CN106745772B - 排阵型微生物燃料电池人工湿地污水处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种排阵型微生物燃料电池人工湿地污水处理系统,包括由若干个小型湿地微生物燃料电池组成的排阵型微生物燃料电池人工湿地主体区,小型湿地微生物燃料电池通过阵列方式布置,每排电池并联组成一个微生物燃料电池组,各个电池组采用依次串联的方式与集电储能装置连接;在排阵型微生物燃料电池型人工湿地主体区的两侧设置布水区和集水区,将排阵型微生物燃料电池人工湿地主体区分成至少两个流路区域,每个流路区域含有一条污水处理流路,污水处理流路依次通过流路区域内的各个小型湿地微生物燃料电池。与传统人工湿地相比,排阵型微生物燃料电池型人工湿地对污水的处理效果更好,输出电压大幅增加,处理效率通过多级处理大幅提高。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理与绿色能源领域,具体涉及一种污水处理并用于对外供电的排阵型微生物燃料电池人工湿地污水处理系统。
背景技术
微生物燃料电池(Microbial fuel cells,简称MFC)是一种利用产电微生物将有机物的化学能转化为电能的新兴技术。微生物在低电势的阳极催化有机物分解,产生电子和质子,电子通过外电路到达高电势阴极并与最终的电子受体(通常为O2)和来自阳极的质子相结合,实现污染物降解并同时回收电能。
人工湿地(CW)通过物理、化学及微生物三重协同作用实现污水的净化,同时是一种处理效果较好、投资节省、具有景观功能的生态污水处理技术,并已经广泛应用于市政及工农业废水的处理。但是其由于水力停留时间长、占地面积大同时由于处理污水负荷相对较低而受到一定的限制。
研究发现,通过调整人工湿地的流态和湿地的深度可以获得微生物燃料电池所需要的氧化还原梯度从而将两者结合构建微生物燃料电池型人工湿地(MFC-CW),可以充分将两种污水处理技术的优势相结合。但传统的微生物燃料电池型人工湿地都存在内阻较大,输出电压和功率较低的问题,从而限制了其实际应用。
发明内容
发明目的:本发明提供了一种排阵型微生物燃料电池人工湿地污水处理系统,可解决传统的微生物燃料电池型人工湿地存在内阻较大,输出电压和功率较低的问题。
为了实现上述目的,本发明采用了如下的技术方案:一种排阵型微生物燃料电池人工湿地污水处理系统,包括污水收集装置、布水区、排阵型微生物燃料电池人工湿地主体区、集水区以及集电储能装置;
所述排阵型微生物燃料电池型人工湿地主体区包括若干个相对独立的小型湿地微生物燃料电池,将所有小型湿地微生物燃料电池通过阵列方式布置成x排y列,x为正偶数,y为正整数,每排小型湿地微生物燃料电池均通过并联的方式组成一个微生物燃料电池组,各个微生物燃料电池组采用依次串联的方式与集电储能装置连接;
在排阵型微生物燃料电池型人工湿地主体区的一侧设置布水区,布水区填充有滤料一,污水收集装置连通布水区,在排阵型微生物燃料电池型人工湿地主体区的另一侧设置集水区,集水区填充有滤料二,最终排放管路连通集水区;
将排阵型微生物燃料电池人工湿地主体区分成至少两个流路区域,每个流路区域含有一条污水处理流路,污水处理流路依次通过流路区域内的各个小型湿地微生物燃料电池;
所述布水区与排阵型微生物燃料电池人工湿地主体区之间设置第一隔板,第一隔板上设置进水孔,集水区与排阵型微生物燃料电池人工湿地主体区之间设置第二隔板,第二隔板上设置出水孔,进水孔、出水孔与污水处理流路的数量相同,并且一一对应,污水处理流路的一端与进水口连通,污水处理流路的另一端与出水口连通,同一污水处理流路上相邻两个小型湿地微生物燃料电池之间均设有集水槽,集水槽上设置导水孔。
进一步的,2≤x≤6,2≤y≤4。
进一步的,每个小型湿地微生物燃料电池包括从下到上依次设置的防渗层、承托层、阳极填料层、承托层、阴极填料层、湿地植物层,阳极填料层与阴极填料层通过导线接入电路中;第一隔板的进水孔设置在与阳极填料层相对应的位置,第二隔板的出水孔设置在与阴极填料层相对应的位置,集水槽的导水孔分别设置在与阳极填料层、阴极填料层相对应的位置。
进一步的,所述集水区通过回流管路连通布水区,回流管上设置有流量调节阀,流量调节阀可以根据进水水质的变化灵活调节回流量。
进一步的,所述防渗层为高密度聚乙烯膜,所述承托层为黄沙;所述阳极填料层和阴极填料层均填充有活性碳;所述湿地植物层种植有水雍菜和水芹菜。
进一步的,所述阳极填料层和阴极填料层的活性碳粒径在10~20mm之间;所述黄沙粒径在0.5~3mm之间;所述湿地植物层的植物种植密度在25~30株/m2之间。
进一步的,所述滤料一为鹅卵石和砾石,所述滤料二为石英砂和活性碳。
进一步的,所述鹅卵石和砾石的粒径在20~30mm之间;所述石英砂和活性碳的填充比例为1:1。
本发明具有如下的优点及效益:
(1)与传统的人工湿地相比,排阵型微生物燃料电池型人工湿地对污水的处理效果更好,输出电压大幅增加,处理效率通过多级处理大幅提高;
(2)通过布水区和集水区的设计可以更好地增加系统的处理效果,并且减少了进水水质的波动,同时由于布水区中填充滤料作用可以有效去除水体中的大颗粒悬浮物质,有效减少了排阵型人工湿地的堵塞;
(3)回流管路的设置可以灵活方便的调节进水有机物浓度,当进水有机物浓度变高时增大回流用以稀释进水,当进水有机物浓度低时减少回流;
(4)排阵型微生物燃料电池人工湿地,微生物燃料电池阵列布置情况可以根据进水有机物浓度灵活设置,方便实用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2为排阵型微生物燃料电池人工湿地主体区的进水流向示意图;
图3为排阵型微生物燃料电池人工湿地主体区的电路连接示意图
图4为排阵型微生物燃料电池人工湿地主体区的进水孔、出水孔以及导水孔的布置示意图。
图中:1-污水管道,2-集水箱,3-进水调节阀,4-流量计,5-布水区,6-滤料一,7-防渗层,8-阳极填料层,9-承托层,10-阴极填料层,11-湿地植物层,12-集水区,13-滤料二,14-排放管路,15-第一隔板,16-进水口,17-第二隔板,18-出水口,19-集水槽,20-导水孔,21-回流管路,22-回水调节阀,23-集电储能装置。
S1-第一流路区域,L1-第一污水处理流路,S2-第二流路区域,L2-第二污水处理流路。
具体实施方式:
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示,本发明的一种排阵型微生物燃料电池人工湿地污水处理系统,包括污水收集装置、布水区5、排阵型微生物燃料电池人工湿地主体区、集水区12以及集电储能装置。
所述排阵型微生物燃料电池型人工湿地主体区包括若干个相对独立的小型湿地微生物燃料电池。每个小型湿地微生物燃料电池包括从下到上依次设置的防渗层、承托层、阳极填料层、承托层、阴极填料层、湿地植物层。所述防渗层为高密度聚乙烯膜;所述阳极填料层和阴极填料层均填充有活性碳,活性碳粒径在10~20mm之间;所述承托层为黄沙,黄沙粒径在0.5mm~3mm之间;所述湿地植物层种植有水雍菜和水芹菜,植物种植密度在25~30株/m2之间。阳极填料层与阴极填料层通过外部铜导线接入电路中并进行绝缘处理,阳极填料层作为小型湿地微生物燃料电池正极,阴极填料层作为小型湿地微生物燃料电池负极。
将所有小型湿地微生物燃料电池通过阵列方式布置成x排y列,x为正偶数,y为正整数,优选的,2≤x≤6,2≤y≤4。每排小型湿地微生物燃料电池均通过并联的方式组成一个微生物燃料电池组,各个微生物燃料电池组通过依次串联的方式与集电储能装置连接。所述集电储能装置选用电容器的额定电压为2.5V,容量为10F。污水中有机物在阳极填料层降解过程中产生的电子通过外导线达到阴极填料层区产生电流,再通过导线与所述电能储存装置相连为其充电。
如图2和3所示,本实施例中,排阵型微生物燃料电池型人工湿地主体区包括二十四个小型湿地微生物燃料电池A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3、C4、D1、D2、D3、D4、E1、E2、E3、E4、F1、F2、F3、F4,所有小型湿地微生物燃料电池通过阵列方式布置成六排四列,小型湿地微生物燃料电池A1~A4的正、负极分别并联组成微生物燃料电池组A,小型湿地微生物燃料电池B1~B4的正、负极分别并联组成微生物燃料电池组B,小型湿地微生物燃料电池C1~C4的正、负极分别并联组成微生物燃料电池组C,小型湿地微生物燃料电池D1~D4的正、负极分别并联组成微生物燃料电池组D,小型湿地微生物燃料电池E1~E4的正、负极分别并联组成微生物燃料电池组E,小型湿地微生物燃料电池F1~F4的正、负极分别并联组成微生物燃料电池组F,微生物燃料电池组A正极连接集电储能装置电容器负极,微生物燃料电池组A负极连接微生物燃料电池组C正极,微生物燃料电池组C负极连接微生物燃料电池组E正极,微生物燃料电池组E负极连接微生物燃料电池组F正极,微生物燃料电池组F负极连接微生物燃料电池组D正极,微生物燃料电池组D负极连接微生物燃料电池组B正极,微生物燃料电池组B负极连接集电储能装置电容器正极。通过将同排小型湿地微生物燃料电池并联形成电池组,非同排电池组之间依次串接,可以增大排阵型微生物燃料电池人工湿地主体区的输出电压,并防止短路。排阵型微生物燃料电池人工湿地主体区设计进水水力停留时间为24-36h。
在排阵型微生物燃料电池型人工湿地主体区靠近排头的一侧设置布水区,布水区填充有滤料一6,所述滤料一6为鹅卵石和砾石,粒径在20~30mm之间,滤料一一方面过滤进水中大颗粒悬浮物,另一方面起到均匀布水的作用。
污水收集装置包括DN100的污水管道1,污水管道1通过进水调节阀3进入集水箱2,集水箱中2储存的污水沿进水管道通入布水区,进水管道安装有流量计4,用于检测进水流量。
在排阵型微生物燃料电池型人工湿地主体区靠近排尾的另一侧设置集水区,集水区填充有滤料二16,所述滤料二16为石英砂和活性碳,所述石英砂和活性碳的填充比例为1:1,出水通过集水区进一步过滤,对出水进行深层净化。
排放管路连通集水区,流出集水区的水达标排放。
另外,所述集水区12通过回流管路21连通布水区5,将出水回流至布水区。回流管路21上设有回水调节阀22,可以灵活调节回流流量的大小,当进水有机物浓度高时适当增大回流,进水有机物浓度低较低时减小回流,从而使进水有机物含量保持稳定。最终出水通过14达标排放。
将排阵型微生物燃料电池人工湿地主体区分成至少两个流路区域,每个流路区域含有一条污水处理流路,污水处理流路依次通过流路区域内的各个小型湿地微生物燃料电池。
如图1、2和4所示,所述布水区与排阵型微生物燃料电池人工湿地主体区之间设置第一隔板,第一隔板上与阳极填料层相对应的位置设置进水孔,集水区与排阵型微生物燃料电池人工湿地主体区之间设置第二隔板,第二隔板上与阴极填料层相对应的位置设置出水孔,进水孔、出水孔与污水处理流路的数量相同,并且一一对应,污水处理流路的一端与进水口连通,污水处理流路的另一端与出水口连通,同一污水处理流路上相邻两个小型湿地微生物燃料电池之间均设有集水槽,集水槽上与阳极填料层、阴极填料层相对应的位置分别设置导水孔。
如图2所示,本实施例中,将排阵型微生物燃料电池人工湿地主体区分成第一流路区域和第二流路区域,小型湿地微生物燃料电池A1、A2、A3、A4、B4、B3、B2、B1、C1、C2、C3、C4位于第一流路区域,小型湿地微生物燃料电池F1、F2、F3、F4、E4、E3、E2、E1、D1、D2、D3、D4位于第二流路区域,第一流路区域含有第一污水处理流路,第一污水处理流路依次通过第一流路区域内的小型湿地微生物燃料电池A1、A2、A3、A4、B4、B3、B2、B1、C1、C2、C3、C4,第二流路区域含有第二污水处理流路,第二污水处理流路依次通过第二流路区域内的小型湿地微生物燃料电池F1、F2、F3、F4、E4、E3、E2、E1、D1、D2、D3、D4。在第一隔板与小型湿地微生物燃料电池A1、F1阳极填料层相对应的位置分别设有一个进水孔,在第二隔板与小型湿地微生物燃料电池C4、D4阴极填料层相对应的位置分别设有一个出水孔,在第一污水处理流路上,小型湿地微生物燃料电池A1与A2、A2与A3、A3与A4、A4与B4、B4与B3、B3与B2、B2与B1、B1与C1、C1与C2、C2与C3、C3与C4之间均设有集水槽,在第二污水处理流路上,小型湿地微生物燃料电池F1与F2、F2与F3、F3与F4、F4与E4、E4与E3、E3与E2、E2与E1、E1与D1、D1与D2、D2与D3、D3与D4之间均设有集水槽。这样,污水进入排阵型微生物燃料电池人工湿地主体区后,分组两股水流,分别沿图2中所示两条污水处理流路依次流经小型湿地微生物燃料电池。
系统工作时,打开进水调节阀,污水通过污水管道进入集水箱,集水箱中的污水依靠重力作用自流进入布水区,通过流量计的读数确定污水流量的变化,通过调节污水管道上进水调节阀的开度调节污水流量的大小;污水中大颗粒悬浮物质以及一些不溶性的COD通过布水区的滤料一的过滤吸附作用沉淀下来,然后通过进水口进入排阵型微生物燃料电池型人工湿地主体区,水流进入后分别沿图2中箭头所示路径依次流经小型湿地微生物燃料电池进行降解处理,有机物在降解的过程中同步产生电能,然后通过导线为所述电能储存装置进行充电,从而实现能源的循环利用,实现污水的高效资源化利用,处理后净水通过出水口进入集水区;集水区填料二对出水起到深层净化的作用;集水区的上层净化水通过排放管路达标排放,下层污水通过回流管路回流至布水区。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种排阵型微生物燃料电池人工湿地污水处理系统,其特征在于:包括污水收集装置、布水区、排阵型微生物燃料电池人工湿地主体区、集水区以及集电储能装置;
所述排阵型微生物燃料电池型人工湿地主体区包括若干个相对独立的小型湿地微生物燃料电池,每个小型湿地微生物燃料电池包括从下到上依次设置的防渗层、承托层、阳极填料层、承托层、阴极填料层、湿地植物层,阳极填料层与阴极填料层通过导线接入电路中,将所有小型湿地微生物燃料电池通过阵列方式布置成x 排y列,x为正偶数,y为正整数,每排小型湿地微生物燃料电池均通过并联的方式组成一个微生物燃料电池组,各个微生物燃料电池组采用依次串联的方式与集电储能装置连接;
在排阵型微生物燃料电池型人工湿地主体区的一侧设置布水区,布水区填充有滤料一,污水收集装置连通布水区,在排阵型微生物燃料电池型人工湿地主体区的另一侧设置集水区,集水区填充有滤料二,排放管路连通集水区;
将排阵型微生物燃料电池人工湿地主体区分成至少两个流路区域,每个流路区域含有一条污水处理流路,污水处理流路依次通过流路区域内的各个小型湿地微生物燃料电池;
所述布水区与排阵型微生物燃料电池人工湿地主体区之间设置第一隔板,第一隔板上设置进水孔,集水区与排阵型微生物燃料电池人工湿地主体区之间设置第二隔板,第二隔板上设置出水孔,进水孔、出水孔与污水处理流路的数量相同,并且一一对应,污水处理流路的一端与进水口连通,污水处理流路的另一端与出水口连通,同一污水处理流路上相邻两个小型湿地微生物燃料电池之间均设有集水槽,集水槽上设置导水孔,第一隔板的进水孔设置在与阳极填料层相对应的位置,第二隔板的出水孔设置在与阴极填料层相对应的位置,集水槽的导水孔分别设置在与阳极填料层、阴极填料层相对应的位置。
2.根据权利要求1所述的一种排阵型微生物燃料电池人工湿地污水处理系统,其特征在于:2≤x≤6,2≤y≤4。
3.根据权利要求2所述的一种排阵型微生物燃料电池人工湿地污水处理系统,其特征在于:所述集水区通过回流管路连通布水区,回流管上设置有流量调节阀,流量调节阀根据进水水质的变化灵活调节回流量。
4.根据权利要求3所述的一种排阵型微生物燃料电池人工湿地污水处理系统,其特征在于:所述防渗层为高密度聚乙烯膜,所述承托层为黄沙;所述阳极填料层和阴极填料层均填充有活性碳;所述湿地植物层种植有水雍菜和水芹菜。
5.根据权利要求4所述的一种排阵型微生物燃料电池人工湿地污水处理系统,其特征在于:所述阳极填料层和阴极填料层的活性碳粒径在10~20mm之间;所述黄沙粒径在0.5~3mm之间;所述湿地植物层的植物种植密度在25~30株/m2之间。
6.根据权利要求3所述的一种排阵型微生物燃料电池人工湿地污水处理系统,其特征在于:所述滤料一为鹅卵石和砾石,所述滤料二为石英砂和活性碳。
7.根据权利要求6所述的一种排阵型微生物燃料电池人工湿地污水处理系统,其特征在于:所述鹅卵石和砾石的粒径在20~30mm之间;所述石英砂和活性碳的填充比例为1:1。
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