CN105850864A - 一种具有产电功能的自净化水族箱 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有产电功能的自净化水族箱,包括污水有机物处理、水产动物养殖观赏、藻类植物培养和微生物燃料电池发电等功能,其特征在于:利用有机玻璃、钢化玻璃等具有一定强度的透光材料制作透明水箱,再通过有机玻璃胶等黏合实现密封。水箱分为两部分,中心圆筒内空间为阳极室,用于微生物与污水中有机物的反应;圆筒外的敞口水箱为阴极室,主要进行藻类植物的光合作用和水产动物养殖。阳极和阴极均使用碳布作为微生物附着区及藻类植物附着区,两边以带有保护电阻的导线相接构成回路。中心圆筒外的水箱内,水产动物通过呼吸作用产生二氧化碳,藻类植物通过光合作用不断消耗二氧化碳并产生氧气,氧气供给动物呼吸从而维持生命。与此同时,藻类植物本身也可作为水产动物的食物,无需额外对其进行人工投食;生态箱底部的水泵将阴极室中水产动物的粪便抽入阳极室被微生物降解。本发明可广泛应用于生物、环保、能源等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种自净化水族箱,具体涉及具有产电功能的自净化水族箱。
背景技术
水族箱,是用来饲养热带鱼或者金鱼的玻璃器具,又称为生态鱼缸或水族槽,是一个动物饲养区,通常至少有一面为透明的玻璃及高强度的塑料。水族箱内人工饲养着生活于水中的植物及动物(通常为鱼类,但亦可是无脊椎动物、两栖动物、海洋哺乳动物或爬行动物),既给水产动物营造一个温馨的家,也可以起到观赏的作用。然而,水产动物养殖最烦恼的事情莫过于清理水族箱底部的粪便和食物残渣等有机废物,虽然有些水族箱配置了过滤系统,但额外的能耗和提高的购置成本不可忽视,且复杂管路的布置还会影响观赏价值。同时,水产动物通过呼吸不断消耗水中的氧和养料,排出二氧化碳和排泄物,而排泄物中除了阿摩尼亚和亚硝酸盐外还有其它有害物质。此外,频繁的人工换水和投食工作也会消耗养殖者大量的精力。
微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置,包括有机废水在内的任何可以为产电菌代谢提供能量的有机物都可以成为微生物燃料电池的燃料,因此微生物燃料电池可以同时实现废物处理和电能绿色供应,是一种极有潜力的低品位可再生能源利用技术。它的基本工作原理是:在厌氧环境的阳极室内,有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子,电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递,并通过外电路传递到阴极形成电流,而质子通过质子交换膜传递到阴极,氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。微生物燃料电池能量转化率高,污泥产量低,对废水中的有机物具有很好的去除效果。与现有的其它有机物产能技术相比,微生物燃料电池具有操作上和功能上的优势:首先,它将底物直接转化为电能,保证了具有高的能量转化效率;其次,不同于现有的生物质能热解转化技术,微生物燃料电池在常温环境条件下就能够有效运行;再者,微生物燃料电池无需输入较大能量便可维持运行。因此,微生物燃料电池在废水处理和新能源开发领域具有广阔的应用前景。
光合作用,即光能合成作用,是指含有叶绿体绿色植物、动物和某些细菌,在可见光的照射下,经过光反应和碳反应,利用光合色素,将二氧化碳和水转化为有机物,并释放出氧气的生化过程。光合作用是一系列复杂的代谢反应的总和,是生物界赖以生存的基础,也是地球碳氧平衡的重要媒介。
因此,开发一种以微生物燃料电池技术为支撑,进而完成有机废水的处理,同时利用藻类植物光合作用进行水产动物养殖的自净化水族箱是该领域技术人员的研究热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有产电功能的自净化水族箱。
为达到上述目的,本发明的技术方案是:利用有机玻璃、钢化玻璃等具有一定强度的透光材料制作透明水箱,再通过有机玻璃胶等黏合实现密封。水箱分为两部分,中心圆筒内空间为阳极室,用于微生物与污水中有机物的反应;圆筒外的敞口水箱为阴极室,主要进行藻类植物的光合作用和水产动物养殖。阳极和阴极均使用碳布作为阳极室微生物附着区及阴极室藻类植物附着区,两边以带有保护电阻的导线相接构成回路。
在中心圆筒中,污水中的有机物通过本体基质传递到产电菌并与其发生降解反应,电子依靠合适的介体在微生物和阳极之间进行有效传递,然后通过外电路到达阴极形成电流。
中心圆筒外的水箱内,水产动物通过呼吸作用产生二氧化碳,藻类植物通过光合作用不断消耗二氧化碳并产生氧气,氧气供给动物呼吸从而维持生命。与此同时,藻类植物本身也可作为水产动物的食物,无需额外对其进行人工投食。
在阳极室和阴极室之间是质子交换膜,通过支撑板将其固定。质子交换膜具有良好的质子电导率、电化学稳定性和机械强度,气体和水分子在膜中的渗透性极小。阳极室在有机质代谢分解过程中产生的质子通过质子交换膜传递到阴极,藻类植物光合作用产生的氧气在阴极得到电子被还原与质子结合成水。中心圆筒上部开有多个孔洞,方便圆筒内的上清液流入水箱,既可以改善水产动物的生活环境,又能为藻类植物的光合作用提供原料,实现水族箱的水循环。
水箱底部设有圆形腔室,腔室内装有抽水水泵,水泵又与连通阴阳极两室的管道相接。阴极室中水产动物产生的排泄物通过重力沉降到底部,水泵将排泄物经由管道抽入阳极室,并在阳极室被微生物降解,从而实现水产动物生活环境的自净化过程,无需再进行人工清理。
由于阳极电极附着的产电菌属于厌氧微生物,因此中心圆筒上方以密封盖加以密封,密封盖将内部空间与周围环境隔开,避免空气中的氧气进入水体。
本发明所述的具有产电功能的自净化水族箱的有益效果是:本发明采用微生物燃料电池与有机废水处理技术相结合,利用微生物降解污水中的有机物,污水处理后得到的上清液又可以作为藻类植物进行光合作用的原料;在养殖水产动物的过程中无需人工投食、定期换水和清理粪便,水产动物的生命全部依靠藻类植物及其光合作用产生的氧气维持;阳极室通过孔口流入阴极室的上清液能够改善生活环境,粪便则完全由水族箱底部的水泵抽走并被微生物降解;在无能耗持续降解有机废物的同时,还可从中回收多种形式的能量;本发明可广泛应用于生物、环保、能源等领域。
附图说明
图1为具有产电功能的自净化水族箱结构示意图。
图2为自净化水族箱中心圆筒装置剖面图。
图3为自净化水族箱运行原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细的描述。
参见图1和图2,具有产电功能的自净化水族箱主要包括阴极室1、进水口2、水泵工作室3、阴极碳布4、孔口5、阳极室6、密封盖7、进水管8、质子交换膜9、支撑板10、阳极碳布11、出水管12和水泵13构成。敞口水箱构成阴极室1,利用阴极碳布4作为阴极电极上的藻类植物附着区。中心圆筒对应阳极室6,同样使用阳极碳布11作为阳极电极上的微生物附着区。阴极碳布4和阳极碳布11以带有电阻的导线相连构成回路,微生物燃料电池产生的电子由阳极碳布11经导线到达阴极碳布4并形成电流。为了给产电菌提供厌氧环境,阳极室6上方以密封盖7加以密封。在中心圆筒上部开有均匀分布的孔口5,便于阳极室6中的上清液流入阴极室1。在阴阳两极碳布之间是质子交换膜9和支撑板10,其中质子交换膜9靠近阴极室1,支撑板10靠近阳极室6。阳极室6在有机质代谢分解过程中产生的质子依次经过支撑板10和质子交换膜9,最终进入阴极室1。支撑板10用于固定碳布和质子交换膜9,板上开有多个孔洞以便于质子的传输。由于阴极室1水产动物排泄出的粪便需要通入阳极室6进行降解处理,故而在水族箱底部设有水泵工作室3,通过水泵13将动物粪便从阴极室1沿着进水管8和出水管12抽到阳极室6。水产动物活动空间较为自由,粪便在敞口水箱中分布范围不定,因此水泵工作室3上的进水口2呈环状分布,每个进水口各自对应一根进水管8,所有进水管再合并到一处共同被水泵13抽入。
参见图3,在具体实施时,阳极室6中装有污水,阳极碳布11上附着的产电菌可以降解污水中的有机物。以污水中的小分子有机物乙酸盐为例,微生物燃料电池工作时,阳极室6发生的电化学反应为:
污水经过降解处理后得到的上清液通过阳极室6上部的孔口5流入阴极室1,既可以改善阴极室1中水产动物的生活环境,又能为藻类植物的光合作用提供原料。与此同时,阳极室6的质子(主要是氢离子)依次通过支撑板10和质子交换膜9并最终进入阴极室1。
在阴极室1中,以水产动物中的鱼为例,鱼通过呼吸作用,消耗氧气并产生二氧化碳。阴极碳布4上附着的藻类植物以二氧化碳和水为原料,在太阳光照条件下进行光合作用,生成有机物(主要是葡萄糖)、氧气和水。具体反应式为:
光合作用产生的氧气一部分与阳极室6传输而来的氢离子和电子结合生成水,另一部分则被鱼吸收,同时藻类植物本身也可以作为水产动物的食物,无需再对阴极室1进行人工投食。鱼排泄出的粪便也不需要人工清理,水族箱底部的水泵13将阴极室1底部的粪便通过管道抽入阳极室6,与污水一同被阳极碳布11上附着的产电菌降解,从而实现水产动物生活环境的自净化过程。
在该水族箱中,微生物燃料电池产生的电能既可以在无自然光照(例如夜间)条件下提供电力照明,使阴极室1中藻类植物的光合作用继续进行,也能够为箱底部的水泵13提供动力。
水族箱完全运行后,最大功率可达15mW/m2,化学需氧量(COD)降解效率约80%且COD浓度小于50mg/L,达到了国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级排放标准。
因此,该具有产电功能的自净化水族箱既无需外接设备,也不用人工处理,即可实现水产动物养殖观赏、有机废水降解、藻类植物培养、微生物燃料电池发电等功能。在无能耗持续降解有机废物的同时,还可以从中回收多种形式的能量,能够实现自净化循环功能。
Claims (10)
1.一种具有产电功能的自净化水族箱,包括敞口水箱和中心圆筒,其特征在于:利用有机玻璃、钢化玻璃等具有一定强度的透光材料制作透明水箱,再通过有机玻璃胶等黏合实现密封,水族箱分为两部分,中心圆筒内空间为阳极室(6),用于微生物与污水中有机物的反应;圆筒外的敞口水箱为阴极室(1),主要进行藻类植物的光合作用和水产动物养殖,阳极和阴极均使用碳布作为阳极室微生物附着区及阴极室藻类植物附着区,两边以带有保护电阻的导线相接构成回路。
2.按照权利要求1所述的具有产电功能的自净化水族箱,其特征在于:阳极室(6)上方以密封盖(7)加以密封,为阳极碳布(11)上附着的产电菌提供厌氧环境。
3.按照权利要求1所述的具有产电功能的自净化水族箱,其特征在于:在无太阳光照条件下,微生物燃料电池产生的电能可以继续照明,为藻类植物光合作用提供反应条件。
4.按照权利要求1所述的具有产电功能的自净化水族箱,其特征在于:阳极室(6)上部开有均匀分布的孔口(5),便于阳极室(6)中的上清液流入阴极室(1)。
5.按照权利要求1所述的具有产电功能的自净化水族箱,其特征在于:在阳极室(6)和阴极室(1)之间是质子交换膜(9),以便于将阳极室(6)在有机质代谢分解过程中产生的质子(主要是氢离子)传递到阴极室(1)。
6.按照权利要求1所述的具有产电功能的自净化水族箱,其特征在于:通过水泵(13)抽取阴极室(1)中水产动物的粪便。
7.按照权利要求5所述的具有产电功能的自净化水族箱,其特征在于:通过支撑板(10)固定质子交换膜(9),板上开有多个孔洞以便于质子的传输。
8.按照权利要求6所述的具有产电功能的自净化水族箱,其特征在于:在水族箱底部设有水泵工作室(3),便于水泵(13)内置于水族箱中。
9.按照权利要求6所述的具有产电功能的自净化水族箱,其特征在于:水泵(13)将水产动物粪便从阴极室(1)抽入阳极室(6),被阳极碳布(11)上附着的产电菌进一步降解。
10.按照权利要求6所述的具有产电功能的自净化水族箱,其特征在于:水泵工作室(3)上的进水口(2)呈环状分布,每个进水口各自对应一根进水管(8),所有进水管再合并到一处共同被水泵(13)抽入。
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