CN105906159B - 一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出的是一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，其特征在于包括调蓄池、零价铁/厌氧微生物耦合系统、人工湿地/微生物燃料电池耦合系统。污水经过简单过滤均质后进入零价铁/厌氧微生物耦合系统进行生化处理，经过处理后的污水采用升流的方式进入人工湿地系统，进行深度净化的同时与微生物燃料电池系统进行耦合，外接电路收集所产生的电子，激发得到电场用以强化零价铁/厌氧微生物耦合系统，从而提高生物化学效应，加速处理效率。本发明的优点：整个耦合系统相辅相成，互相强化，保证了出水水质；不需要占用地面土地资源，且易于维护和管理；没有额外能源消耗，成本低廉；运行管理方便，污水处理效率高，出水水质稳定。

Description

一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统

技术领域

本发明提出的是一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，特别涉及一种综合处理灌区污水的人工湿地/微生物燃料电池-零价铁/厌氧微生物双耦合系统，属于环保污水处理领域。

背景技术

随着水资源和水环境问题的日益突出，农业面源污染已经成为我国水环境质量恶化和湖泊富营养化的重要原因，农田面源污染的治理已成为改善我国水环境质量、保障我国饮用水安全和粮食安全、促进生态文明建设的核心问题；我国地大物博，有土地的地方或多或少会受到污染，并且农田面源污染源具有分散性、多样性、随机性、难降解等特点，因而防治十分困难；灌区作为农村的存在形式之一，其在我国农村大量存在；据不完全统计，我国现有大型灌区402处、中型灌区5200多处、小型灌区的数量多达l000多万，如果我们将面源污染的治理集中到灌区内污染的控制中来，那么面源污染的治理工作将可以有序高效的推进；另外，由于灌区的生活污水缺乏收集的管网或者处理设施，分散型的农村污水也已成为影响我国新农村建设和生态环境的重要污染源，因此，灌区污水（包括：生活污水和农田废水）的治理成为我国亟待解决的问题，也是推动《水污染防治行动计划》工作的重要举措。

人工湿地是一种人工强化利用自然的过程，包括湿地植物、土壤或基质、微生物的代谢活性来净化污水的工程技术，因其较低的维护和运行成本、较高的污染物去除效果、并可以营造舒适的景观效果而被广泛地应用于农田面源污染治理和污水处理；生物燃料电池是一种利用微生物将有机物转化为电能的新型技术；人工湿地和生物燃料电池都是利用微生物对污水中的污染物进行降解，分别达到可以处理污水和产生电能的效果，将两者耦合将达到既去除污染物同时产生电能的效果，其有效性和科学性已得到相关研究学者的证实，但两者的实际应用还很缺乏；另外，公开号为CN104761107A公开了一种灌区生活污水活性铁-厌氧微生物耦合强化脱氮除磷装置，其将活性铁填充到厌氧反应器内，实现了对灌区生活污水的有效去除，但由于活性铁成本较高，且活性强易被氧化失活，所以应用活性铁存在一定的局限性，并且该净化槽对高浓度的大分子农田有机废水没有处理。

零价铁廉价易得，粉末状的颗粒易失活、凝聚、钝化、结板，需要频繁清洗更换，而板状、块状的零价铁其比表面积较小，反应活性较低，而弱电场的存在，可以加速零价铁的反应，因而可以在一定程度上弥补铁床活性低的缺陷，基于此，我们提出了耦合人工湿地和微生物燃料电池系统，在降解污染物的同时产生电能，利用产生的微电流，激发得到弱电场，从而强化零价铁和厌氧微生物的耦合系统的处理效率，同时零价铁的存在也为农田废水的处理提供了可能，并且零价铁的还原作用以及加速作用也为微生物燃料电池系统提供了更有利的条件；因此，人工湿地/微生物燃料电池-零价铁/厌氧微生物耦合系统可以综合有效的处理灌区污水、反应器的强化处理和人工湿地的深度净化，保证了出水水质，为解决我国分散型的农村生活污水和农田面源污染治理问题提供新思路。

发明内容

本发明提出的是一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，旨在克服现有分散型污水处理技术中存在的不足，提供一种简单适用，造价低廉，运行管理方便，同时污水处理效率高，出水水质稳定的人工湿地/微生物燃料电池-零价铁/厌氧微生物双耦合系统。

本发明的技术解决方案：一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，具体包括调蓄池、零价铁/厌氧微生物耦合系统、人工湿地和微生物燃料电池耦合系统、格栅、灌区污水管道、溢流板、沉淀室；其中人工湿地/微生物燃料电池耦合系统包括人工湿地系统、微生物燃料电池系统。

一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，其处理污水的方法包括如下步骤：

1）经灌区污水收集管道收集后的灌区污水首先进入内置格栅的调蓄池，过滤均质之后，由灌区污水管道输送进入零价铁/厌氧微生物耦合系统；

2）经零价铁/厌氧微生物耦合系统处理后的污水经过溢流板进入沉淀室，进行泥水分离，分离之后的污水，通过灌区污水管道进入人工湿地的底部，采用升流的进水方式，进入人工湿地系统；

3）在人工湿地系统进行深度净化的同时与微生物燃料电池系统进行耦合，外接电路收集所产生的电能，用于强化零价铁/厌氧微生物耦合系统。

本发明的优点：

①整个耦合系统相辅相成，既高效产电，同时对农田废水、农村生活污水以及氮磷的同步去除，实现了灌区污水的综合有效治理，既提高了污水的处理效率，也大幅改善了出水水质；

②零价铁/微生物耦合系统，使用廉价易得的铁板，操作简单且对环境不会产生二次污染，同时利用微生物染料电池产生的弱电场，加速了铁板的反应，促进了厌氧微生物的代谢作用，提高生物化学效应和多样性；

③零价铁还原农药、杀虫剂等农田废水，降低了生物毒性；

④零价铁既是微生物所必须的生命元素，也可以参与多种化学反应，同微生物的耦合作用强化了对灌区污染物的处理效率；

⑤污水经过零价铁-厌氧微生物的处理后生成更有利于产电的小分子有机物，同时零价铁的存在减少了NO₃ ^-，SO₄ ^2-等电子受体对电子的竞争，提高了产电效率；

⑥微生物燃料电池系统充分考虑产电效率和经济实用性，高效产电的同时节约了成本；

⑦人工湿地系统在保证生态净化效果的同时高效产电，植物的根系为微生物生长提供营养，形成生物阴极，根系具有发达的通气组织，分泌O₂促进阴极反应；

⑧整个耦合系统改造利用已有洼地，不占用土地；

⑨整个工程构造简单、施工方便、功能稳定、造价低廉、使用方便。

附图说明

附图1 本发明的工艺流程图。

附图2 人工湿地/微生物燃料电池-零价铁/厌氧微生物耦合系统示意图。

附图3 微生物燃料电池系统阴极电流收集器。

图中的1是调蓄池、2零价铁/厌氧微生物耦合系统、3是人工湿地和微生物燃料电池耦合系统、4是格栅、5是灌区污水管道、6是铁板床、7是石墨电极、8是溢流板、9是沉淀室、10是排泥口、11是钛丝导线、12是砾石层、13是活性炭颗粒阳极层、14是砾石分隔层、15是阴极层、16是黏土层、17是水生植物、18是出水溢流口、19是植生砖、20是颗粒状的活性炭、21是钢筋骨架、22是不锈钢网面。

具体实施方式

对照附图，一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，具体包括，具体包括调蓄池1、零价铁/厌氧微生物耦合系统2、人工湿地和微生物燃料电池耦合系统3、格栅4、灌区污水管道5、溢流板8、沉淀室9；其中人工湿地/微生物燃料电池耦合系统3包括人工湿地系统、微生物燃料电池系统。

一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，其处理污水的方法包括如下步骤：

1）经灌区污水收集管道收集后的灌区污水首先进入内置格栅4的调蓄池1，过滤均质之后，由灌区污水管道5输送进入零价铁/厌氧微生物耦合系统2；

2）经零价铁/厌氧微生物耦合系统2处理后的污水经过溢流板8进入沉淀室9，进行泥水分离，分离之后的污水，通过灌区污水管道5进入人工湿地的底部，采用升流的进水方式，进入人工湿地系统；

3）在人工湿地系统进行深度净化的同时与微生物燃料电池系统进行耦合，外接电路收集所产生的电能，用于强化零价铁/厌氧微生物耦合系统2。

所述的人工湿地和微生物燃料电池耦合系统3从下至上顺序逐层填入碎小砾石形成砾石层12，砾石层12主要起到拦截悬浮性固体，提高污水中COD比例的作用；砾石层12上面填入活性炭颗粒作为微生物燃料电池的活性炭颗粒阳极层13，污水淹没活性炭颗粒阳极层13，形成厌氧的环境，活性炭颗粒不但可以作为导电性能良好的阳极材料，同时其较高的比表面积可以吸附大量有机物，为微生物的生长提供良好条件，微生物在降解有机物的同时产生电子，通过阳极材料导出进入外电路；活性炭颗粒阳极层13的上面填充廉价的砾石或者膨润土作为砾石分隔层14，砾石分隔层14作为两极之间的物理屏障，防止阴极的氧气向阳极扩散；砾石分隔层14上方布设不锈钢网箱作为电流收集器，不锈钢网箱内部填充活性炭颗粒作为微生物燃料电池的阴极层，阴极层处于好氧环境，O₂在阴极层附近发生还原反应，阴极层的活性炭颗粒有如下作用：①为微生物生长提供载体，形成生物阴极更有利于产电；②活性炭颗粒间的孔隙产生毛细作用促进的O₂扩散；③活性炭为O₂的还原反应提供更多的点位。

所述的不锈钢网箱以φ12的钢筋作为其骨架，以不锈钢丝网作为其6个面，不锈钢网箱15上方的不锈钢网面设置为可开启式，不锈钢丝网的孔径小于活性炭颗粒的直径。

所述的调蓄池内置格栅过滤去除污水中的杂质，调蓄池体本身储存收集到的污水，同时起到调节均质的效果。

所述的阴极层15上方覆土种植水生植物，水生植物有如下作用：①利用植物的吸附和微生物的降解深度净化污水，保证出水水质；②植物的根系为微生物的生长提供营养，有利于形成生物阴极；②植物的根系提升阴极附近的O₂含量，有利于产电。

所述的人工湿地和微生物燃料电池耦合系统3的阳极层和阴极层之间采用与其固定的钛丝导线11作为导线导出电子，为零价铁/厌氧微生物耦合系统2提供弱电场。

所述的零价铁/厌氧微生物耦合系统2采用厌氧污泥床反应器培养污泥，在厌氧污泥床反应器中布置一对铁板床6阳极和石墨板阴极7形成复合型的生物电化学反应器，铁板床6阳极和石墨板阴极7分别与微生物燃料电池的阳极层和阴极层相连接，从而形成电场强化的零价铁/厌氧微生物耦合系统； 零价铁/厌氧微生物耦合系统集反应室和沉淀室9于一体，根据实际设计需求可以全埋式设置在地下，无需地上空间，便于泥水分离，节约空间。

所述的灌区污水包括灌区的生活污水和农田废水。

下面结合实施例进一步描述本发明的技术解决方案。

实施例1

一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，如附图2和附图3所示，在灌区污水产生处铺设污水收集管道以收集灌区生活污水和农田废水；收集的污水首先进入内置格栅4的调蓄池1，过滤均质之后的污水通过灌区污水管道5输送进入电场强化下的零价铁/厌氧微生物耦合系统2进行生化处理，零价铁/厌氧微生物耦合系统2内置铁板床6作为阳极，在溢流板8的中间安装石墨板阴极7；处理后的污水经过溢流板8排放进入沉淀室9，进行泥水分离，沉淀室9底部设有排泥口10用于排除剩余污泥；泥水分离后的污水经过灌区污水管道5输送进入人工湿地/微生物燃料电池耦合系统3的底部，采取升流式进水的方式；在人工湿地/微生物燃料电池耦合系统3中污水顺序依次进入砾石层12、活性炭颗粒阳极层13、砾石分隔层14、不锈钢网箱包裹的活性炭颗粒阴极层15；不锈钢网箱包裹的活性炭颗粒阴极层15上方覆土，形成适宜水生植物17生长的黏土层16；污水经过砾石和活性炭的过滤吸附作用以及活性炭颗粒阳极层13中微生物的降解和黏土层植物根系的净化作用，进入出水溢流口18排放进入自然水体；同时活性炭颗粒阳极层13和不锈钢网箱包裹的活性炭颗粒阴极层15，在微生物还原作用和外界氧的氧化作用下产生电流，经过钛丝导线11分别导入零价铁/厌氧微生物耦合系统2的石墨电极7和铁板床阳极6，形成外加电场的零价铁/厌氧微生物耦合系统2。

所述的零价铁/厌氧微生物耦合系统2采用全埋式布设在地下，上面铺设植生砖19，用于生长植物，营造良好生态环境。

所述的不锈钢网箱包裹的活性炭颗粒阴极层15是以φ12的钢筋作为钢筋骨架21，以不锈钢网22作为其6个面，不锈钢丝网22的孔径略小于颗粒状活性炭20的大小，防止活性炭颗粒填料流失；不锈钢网箱上方的不锈钢网面22设置为可开启式，方便检查和更换填料；不锈钢网箱的侧面和钛丝导线11相连，用于输送电子。

整个人工湿地/微生物燃料电池-零价铁/厌氧微生物耦合系统需合理布局和铺设管道，营造活性炭颗粒阳极层13的厌氧环境和不锈钢网箱包裹的活性炭颗粒阴极层15的好氧条件，以提高产电量和产电效果。

实施例2

一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，处理污水的方法包括如下步骤：

1）灌区污水经过管道收集首先内置格栅的调蓄池1，去除污水中的大颗粒悬浮物和杂质，然后通过污水管道5进入零价铁/厌氧微生物耦合系统2，利用厌氧微生物的代谢作用分解去除水中的有机物，零价铁具有良好的还原性，可以还原去除污废水中的NO₃ ^--N和大部分的有机农药，降低进水的毒性，同时零价铁还原产氢，作为电子供体，有利于厌氧微生物的生长；外加弱电场为厌氧微生物提供了更佳的氧化还原电位，提升了微生物的富集速率和多样性结构，提高了生物化学效应，强化了污染物的去除；另外外加弱电场加速了铁床的反应速率以及Fe²⁺和Fe³⁺的生成，Fe²⁺和Fe³⁺是良好的絮凝剂，同时与磷发生共沉淀，达到除磷效果。

2）经过零价铁/厌氧微生物耦合系统2处理后的污废水主要为小分子的有机物，污水通过管道重力自流进入人工湿地/微生物燃料电池耦合系统3的底部。首先经过砾石层12，主要为拦截作用，去除污水中的悬浮性固体，提高污水中到达阳极的COD的比例；然后到达活性炭颗粒阳极层13，阳极层为导电性能良好且不被氧化的活性炭颗粒，其较高的比表面积为微生物生长提供了良好的生活场所，厌氧的条件下小分子的有机物为微生物所利用并被氧化生成CO₂，提供电子，同时由于零价铁的存在减少了电子受体的竞争作用；其后污水经过砾石填料组成的分隔层14，分隔层14的作用主要作为两极之间的物理屏障，防止阴极的O₂向阳极扩散，同时可以过滤吸附去除少量污染物；最后污水进入导电性能良好的不锈钢网箱包裹的活性炭颗粒阴极层15，活性炭颗粒间的孔隙产生毛细作用，促进了O₂的扩散，不锈钢网箱包裹下的活性炭颗粒具有更高的比表面积不仅有利于微生物生长，还为O₂的还原提供更多的反应点位，产生更多的电能，同时此处有植物根系的净化作用和好氧微生物的生物降解作用，达到深度净化的目的，保证了出水水质。

实施例3

将本发明应用于江苏省某农村进行生活污水和农田废水的综合处理，设计处理水量20吨/天，其进水pH为7.4，COD为462 mg/L，SS为42 mg/L，NH₃-N为69.2 mg/L，TP为7.12mg/L。地下铺设250和200 mm的UPVC塑料排水管分别收集生活污水和农田废水，收集的污水排放进入调蓄池中，调蓄池设计为矩形埋于地下，其尺寸大小为长×宽×高= 6×4×1 m³，内置10-40 mm的中格栅，进行物理拦截。调蓄池的污水通过300 mm的UPVC管排放进入零价铁/厌氧微生物耦合系统，零价铁/厌氧微生物耦合系统反应器设计体积为24 m³，设计水力停留时间为12 h，在反应器的顶部和底部分别设置一块约15 cm厚的铁板床，在溢流板的中间位置固定直径约为30 cm的石墨棒作为阴极，经过零价铁和厌氧微生物协同处理后污水以及多余的污泥一起进入沉淀室，沉淀室底部开有直径20 cm的小孔，可以外接管道和提升泵定期清除剩余污泥。沉淀室的上端接有300 mm的UPVC管用于将经电场强化下零价铁/厌氧微生物耦合系统处理后的污水输送进入人工湿地/微生物燃料电池耦合系统的底部，人工湿地/微生物燃料电池耦合系统的从下向上依次为5-10 mm砾石层（约50 cm），2-5 mm活性炭颗粒阳极层（约80 cm），2-5 mm砾石分隔层 （约20 cm），不锈钢网箱包裹的1-3 mm活性炭颗粒阴极层（约50 cm）以及黏土层（约30 cm）。在黏土层种植水稻，空心菜等当季水生植物；在活性炭颗粒阴极层的中部设置出水溢流口；阳极层和阴极层的中间位置分别外接10mm粗细的钛导线与零价铁/厌氧微生物耦合系统的石墨电极和铁电极相连。整个人工湿地/微生物燃料电池耦合系统占地面积为80 m²，平面尺寸约为10 m×8 m。

经过整个耦合系统，包括调蓄池、电场强化下的零价铁/厌氧微生物耦合系统、人工湿地/微生物燃料电池耦合系统处理后的出水COD，NH₃-N，TP去除率分别为：94.29%，88.73%，86.52%。出水的pH为8.2，COD为26.4 mg/L，SS为14 mg/L，NH₃-N为7.8 mg/L，TP为0.96 mg/L。出水水质可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的一级A标准。

Claims (1)

1.一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，其特征在于包括调蓄池、零价铁/厌氧微生物耦合系统、人工湿地/微生物燃料电池耦合系统、格栅、灌区污水管道、溢流板、沉淀室；其中人工湿地/微生物燃料电池耦合系统包括人工湿地系统、微生物燃料电池系统；

该系统处理污水的方法包括如下步骤：

1）经灌区污水收集管道收集后的灌区污水首先进入内置格栅的调蓄池，过滤均质之后，由灌区污水管道输送进入零价铁/厌氧微生物耦合系统；

2）经零价铁/厌氧微生物耦合系统处理后的污水经过溢流板进入沉淀室，进行泥水分离，分离之后的污水，通过灌区污水管道进入人工湿地的底部，采用升流的进水方式，进入人工湿地系统；

3）在人工湿地系统进行深度净化的同时与微生物燃料电池系统进行耦合，外接电路收集所产生的电能，用于强化零价铁/厌氧微生物耦合系统；

所述的人工湿地/微生物燃料电池耦合系统从下至上顺序逐层填入碎小砾石形成砾石层，砾石层主要起到拦截悬浮性固体，提高污水中COD比例的作用；砾石层上面填入活性炭颗粒作为微生物燃料电池的活性炭颗粒阳极层，污水淹没活性炭颗粒阳极层，形成厌氧的环境，活性炭颗粒不但可以作为导电性能良好的阳极材料，同时其较高的比表面积可以吸附大量有机物，为微生物的生长提供良好条件，微生物在降解有机物的同时产生电子，通过阳极材料导出进入外电路；活性炭颗粒阳极层的上面填充廉价的砾石或者膨润土作为砾石分隔层，砾石分隔层作为两极之间的物理屏障，防止阴极的氧气向阳极扩散；砾石分隔层上方布设不锈钢网箱作为电流收集器，不锈钢网箱内部填充活性炭颗粒作为微生物燃料电池的阴极层，阴极层处于好氧环境，O₂在阴极层附近发生还原反应，阴极层的活性炭颗粒有如下作用：①为微生物生长提供载体，形成生物阴极更有利于产电；②活性炭颗粒间的孔隙产生毛细作用促进的O₂扩散；③活性炭为O₂的还原反应提供更多的点位；

所述的零价铁/厌氧微生物耦合系统采用厌氧污泥床反应器培养污泥，在厌氧污泥床反应器中布置一对铁板床阳极和石墨板阴极形成复合型的生物电化学反应器，铁板床阳极和石墨板阴极分别与微生物燃料电池的阳极层和阴极层相连接，从而形成电场强化的零价铁/厌氧微生物耦合系统，零价铁/厌氧微生物耦合系统集反应室和沉淀室于一体，便于泥水分离，节约空间；

所述的灌区污水包括灌区的生活污水和农田废水；

所述的调蓄池内置格栅过滤去除污水中的杂质，调蓄池体本身储存收集到的污水，同时起到调节均质的效果；

所述的阴极层上方覆土种植水生植物，水生植物有如下作用：①利用植物的吸附和微生物的降解深度净化污水，保证出水水质；②植物的根系为微生物的生长提供营养，有利于形成生物阴极；②植物的根系提升阴极附近的O₂含量，有利于产电；

所述的不锈钢网箱以φ12的钢筋作为其骨架，以不锈钢丝网作为其6个面，不锈钢网箱上方的不锈钢网面设置为可开启式，不锈钢丝网的孔径小于活性炭颗粒的直径；

所述的阳极活性炭颗粒，其特征在于：拥有较小的粒径大小，粗糙的表面，使其具有较高的比表面积和孔隙率，能够为微生物生长提供良好的介质条件，同时能够与其他层间的材料结合紧密提高产电量；

所述的阳极层和阴极层之间采用与其固定的钛丝导线作为导线导出电子，为零价铁/厌氧微生物耦合系统提供弱电场。