CN105024089A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

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。

Description

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。
附图说明：
图1是本发明的结构剖面图；
图2是本发明的结构示意图
其中，1、防渗层；2、阳极填料层；3、人工湿地墙体；4、阳极电极；5、绝缘填料层；6、阴极电极；7、阴极填料层；8、微孔曝气装置；9、水生植物；10、进气阀；11、进气管；12、进水口；13、出水口；14、外接导线；15、超级电容器；16、第二开关；17、LED灯组；18、第一开关。
具体实施方式：
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
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，如图1和2所示，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1、阳极填料层2、绝缘填料层5、阴极填料层7和水生植物9；所述阴极填料层7底部铺设有曝气量可调节的微孔曝气装置8；所述集电储能系统由阳极电极4、阴极电极6以及连接阳极电极4、阴极电极6的外接导线14、外接导线14上串接的超级电容器15和LED灯组17组成；利用人工湿地主体下层阳极填料层2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4；利用水生植物发达的根系泌氧功能并结合微孔曝气装置8的曝气并加入阴极电极材料形成阴极电极6；所述LED灯组17串联有第一开关18，然后LED灯组17跟第一开关18组成的整体再跟第二开关16并联，通过控制第一开关18和第二开关的开关16来实现对超级电容器15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12，另一侧的顶部设有出水口13。
所述的防渗层为高密度聚乙烯(HDPE)防渗膜。
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。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。
所述微生物燃料电池型人工湿地主体的阴极填料层的填料采用砾石、石墨颗粒、陶粒中的一种。
所述阳极填料层的填料为粒径15-30mm的砾石填料。
所述绝缘填料层的填料为粒径5-15mm的陶粒。
所述微孔曝气装置8，安装在阴极填料层底部铺设的进气管11上，微孔曝气装置8之间
的行距为0.5m-1.0m，微孔曝气装置8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。
外接导线为钛丝，并且连接处要进行绝缘密封处理。
工作时，污水经过进水口12进入微生物燃料电池型人工湿地，流经阳极打孔石墨板4和阳极填料层2，在这个过程中，生物膜附着在阳极材料打孔石墨板4和阳极填料层2的填料上，并产生电子和质子，电子经由外电路传递至阴极电极6，质子经由绝缘填料层5达到上部阴极填料层7，在阴极电极6上质子、电子以及水中的溶解氧反应生成水，随着氧气的消耗，水生植物9周围溶氧量越来越少，在微生物燃料电池型人工湿地的阴极填料层7底部铺设进气管11上安装曝气量可调节的微孔曝气装置8，从而实现阴极溶氧量均缓补充，此外，进气阀10可调节进气管11的进气量。白天闭合第二开关16，超级电容器15进入充电阶段，晚上，打开第二开关16闭合第一开关18，LED灯组17接入电路，构成完整的回路并产生电流，用于湿地公园夜晚景观建设。从而实现能源循环利用，实现污水高效资源化利用。

Claims (10)

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。
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