳极：CxHyOz+(2x-z)H2O→xCO2+(y+4x-2z)H++(y+4x-2z)e-(1)
阴极：2NO3 -+12H++10e-→N2+6H2O     (2)
污水经过上述装置后将太阳能转化为电能的详细过程可分为两个步骤（附图1-2）：步骤一，下行流池中的湿地植物A5和湿地植物B6吸收污水中的氮、磷等营养物质，并在白天捕获太阳光能22进行光合作用，将二氧化碳28、水25转化为储存着能量的有机物，此过程中太阳光能转变化学能。步骤二，湿地植物A5和湿地植物B6在正常生长发育过程中通过根系分泌的有机物27和污水中的有机物23在下行流池导电填料层（阳极区）7中的阳极电化学活性菌24的催化作用下，被氧化后产生二氧化碳28、电子29，产生的二氧化碳28释放到空气中重新被湿地植物A5和湿地植物B6捕获并参与步骤一中的光合作用过程；产生的电子29则通过外电路迁移到上行流池导电填料层（阴极区）13中而形成电流，此过程中化学能转化为电能。该装置在上述两步骤中，通过湿地植物A5和湿地植物B6和阳极电化学活性菌24完成了太阳能转化为电能的过程。

Claims (3)

1.一种用于污水净化并同步持续产电的方法，其步骤是：
A、在复合垂直流人工湿地下行流池(1)和上行流池(2)中按上、中、下三层分别填充填料；在下行流池(1)和上行流池(2)的上层填充导电材质的填料，使得下行流池导电填料层(7)厚度28-32cm，上行流池导电填料层(13)厚度18-22cm；在下行流池(1)和上行流池(2)的中层填充非导电材质填料，厚度13-17cm；在下行流池(1)和上行流池(2)的下层填充为非导电材质的填料，厚度8-12cm；
B、在下行流池导电填料层(7)中种湿地植物A(5)和湿地植物B(6)，湿地植物A(5)和湿地植物B(6)为千屈菜、茭白、美人蕉、水田茅、大米草、野古草、菖蒲、芦苇、象草、花叶芦荻、鸢尾其中的任意两种，植物根系(10)在下行流池导电填料层(7)中；
C、在下行流池(1)湿地植物根系(10)间埋入阳极集电极(21)的一端，阳极集电极(21)的另一端穿出下行流池导电填料层(7)，并与导线(19)相连；在上行流池导电填料层(13)中埋入阴极集电极(16)的一端，阴极集电极(16)的另一端穿过密封盖(18)，并与导线(19)相连，阴极集电极(16)穿出密封盖(18)的部分用密封塞(17)密封；
D、将与阳极集电极穿出下行流池导电填料层的一端相连的导线与阴极集电极一端的导线通过负载连接；
E、在下行流池中接种污水处理厂回流池中的活性污泥，并泵入污水驯化10-14天；
F、在白天，污水分四次进入，两次间隔3-4小时；在晚上，污水连续泵入；
G、按上述步骤得到的出水为净化后的水，同时带动负载(20)的电量即为产生和回收的电能；
所述的阳极集电极(21)、阴极集电极(16)的材质为碳棒或石墨棒；
所述的密封盖(18)置于上行流池(2)顶部，距离出水集水管(14)上方5-8cm高。
2.根据权利要求1所述的一种用于污水净化并同步持续产电的方法，其特征在于：所述的下行流池(1)为1.5m×1.0m×0.8m的水泥池，下行流池(1)底层为下、上行流池连通层(9)，所填充的非导电材质的填料为0.5-1cm粒径的砾石，下行流池(1)中层为下行流池普通填料层(8)，所填充的非导电材质的填料为3-5mm粒径的砂，下行流池(1)上层为下行流池导电填料层(7)，所填充的可导电材质的填料是0.5-2mm粒径的颗粒活性炭，填充密度为0.45-0.55g/cm3，或者是1-4mm粒径的颗粒石墨，填充密度为1.8-2.0g/cm3。
3.根据权利要求1所述的一种用于污水净化并同步持续产电的方法，其特征在于：上行流池(2)为0.5m×1.0m×0.8m的水泥池，上行流池(2)底层为下、上行流池连通层(9)，所填充的非导电材质的填料为0.5-1cm粒径的砾石；上行流池(2)中层为上行流池普通填料层(12)，所填充的非导电材质的填料为3-5mm粒径的砂；上行流池(2)上层为上行流池导电填料层(13)，所填充的可导电材质的填料是0.5-2mm粒径的颗粒活性炭，填充密度为0.45-0.55g/cm3，或者是1-4mm粒径的颗粒石墨，填充密度为1.8-2.0g/cm3。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104829065B (zh) * 2015-05-19 2016-11-02 东华大学 一体化硝化反硝化自驱动微电场强化人工湿地的装置
CN105502673B (zh) * 2016-01-31 2017-11-24 中国科学院水生生物研究所 一种以钢渣为阳极的同步产电与污水净化的装置
CN105541046B (zh) * 2016-01-31 2017-11-24 中国科学院水生生物研究所 一种以钢渣为阳极的同步产电和污水净化的装置
CN106765730A (zh) * 2017-02-17 2017-05-31 上海帆煜自动化科技有限公司 一种自发电的教室用空气加湿净化装置
CN106986501B (zh) * 2017-05-08 2023-02-03 中国科学院水生生物研究所 一种电动渗透反应墙和人工湿地耦合处理污水的方法及装置
CN108033567B (zh) * 2017-12-20 2021-05-18 江西科技师范大学 人工湿地与微生物燃料电池废水处理耦合装置
CN108751644B (zh) * 2018-05-29 2023-09-15 榆林学院 一种城市污泥破解与能源转化装置及城市污泥处理方法
CN110683648A (zh) * 2018-07-04 2020-01-14 南通大学 一种微生物燃料电池耦合人工湿地的污水脱氮系统及方法
CN110690392B (zh) * 2019-10-17 2021-11-16 武汉纺织大学 一种香蒲绒纤维锂离子电池隔膜的制备方法
CN116062900A (zh) * 2023-02-09 2023-05-05 西南交通大学 基于植物-生物炭协同富氧人工湿地布水系统及使用方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102249423B (zh) * 2011-07-13 2012-09-19 东南大学 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

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