CN106927577A - 一种治理黑臭水体的生态净水装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种治理黑臭水体的生态净水装置及其方法，包括由上至下依次设置的电池反应装置、净化装置及出液装置，所述电池反应装置包括外部的阴极反应套管及设于阴极反应套管内的阳极反应套管，阴极反应套管与阳极反应套管之间的空间形成阴极反应室，阳极反应套管内的空间为阳极反应室，所述阳极反应套管上设有质子交换膜相隔，以实现阳极反应室与阴极反应室的质子传导，本发明构建的微生物燃料电池与过滤技术相结合，能够处理城市黑臭水，出水水质良好，实现水质净化功能；增加绿色植物，构建生态系统，既增强水质净化效能，又能营造景观，美化环境；装置所选用的藻类和绿色植物，将来可以作为生物质能的原料。
Description
技术领域
本发明涉及一种治理黑臭水体的生态净水装置及其方法。
背景技术
目前能源和环境问题亟待解决。煤、石油和天然气等石化燃料不可再生，随着石化燃料的进一步耗尽，能源短缺问题日益突出。与此同时，随着城镇化、工业化进程的快速推进，工业废水、生活污水和农业废水集中排入河道，过量有机物、植物营养物和有毒有害物进入部分天然水体中，大大超过了水体自净能力，最终使水体发黑发臭。城市黑臭水体已经成为一种严重的城市病，其破坏了城市景观环境，危害人类生活，每年需耗巨资进行处理。
水污染控制领域的热点之一是回收污水中的能源和物质，如将微生物产电原理应用到污水处理过程中。因此，以生物电化学为理论基础的微生物燃料电池技术因其具有净化污水并获取生物质能和电能的多重功能备受瞩目。微生物燃料电池是一种新型能源与环境治理相结合的技术，它利用厌氧或兼性微生物的催化作用，在氧化分解有机物的过程中将产生的电子转移至电极，实现化学能向电能转化的新技术，可以把未经处理的污水转变成干净用水和电源。近年来人们发现微生物燃料电池能够起到净化污水的作用，但目前人们还在寻找最适宜的生物、最适合的工作条件以达到出水水质最大化的效果。
发明内容
本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题是目前城市黑臭水体破坏了城市景观环境，危害人类生活，无法得到有效的处理和利用。
本发明的具体实施方案是：一种治理黑臭水体的生态净水装置,其特征在于，包括由上至下依次设置的电池反应装置、净化装置及出液装置，所述电池反应装置包括外部的阴极反应套管及设于阴极反应套管内的阳极反应套管，阴极反应套管与阳极反应套管之间的空间形成阴极反应室，阳极反应套管内的空间为阳极反应室，所述阳极反应套管上设有质子交换膜相隔，以实现阳极反应室与阴极反应室的质子传导，所述的阴极反应套管及阳极反应套管均设置于净化装置上。
进一步的，所述阳极反应套管上部设有用于向阳极反应室内送入污泥及污水的阳极进样管，所述阴极反应套管上方设有用于向阴极反应室内送入藻类植物的阴极进样管。
进一步的，过滤装置包括过壳体及设置于壳体内由上至下依次设置的聚乙烯醇无纺布、椰壳活性炭、亚硫酸钙、沸石层和微孔滤膜，所述出液装置为上端与微孔滤膜联通的出液管。
进一步的，所述阳极反应套管上部设有植物置放板，所述植物置放板中部具有对应阳极反应套管的通孔以实现植物根系伸入阳极反应套管内。
进一步的，其特征在于，所述阳极反应室底部面积为阴极反应室的1/2，质子交换膜占阳极反应套管面积的50 ~ 80%。
进一步的，所述阴极反应套管为透明有机玻璃。
本发明还包括以一种治理黑臭水体的生态净水方法，包括利用上述的一种治理黑臭水体的生态净水装置，其特征在于包括以下步骤：
（1）将城市内河黑臭水、厌氧污泥作为阳极底物由阳极进样管引入，以微藻液、藻类培养液作为阴极由阴极进样管引入，在阳极反应室及阴极反应室采用石墨板或碳纤维布作为电极材料，两个电极通过铜导线和可变电阻连接而成构建的微藻型微生物燃料电池；
（2）在阳极反应套管顶部添加绿色植物，辅助去除氮磷等植物营养物质，并能美化环境，绿色植物采用铁丝或塑料固定于顶部，采用无土栽培，利用植物根系的吸收氮和磷等，使黑臭水得到初步净化。
进一步的，所述阳极反应室所添加厌氧污泥初始沉降比约为20 ~ 50%，阴极所添加藻液初始密度约为（2.0~8.0）×105个/mL，外电路电阻为300 ~ 1000Ω。
进一步的，多层过滤装置填料椰壳活性炭、亚硫酸钙、沸石和微孔滤膜每层高约3~ 5 cm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1）本发明构建的微生物燃料电池与过滤技术相结合，能够处理城市黑臭水，出水水质良好，实现水质净化功能；增加绿色植物，构建生态系统，既增强水质净化效能，又能营造景观，美化环境；装置所选用的藻类和绿色植物，将来可以作为生物质能的原料，实现污水物质回收；装置采用外形呈圆柱状，可增大藻类的受光面积，提高藻类光合作用速率，进一步提高装置工作效率。
2）本发明既能消除水中污染物，又能发电，回收能源，美化环境，是解决改善黑臭水体水质新理念、新技术、新方法，具有广阔的应用前景。
3）本发明构建的微生物燃料电池将黑臭水中化学能转化为电能，产电能力具有很大的提升空间，待技术成熟，其产生的电量可用于城市供电，缓解城市用电紧张等问题。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明生态净水装置俯视状态结构示意图。
图3为本发明的微藻型微生物燃料电池生态净水装置开路电压随时间变化图。
图4为本发明的微藻型微生物燃料电池生态净水装置运行电压随电流密度变化图。
图5为本发明的微藻型微生物燃料电池生态净水装置COD降解效果图。
图6装置本装置发电净水效果数据表。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1～2所示，一种治理黑臭水体的生态净水装置，包括由上至下依次设置的电池反应装置、净化装置及出液装置，所述电池反应装置包括外部的阴极反应套管10及设于阴极反应套管10内的阳极反应套管20，阴极反应套管10与阳极反应套管20之间的空间形成阴极反应室110，阳极反应套管内的空间为阳极反应室210，所述阳极反应套管20上设有质子交换膜相隔30，以实现阳极反应室与阴极反应室的质子传导，所述的阴极反应套管及阳极反应套管均设置于净化装置上。质子交换膜相隔30能够嵌于阳极反应套管20，本实施例中，所述阳极反应室110底部面积为阴极反应室210的1/2，质子交换膜30占阳极反应套管20面积的50 ~ 80%。
所述阳极反应套管20上部设有用于向阳极反应室210内送入污泥及污水的阳极进样管220，所述阴极反应套管10上方设有用于向阴极反应室110内送入藻类植物的阴极进样管120。所述的阴极反应室110及阳极反应室210内均设有电极，使用时，以城市内河黑臭水、厌氧污泥作为阳极底物由阳极进样管220进入，以微藻液、藻类培养液作为阴极由阴极进样管120进入，石墨板或碳纤维布作为电极材料，两个电极通过铜导线和可变电阻连接而成构建的微藻型微生物燃料电池。
本实施例中，在阳极反应套管及阴极反应套管下方联通有过滤装置40，过滤装置40包括过壳体及设置于壳体内由上至下依次设置的聚乙烯醇无纺布、椰壳活性炭层、亚硫酸钙层、沸石层和微孔滤膜，所述出液装置为上端与微孔滤膜联通的出液管50。
本发明将电池与多层过滤装置相结合，提高出水水质。此外，所述阳极反应套管上部设有植物置放板，所述植物置放板中部具有对应阳极反应套管的通孔以实现植物根系伸入阳极反应套管内，通过在在阳极反应套管顶部添加绿色植物60，辅助去除氮磷等植物营养物质，并能美化环境，绿色植物采用铁丝或塑料固定于顶部，采用无土栽培，利用植物根系的吸收氮和磷等，使黑臭水得到初步净化。
本实施例中，所述阴极反应套管10为透明有机玻璃，透明有机玻璃能增大藻类受光面积，提高藻类光合作用效果。
工作时，阳极反应室210中的厌氧微生物在污水中降解有机物，代谢分解后产生CO2和H+，H+通过质子交换膜30传递至阴极，电子通过导线（外电路）传递至阴极，二者与阴极藻类光合作用产生的O2发生阴极反应。待装置净化水体后，净化后的水体通过过滤装置40，由出液管50。
该微生物燃料电池的工作原理为阳极厌氧污泥在降解黑臭水中的有机物的同时产生电子，电子通过导线传输到阴极。具体反应式为：
阴极：6O2+24e-+24H+→12H2O；
阳极：C6H12O6+6H2O→6CO2+24e-+24H+；
阳极厌氧污泥在吸附降解黑臭水中的有机物的同时产生电子，电子通过导线传输到阴极，阴极中的藻类光合作用产生氧气，氧气接受电子产生水。
阳极所添加厌氧污泥初始沉降比约为20 ~ 50%。
阴极所添加藻液初始密度为（2.0~8.0）×105个/mL。
外电路电阻为300 ~ 1000Ω。
多层过滤装置填料从上到下为聚乙烯醇无纺布、椰壳活性炭、亚硫酸钙、沸石和微孔滤膜，其中除聚乙烯醇无纺布外其余填料每层高约3 ~ 5 cm。
在外电路的电压降到50mV时，完成污水的处理，同时完成一个产电周期。
以下实施例仅以说明本发明的技术方案而非限制。
实施例1
阳极为取自某内河的黑臭水2000mL，厌氧污泥300mL，沉降比约为30%。充分混合后，放入碳布作为电极材料。阴极为1000mL藻溶液，藻密度为5.0×105个/mL。铜导线与碳布相连，碳布规格为30mm×20mm，试验在室温中进行，如图3～6所示，微生物燃料电池运行稳定，电压可以超过数百毫伏，效果如图6表所示。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (9)
1.一种治理黑臭水体的生态净水装置,其特征在于，包括由上至下依次设置的电池反应装置、净化装置及出液装置，所述电池反应装置包括外部的阴极反应套管及设于阴极反应套管内的阳极反应套管，阴极反应套管与阳极反应套管之间的空间形成阴极反应室，阳极反应套管内的空间为阳极反应室，所述阳极反应套管上设有质子交换膜相隔，以实现阳极反应室与阴极反应室的质子传导，所述的阴极反应套管及阳极反应套管均设置于净化装置上。
2.根据权利要求1所述的一种治理黑臭水体的生态净水装置，其特征在于，所述阳极反应套管上部设有用于向阳极反应室内送入污泥及污水的阳极进样管，所述阴极反应套管上方设有用于向阴极反应室内送入藻类植物的阴极进样管。
3.根据权利要求2所述的一种治理黑臭水体的生态净水装置，其特征在于，过滤装置包括过壳体及设置于壳体内的多层过滤装置填料，多层过滤装置填自上而下分别为聚乙烯醇无纺布、椰壳活性炭、亚硫酸钙、沸石和微孔滤膜，所述出液装置为上端与微孔滤膜联通的出液管。
4.根据权利要求3所述的一种治理黑臭水体的生态净水装置，其特征在于，所述阳极反应套管上部设有植物置放板，所述植物置放板中部具有对应阳极反应套管的通孔以实现植物根系伸入阳极反应套管内。
5.根据权利要求1所述的一种治理黑臭水体的生态净水装置，其特征在于，所述阳极反应室底部面积为阴极反应室的1/2，质子交换膜占阳极反应套管面积的50 ~ 80%。
6.根据权利要求1所述的一种治理黑臭水体的生态净水装置，其特征在于，所述阴极反应套管为透明有机玻璃。
7.一种治理黑臭水体的生态净水方法，其特征在于，包括利用入权利要求3所述的一种治理黑臭水体的生态净水装置，其特征在于包括以下步骤：
（1）将城市内河黑臭水、厌氧污泥作为阳极底物由阳极进样管引入，以微藻液、藻类培养液作为阴极由阴极进样管引入，在阳极反应室及阴极反应室采用石墨板或碳纤维布作为电极材料，两个电极通过铜导线和可变电阻连接而成构建的微藻型微生物燃料电池；
（2）在阳极反应套管顶部添加绿色植物，辅助去除氮磷等植物营养物质，并能美化环境，绿色植物采用铁丝或塑料固定于顶部，采用无土栽培，利用植物根系的吸收氮和磷等，使黑臭水得到初步净化。
8.根据权利要求7所述的一种一种治理黑臭水体的生态净水方法，其特征在于，所述阳极反应室所添加厌氧污泥初始沉降比约为20 ~ 50%，阴极所添加藻液初始密度约为（2.0~8.0）×105个/mL，外电路电阻为300 ~ 1000Ω。
9.根据权利要求7所述的一种一种治理黑臭水体的生态净水方法，其特征在于，多层过滤装置填料椰壳活性炭、亚硫酸钙、沸石和微孔滤膜每层高约3 ~ 5 cm。
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