CN105836894A - 一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理系统及方法 - Google Patents

一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理系统及方法，属于污水处理领域。该系统包括进水池、耦合装置和循环水池。耦合装置由阴极区、滤料区、阳极区和承托层组成。装置自上而下为阴极区、滤料区、阳极区、滤料区、承托层；阳极区和阴极区间铺设不锈钢网，阴极暴露在空气中并在表层移植一定密度的水生植物，进水池与装置底部连接，水流上进下出时，装置底部有排水管道，循环水池分别与装置顶部、排水管道连接；水流下进中出时，循环水池上部与下部均与装置的底部连接，装置中部有出水口。该系统充分发挥人工湿地与微生物燃料电池协同作用，配合特定的潮汐流水流运行方式，实现了高效处理污水的目的。

Description

一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理系统及方法
技术领域
本发明属于污水处理领域，更具体地说，涉及一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理系统及方法对农村生活污水和畜禽养殖废水进行处理。
背景技术
随着我国经济的迅速发展，农村生活以及畜禽养殖废水的污染问题日益严重。两种类型污水最大的特点是氮磷浓度高。随着废水排放总量的增加，水体中的营养物质浓度不断升高，而氮、磷是引起水体富营养化的主要原因之一。常规的生化处理工艺可以有效降低污水的BOD5和SS，但对污水中同时存在的N，P等营养物只能去除10％-20％。因此，寻找能有效利用于处理农村生活以及畜禽养殖废水且更加稳定、经济、高效的脱氮除磷方法就显得必要而迫切。
目前，人工湿地作为一种低成本、低能耗的水处理技术而得到人们的广泛关注与研究。人工湿地由湿地植物、介质滤床和微生物通过物理、化学和生物的协同作用从而达到去除水中污染物的目的。潮汐流人工湿地是近15年来人工湿地领域最显著进展之一。“潮汐流”是指污水在泵的驱动下周期性地浸润湿地填料的运行方式。与传统的人工湿地相比，潮汐流运行方式下的人工湿地具有传氧速率高，保障污水与填料充分接触，彻底解决传统垂直流人工湿地中布水不均和短流的问题等优点。
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。
中国发明专利，授权公告号：CN 103708622 B，授权公告日：2015.02.25，公开了一种高效处理有机污水的微生物燃料电池人工湿地装置，属于污水处理与电化学耦合技术领域。人工湿地的多介质滤床中种植挺水植物组并布置多组曝气管及排气管，两侧设有入流布水区和出流集水区，分别连接供水系统、回流系统和排水系统，人工湿地由膨润土分为上、下两层分别布置至少一块石墨毡，下层为厌氧区(阳极室)由微生物氧化有机物产生电子和质子，上层为好氧区(阴极室)由植物及曝气管供氧，电子通过外电路传递到阴极形成电流，由于阴/阳极室氧化还原电位的不同产生电压从而构成微生物燃料电池人工湿地。该发明能同时去除有机物和产生电能，处理效果好，运行维护成本低，节能环保。其不足之处在于：该装置分为多级，易堵塞，堵塞后将导致后期无法运行，同时管理步骤多，较复杂，进水方式单一。
发明内容
1.要解决的技术问题
针对现有的人工湿地耦合微生物燃料电池处理污水时会出现不能高效长时稳定的去除污水中氮和磷的问题，本发明提供了一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理系统及方法，该系统充分利用了在潮汐流运行方式下人工湿地与微生物燃料电池结合处理污水，提高了氧传递速率，实现了更加高效处理污水的目的。
2.技术方案
为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：
一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理系统，包括进水池和循环池，还包括耦合装置，所述的进水池与括耦合装置的底部连通，耦合装置设有微生物燃料电池，循环池与耦合装置的顶部和底部均连通，形成潮汐流，在耦合装置的底部和中部设有出水口。
优选地，耦合装置从上到下依次为阴极区、滤料区、阳极区、滤料区和承托层。
优选地，为加强电子转移速度在阳极区的表面上设置一层不锈钢网，在不锈钢网之上设置一层阴极区共同构成电子转移区，电子转移区位于滤料区中间部位。
优选地，阳极区与耦合装置上部的阴极区通过铜导体用钛线相连，为加快系统内产电生物膜的形成，在两极之间增设700～1500Ω的外电阻。
优选地，阴极区暴露于空气中，其表面种植水生植物。
一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理方法，其步骤为：
A、搭建以上所述的一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理系统；
B、打开蠕动泵，进水池中的原畜禽养殖废水通过蠕动泵进入耦合装置中，经过承托层依次进入滤料区，阳极区，阴极区，待水量达到有效容积时停止进水；
C、停留一段时间后，将系统内污水通过排空泵迅速排空并流入循环水池中；
D、耦合装置在排空状态停留一段时间后，通过回流泵将循环池中全部污水根据潮汐流的水流方向处理要求，使污水浸没耦合装置内部；
E、停留一段时间后，进行排空，泵入循环池；
F、待完成若干循环后出水由耦合装置底部的出水口排出。
优选地，潮汐流的水循环方式包括水流下进中出和水流上进下出，其中，水流下进中出的连接方式为循环水池的底部和顶部均与耦合装置底部连接；水流上进下出式的连接方式为循环水池顶部与耦合装置的顶部连接，循环水池的底部与耦合装置出水管道连接。
优选地，所述进水池布入所述耦合装置中的含氮磷污水水力负荷范围为0.4～1.0m3·m-2·d-1。
优选地，进水化学需氧量(COD)浓度在200～500mg/L范围时，污水浸没时间30-60分钟，排空停留时间30-60分钟，循环1～3次，进水化学需氧量(COD)浓度在500～2000mg/L范围时，污水浸没时间40-70分钟，排空停留时间90-120分钟，循环3～6次。
优选地，所述进水池布入所述滤料装置中的氮污染负荷范围为0～40gNm-2·d-1，氮污染负荷在0～20gNm-2·d-1范围时循环水池污水采用上进下出布水方式，氮污染负荷在20～40gNm-2·d-1范围时循环池污水采用下进中出布水方式。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明采用人工湿地耦合微生物燃料电池，在潮汐流的运行方式下对含氮磷污水进行处理，人工湿地耦合微生物燃料电池二者的协同作用远大于单一技术运行的效果，同时，采用潮汐流的运行方式提高了传氧速率与污水和填料的接触率，进而提高了污水的处理效率。
(2)本发明人工湿地耦合微生物燃料电池装置中阴极与阳极均采用活性炭，提高了装置的导电性能；
(3)本发明人工湿地反应滤料采用一定比例混合的脱水铝污泥和碎青石，对废水中的氮磷有较高的去除率，提高了对污水的去除效果；
(4)本发明所选材料成本低廉、效果显著，尤其适合农村生活污水和畜禽养殖废水处理，具有较大的市场前景和推广应用价值；已有文献中有人工湿地与微生物燃料电池结合处理污水的技术，鲜有采用人工湿地耦合微生物燃料电池在潮汐流的运行方式下处理生活污水或畜禽养殖废水；且采用潮汐流的运行方式提高了传氧速率与污水和填料的接触率，进而提高了污水的处理效率；同时，从可持续发展角度来看，一种零碳排自运行可持续的废水处理方法并提高污水处理N、P的去除率的污水处理技术对于实现环境效益、经济效益和社会效益的共赢有重要意义；
(5)本发明采用潮汐流的运行方式，使废水在泵的驱动下周期性地浸润湿地填料，提高了传氧速率，保障污水与填料充分接触，彻底解决传统垂直流人工湿地中布水不均和短流的问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：1、进水池；2、外电阻；3、阴极；4、水生植物；5、耦合装置；6、阳极；7、电极材料；8、不锈钢网；9、滤料区；10、承托层；11、循环池；12、排空泵；13、回流泵。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理系统，包括进水池1和循环池11，其特征在于，还包括耦合装置5，所述的进水池1与括耦合装置5的底部连通，耦合装置5设有微生物燃料电池，循环池11与耦合装置5的顶部和底部均连通，形成潮汐流，在耦合装置5的底部和中部设有出水口。采用上进下出布水方式时，循环池11与耦合装置5的底部连通的管道上设有排空泵12，循环池11与耦合装置5的顶部连通的管道上设有回流泵13。采用下进中出布水方式时，循环池11顶部与耦合装置5连通的管道上设有排空泵12，循环池11底部与耦合装置5连通的管道上设有回流泵13。
排空泵12的目的是为了迅速排空耦合装置5内的污水，将污水排入循环池11中，提高了系统传氧速率与污水和填料的接触率，提高污染物的去除率；回流泵13的目的是将循环池11中的水布入耦合装置5中，通过反复多次的循环运行提高去除率。两种不同布水方式下均要设置排空泵12和回流泵13。
耦合装置5从上到下依次为阴极区3、滤料区9、阳极区6、滤料区9和承托层10。阴极区3暴露于空气中，其表面种植水生植物4。为加强电子转移速度在阳极区6的表面上设置一层不锈钢网8，在不锈钢网8之上设置一层阴极区3共同构成电子转移区，电子转移区位于滤料区9中间部位。阳极区6与耦合装置5上部的阴极区3通过铜导体用直径为1mm的钛线相连，为加快系统内产电生物膜的形成，在两极之间增设700～1500Ω的外电阻2。
一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理方法，其步骤为：
A、搭建以上所述的一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理系统；
B、打开蠕动泵，进水池1中的原畜禽养殖废水通过蠕动泵进入耦合装置5中，进水池1布入所述耦合装置5的含氮磷污水水力负荷范围为0～40gNm-2·d-1，经过承托层10依次进入滤料区9，阳极区6，阴极区3，待水量达到有效容积时停止进水；
C、停留一段时间后，将系统内污水通过排空泵12迅速排空并流入循环水池11中；
D、耦合装置5在排空状态停留一段时间后，通过回流泵13将循环池11中全部污水根据潮汐流的水流方向处理要求，使污水浸没耦合装置5内部；
E、停留一段时间后，进行排空，泵入循环池11；
F、待完成若干循环后出水由耦合装置5底部的出水口排出。
潮汐流的水循环方式包括水流下进中出和水流上进下出，其中，水流下进中出的连接方式为循环水池11的底部和顶部均与耦合装置5底部连接；水流上进下出式的连接方式为循环水池11顶部与耦合装置5的顶部连接，循环水池11的底部与耦合装置5出水管道连接。
进水化学需氧量(COD)浓度在200～500mg/L范围时，污水浸没时间30-60分钟，排空停留时间30-60分钟，循环1～3次，进水化学需氧量(COD)浓度在500～2000mg/L范围时，污水浸没时间40-70分钟，排空停留时间90-120分钟，循环3～6次。
进水池1布入所述滤料装置中的氮污染负荷范围为0～40gNm-2·d-1，氮污染负荷在0～20gNm-2·d-1范围时循环水池11污水采用上进下出布水方式，氮污染负荷在20～40gNm-2·d-1范围时循环池11污水采用下进中出布水方式。
实施例1：对某农村生活污水进行处理
对某农村生活污水进行处理，提出一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理系统及方法，结合图1，它包括进水池1、耦合装置5和循环池11，耦合装置包括阴极区、滤料区、阳极区，所述的耦合装置5自上而下分为阴极区3、滤料区9、阳极区6、滤料区9与承托层10，阴极区3暴露于空气中，其表面种植一定密度的水生植物4，植物是湿地系统(即人工湿地)主要组成部分，植物处理可以吸附富集重金属和一些有害物质，根系可为阴极区3输送氧气作为电子受体，同时可以降低其内电阻，进而提高系统电压；对不同的人工湿地类型，植物的种植密度不同，在本实施例的人工湿地中，水生植物4种植密度范围在9～15株/m2，水生植物4为芦苇、苦草、宽叶香蒲等。
同时为加强电子转移速度在阳极区6和阴极区3中间铺设不锈钢网8，铺设不锈钢网8可以作为两极之间的物理屏障，防止氧气从阴极区3向阳极区6扩散，阻止两区之间的底物交换。
阳极区6与阴极区3通过铜导体用直径为1mm的钛线相连，为加快系统内产电生物膜的形成，两级之间增设1000Ω的外电阻2。阳极区6与阴极区3的电势相差越大，输出的电压越大，采用这种连接方式有利于降低体系内阻，提高输出功率，加速产电生物膜的形成，加速反应过程，若使用普通导线，将降低其导电性能。
电极材料7的选择是影响该技术的一个关键因素，通常使用较高导电性能和非氧化性的材料，如石墨毡、石墨板、不锈钢网、碳布等，在本实施例中，阳极区6与阴极区3的电极材料7为导电性能较好的活性炭。
滤料区9的滤料为铝污泥与碎青石的混合物，采用铝污泥与碎青石为滤料，是因为铝污泥对于畜禽废水中的氮有较好的去除效果，加入碎青石是为了防止装置堵塞，也可以换成其他的滤料，如陶粒与石子的混合物、煤渣与石子的混合物。
承托层10由鹅卵石组成，承托层10应不阻碍污水流动；而碎石的粒径较小，如果用碎石作为承托层10，应选择平均粒径在3～7cm之间的碎石，如果平均粒径过小会使污水流动变慢。
采用人工湿地耦合微生物燃料电池，在潮汐流的运行方式下对含氮磷污水进行处理，人工湿地耦合微生物燃料电池二者的协同作用远大于单一技术运行的效果，同时，采用潮汐流的运行方式提高了传氧速率与污水和填料的接触率，进而提高了污水的处理效率。人工湿地耦合微生物燃料电池装置中阴极与阳极均采用活性炭，提高了装置的导电性能；人工湿地反应滤料采用一定比例混合的脱水铝污泥和碎青石，对畜禽废水中的氮磷有较高的去除率，提高了对污水的去除效果；所选材料成本低廉、效果显著，尤其适合农村生活污水和畜禽养殖废水处理，具有较大的市场前景和推广应用价值。
一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理系统及方法，其步骤为：
A、搭建以上所述的一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理系统；
B、打开蠕动泵，进水池1中的原畜禽养殖废水通过蠕动泵进入耦合装置5中，经过承托层10依次进入滤料区9，阳极区6，阴极区3，待水量达到有效容积时停止进水；
C、停留一段时间后，将系统内污水通过排空泵12迅速排空并流入循环水池11中；
D、耦合装置5在排空状态停留一段时间后，通过回流泵13将循环池11中全部污水由上而下布入系统中，使污水浸没装置内部；
E、停留一段时间后，进行排空，泵入循环池11；
步骤C、D和E中的停留是为了使畜禽废水与装置中的滤料充分接触反应，提高污水的处理效果；
F、待完成若干循环后出水由装置底部排出。
其中，储水池1半径1.5m，高1.2m，有效深度1m，用PVC材料制成；循环水池11与储水池1相同；人工湿地耦合微生物燃料电池装置为圆柱形，直径50cm，总高度80cm；自上而下阴极区3的高度为5cm，25cm滤料区9的高度为25cm，阳极区6的高度为10cm，滤料区9的高度为25cm，承托层10的高度为15cm。
其中，进水化学需氧量(COD)浓度在200mg/L时，污水浸没时间30分钟，排空停留时间30分钟，循环1次。
进水池1布入耦合装置5中的氮污染负荷范围为0gNm-2·d-1，循环水池11污水采用上进下出布水方式。
此系统连续运行3个月，每隔4天对出水水质进行监测，农村生活污水处理后，出水中总氮和总磷均有较高的去除效果，其他水质指标也保持了较高的去除率，如表1所示。
表1实施例1中某农村生活污水的进水与出水水质测试指标情况
测试指标 SS(mg/L) COD(mg/L) NH3-N(mg/L) TN(mg/L) TP(mg/L)
储水池进水 150～260 200～500 39.2～59.8 68.1～90.9 9.5～14.5
总出水 5.2～9.6 31.7～45.2 2.7～4.3 7.2～11.6 0.4～0.6
去除率(％) 97～99 95～98 94～98 90～95 98～99
实施例2：对某养殖场废水进行处理
对某养殖场废水进行处理，提出一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理系统及方法，结合图1，储水池1与3半径2m，总高度2m，有效深度1.8m，砖混结构，外电阻2为700Ω。
进水化学需氧量(COD)浓度在300mg/L时，污水浸没时间40分钟，排空停留时间40分钟，循环2次。进水池1布入所述滤料装置中的氮污染负荷为10gNm-2·d-1，循环水池11污水采用上进下出布水方式。其他部分同实施例1。
此系统连续运行2个月，每隔5天对出水水质进行监测，研究结果显示，养殖场废水中的总氮和总磷均有较高的去除效果，如表2所示。
表2实施例2中某养殖场废水的进水与出水水质测试指标情况
实施例3：对某养鸡场废水进行处理
对某养鸡场废水进行处理，提出一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理系统及方法，结合图1，储水池1与3半径2m，总高度1.8m，有效深度1.5m，砖混结构；外电阻2为1500Ω。
进水化学需氧量(COD)浓度在500mg/L时，污水浸没时间60分钟，排空停留时间60分钟，循环3次。进水池1布入所述滤料装置中的氮污染负荷为40gNm-2·d-1，循环水池11污水采用上进下出布水方式。其他部分同实施例1。
此系统连续运行3个月，每隔5天对出水水质进行监测，研究结果显示，养殖场废水中的总氮和总磷均有较高的去除效果，如表3所示。
表3实施例3中某养鸡场废水的进水与出水水质测试指标情况
实施例4
本实施例与实施例1-3均类似，其中不同之处在于，阴极区3表面种植的水生植物4为芦苇，种植密度为9株/m2；电极材料7选择石墨毡；滤料区9的滤料为陶粒与石子的混合物；承托层10是平均粒径为3cm的碎石。
进水化学需氧量(COD)浓度在500mg/L时，污水浸没时间40分钟，排空停留时间90分钟，循环3次；氮污染负荷为20gNm-2·d-1时循环池11污水采用下进中出布水方式。
实施例5
本实施例与实施例1-3均类似，其中不同之处在于，阴极区3表面种植的水生植物4为、苦草，种植密度为15株/m2。电极材料7选择石墨板；滤料区9的滤料为煤渣与石子的混合物；承托层10是平均粒径为7cm的碎石。
进水化学需氧量(COD)浓度在2000mg/L时，污水浸没时间70分钟，排空停留时间120分钟，循环6次。氮污染负荷为40gNm-2·d-1时循环池11污水采用下进中出布水方式。
实施例6
本实施例与实施例1-3均类似，其中不同之处在于，阴极区3表面种植的水生植物4为宽叶香蒲，种植密度为10株/m2。电极材料7选择碳布；滤料区9的滤料为陶粒与石子的混合物；承托层10是平均粒径为5cm的碎石。
进水化学需氧量(COD)浓度在1000mg/L时，污水浸没时间50分钟，排空停留时间100分钟，循环5次。氮污染负荷在30gNm-2·d-1时循环池11污水采用下进中出布水方式。

Claims (10)

1.一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理系统，包括进水池(1)和循环池(11)，其特征在于，还包括耦合装置(5)，所述的进水池(1)与括耦合装置(5)的底部连通，耦合装置(5)设有微生物燃料电池，循环池(11)与耦合装置(5)的顶部和底部均连通，形成潮汐流，在耦合装置(5)的底部和中部设有出水口。
2.根据权利要求1所述的一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理系统，其特征在于，耦合装置(5)从上到下依次为阴极区(3)、滤料区(9)、阳极区(6)、滤料区(9)和承托层(10)。
3.根据权利要求2所述的一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理系统，其特征在于，为加强电子转移速度在阳极区(6)的表面上设置一层不锈钢网(8)，在不锈钢网(8)之上设置一层阴极区(3)共同构成电子转移区，电子转移区位于滤料区(9)中间部位。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理系统，其特征在于，阳极区(6)与耦合装置(5)上部的阴极区(3)连接，为加快系统内产电生物膜的形成，在两极之间增设700～1500Ω的外电阻(2)。
5.根据权利要求1所述的一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理系统，其特征在于，阴极区(3)暴露于空气中，其表面种植水生植物(4)。
6.一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理方法，其特征在于：
A、搭建权利要求1所述的一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理系统；
B、打开蠕动泵，进水池(1)中的原畜禽养殖废水通过蠕动泵进入耦合装置(5)中，经过承托层(10)依次进入滤料区(9)，阳极区(6)，阴极区(3)，待水量达到有效容积时停止进水；
C、停留一段时间后，将系统内污水通过排空泵(12)迅速排空并流入循环水池(11)中；
D、耦合装置(5)在排空状态停留一段时间后，通过回流泵(13)将循环池(11)中全部污水根据潮汐流的水流方向处理要求，使污水浸没耦合装置(5)内部；
E、停留一段时间后，进行排空，泵入循环池(11)；
F、待完成若干循环后出水由耦合装置(5)底部的出水口排出。
7.根据权利要求6所述的一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理方法，其特征在于，潮汐流的水循环方式包括水流下进中出和水流上进下出，其中，水流下进中出的连接方式为循环水池(11)的底部和顶部均与耦合装置(5)底部连接；水流上进下出式的连接方式为循环水池(11)顶部与耦合装置(5)的顶部连接，循环水池(11)的底部与耦合装置(5)出水管道连接。
8.根据权利要求6所述的一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理方法，其特征在于，所述进水池(1)布入所述耦合装置(5)中的含氮磷污水水力负荷范围为0.4～1.0m3·m-2·d-1。
9.根据权利要求6所述的一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理方法，其特征在于，进水化学需氧量(COD)浓度在200～500mg/L范围时，污水浸没时间30-60分钟，排空停留时间30-60分钟，循环1～3次，进水化学需氧量(COD)浓度在500～2000mg/L范围时，污水浸没时间40-70分钟，排空停留时间90-120分钟，循环3～6次。
10.根据权利要求6或7所述的一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理方法，其特征在于，所述进水池(1)布入所述滤料装置中的氮污染负荷范围为0～40gNm-2·d-1，氮污染负荷在0～20gNm-2·d-1范围时循环水池(11)污水采用上进下出布水方式，氮污染负荷在20～40gNm-2·d-1范围时循环池(11)污水采用下进中出布水方式。
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