CN107265649A - 原电池型人工湿地串联电解池型人工湿地装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种原电池型人工湿地串联电解池型人工湿地装置，包括产电型人工湿地和生物膜电极反应器耦合人工湿地系统，人工湿地的多介质滤床上层种植挺水植物，产电型人工湿地的多介质滤床的下层厌氧区布置阳极电极材料且上层好氧区布置阴极电极材料，产电型人工湿地的下层厌氧区作为阳极室由微生物氧化有机物产生电子和质子，产电型人工湿地的上层好氧区作为阴极室由植物及空气供氧，由于产电型人工湿地的阴/阳极室氧化还原电位的不同形成电压，产生电压的阳极和阴极分别与生物膜电极反应器耦合人工湿地系统的负极和正极连接，从而为生物膜电极反应器耦合人工湿地系统提供微电压以增强人工湿地的硝化和反硝化作用。

Description

原电池型人工湿地串联电解池型人工湿地装置
技术领域
本发明涉及人工湿地水处理技术领域，尤其涉及一种原电池型人工湿地串联电解池型人工湿地装置。
背景技术
目前，人工湿地作为一种低成本、低能耗的水处理技术得到人们的广泛关注，人工湿地由挺水植物、多介质滤床和微生物群落通过物理、化学和生物的协同作用达到去除水中污染物的目的。同时，人工湿地与微生物燃料电池耦合系统也因其具有有机质能源回收再利用的效果而得到学者的研究，然而，人工湿地与微生物燃料电池耦合系统所形成的微弱的电压有效利用途径却很少得到关注。此外，生物膜电极反应器以其能提供微电场而提高反硝化的效率也得到了学者们的认可。
发明内容
本发明构想的目的是通过产电型人工湿地为生物膜电极反应器耦合人工湿地装置提供电压以强化整个湿地的脱氮作用。
根据本发明的一种原电池型人工湿地串联电解池型人工湿地装置，包括产电型人工湿地和生物膜电极反应器耦合人工湿地系统，人工湿地的多介质滤床上层种植挺水植物，所述产电型人工湿地的多介质滤床的下层厌氧区布置阳极电极材料且上层好氧区布置阴极电极材料，所述产电型人工湿地的下层厌氧区作为阳极室由微生物氧化有机物产生电子和质子，所述产电型人工湿地的上层好氧区作为阴极室由植物及空气供氧，由于所述产电型人工湿地的阴/阳极室氧化还原电位的不同形成电压，产生电压的阳极和阴极分别与所述生物膜电极反应器耦合人工湿地系统的负极和正极连接，从而为所述生物膜电极反应器耦合人工湿地系统提供微电压以增强人工湿地的硝化和反硝化作用。本发明可将产电型湿地产生的电能参与到生物膜电极反应器耦合人工湿地构成微电场，增强湿地硝化和反硝化反应，提高其脱氮效率，具有处理效果好，节约能源的优点。
优选地，所述人工湿地的多介质滤床下方布置承托层填料，所述承托层填料中布置有输水管道，所述产电型人工湿地的所纳污水由污水泵经所述输水管道沿下层流入所述产电型人工湿地，附着在所述阳极电极材料的产电活跃菌氧化污水中的有机物产生电子和质子，由于阴/阳极室氧化还原电位的不同形成电压，通过电阻箱调整电路电压，并与所述生物膜电极反应器耦合人工湿地系统的负极和正极连接，从而为所述生物膜电极反应器耦合人工湿地系统提供微电压以增强人工湿地的硝化和反硝化作用。
优选地，污水进入所述产电型人工湿地时，有机污染物在下层被产电活跃菌氧化后产生电子，NH4 +可作为电子供体进行硝化作用，同时电子也可通过外电路传递至上层，给NO2 -、NO3 -等提供电子，增强反硝化，而未被产电型人工湿地完成脱氮的NO2 -、NO3 -在所述生物膜电极反应器耦合人工湿地系统给微电场提供电子，并提升自养反硝化菌的数量，进一步增强反硝化作用，最终减少湿地出水中氮的含量。
优选地，所述生物膜电极反应器耦合人工湿地系统由所述产电型人工湿地加载的直流电的负极和正极分别与相应的电极材料相连，其中负极材料为石墨毡，为氮的反硝化提供电子，正极材料采用碳棒，被氧化生成二氧化碳形成调节污水pH的缓冲剂。
优选地，所述生物膜电极反应器耦合人工湿地系统的电极材料及导线连接构成微电场，提供的电子可供负极周围水体中含有的金属离子的还原而附着在负极材料上，从而增加水体中金属离子的去除。
优选地，所述生物膜电极反应器耦合人工湿地系统的电极材料及导线连接所构成微电场的电流控制在10-20mA，可根据实际情况对产电型人工湿地进行串联，通过调节电阻箱形成合适电压。
优选地，所述挺水植物由芦苇10-20株/m2或美人蕉3-4株/m2布置而成。
优选地，所述承托层填料由粒径约9～15mm的砾石填料或其它有类似功能滤料组成。
优选地，所述多介质滤床由粒径5～8mm的砾石填料或其它有类似功能滤料组成。
本发明通过建立产电型人工湿地，污水泵经输水管道流入产电型人工湿地，附着在阳极电极材料的产电活跃菌氧化污水中的有机物产生电子和质子，由于阴/阳极室氧化还原电位的不同形成电压，通过电阻箱调整电路电压，并和生物膜电极反应器耦合人工湿地系统的负、正极连接，从而为生物膜电极反应器耦合人工湿地系统提供微电压以增强人工湿地的硝化和反硝化作用。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：人工湿地的多介质滤床上层种植挺水植物，产电型人工湿地上、下两层分别布置电极材料，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)由植物及空气供氧，由于阴/阳极室氧化还原电位的不同形成电压；产生的电压的阳、阴极分别和生物膜电极反应器耦合人工湿地系统的负、正极连接，从而为生物膜电极反应器耦合人工湿地系统提供微电压以增强人工湿地的硝化和反硝化作用。
附图说明
在下文中将参照附图更完全地描述本发明的一些示例实施例；然而，本发明可以以不同的形式体现，不应当被认为限于本文所提出的实施例。相反，附图与说明书一起例示本发明的一些示例实施例，并用于解释本发明的原理和方面。
在图中，为了例示清楚，尺寸可能被夸大。贯穿全文，相同的附图标记指代相同的元件。
图1是根据本发明的原电池型人工湿地串联电解池型人工湿地装置的结构示意图。
图2是根据本发明的原电池型人工湿地串联电解池型人工湿地装置的俯视结构示意图。
图3是根据本发明的生物膜电极反应器耦合人工湿地系统中负极材料(石墨毡)的示意图。
其中：1、集水池；2、蝶阀；3、污水泵；4、输水管道；5、承托层填料；6、多介质滤床；7、产电型人工湿地；8、阳极电极材料；9、挺水植物(湿地植物)；10、阴极电极材料；11、导线；12、负极；13、正极；14、电阻箱；15、负极材料(石墨毡)；16、正极材料(碳棒)；17、生物膜电极反应器耦合人工湿地系统；18、布水喷头；19、石墨毡；20、聚氯乙烯罩。
具体实施方式
在下面的详细描述中，本发明的某些示例性实施例简单地通过例示的方式被示出和描述。如本领域技术人员将认识到的那样，所描述的实施例可以以各种不同的方式修改，所有这些都不脱离本发明的精神或范围。因此，图和描述将被视为在本质上是例示性的，而不是限制性的。
下文中，为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图，更详细地描述根据本发明的原电池型人工湿地串联电解池型人工湿地装置。
如图1及2所示，本发明提供了一种高效反硝化的产电型人工湿地串联生物膜电极反应器耦合人工湿地装置，包括产电型人工湿地7和生物膜电极反应器耦合人工湿地系统17，人工湿地7和17的多介质滤床6上层种植挺水植物9。挺水植物9由芦苇10-20株/m2或美人蕉3-4株/m2布置而成。产电型人工湿地7的多介质滤床6的下层布置阳极电极材料8且上层布置阴极电极材料10，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)由植物及空气供氧，由于阴/阳极室氧化还原电位的不同形成电压；产生的电压的阳极和阴极分别和生物膜电极反应器耦合人工湿地系统17的负极12和正极13连接，从而为该生物膜电极反应器耦合人工湿地系统耦合系统17提供微电压以增强人工湿地的硝化和反硝化作用。本发明可将产电型湿地产生的电能参与到生物膜电极反应器耦合人工湿地构成微电场，增强湿地硝化和反硝化反应，提高其脱氮效率，具有处理效果好，节约能源的优点。
如图1所示，产电型人工湿地7和生物膜电极反应器耦合人工湿地系统17的多介质滤床6下方布置承托层填料5，承托层填料5中布置有输水管道4。承托层填料5可由粒径约9～15mm的砾石填料或其它有类似功能滤料组成。多介质滤床6可由粒径5～8mm的砾石填料或其它有类似功能滤料组成。如图1、2及3所示，产电型人工湿地7的所纳污水由污水泵3经输水管道4沿湿地下层流入产电型人工湿地7，附着在阳极电极材料8的产电活跃菌氧化污水中的有机物产电生电子和质子，由于阴/阳极室氧化还原电位的不同形成电压，通过电阻箱14调整电路电压，并和生物膜电极反应器耦合人工湿地系统17的负极12、和正极13极连接，从而为该生物膜电极反应器耦合人工湿地系统耦合系统17提供微电压以增强人工湿地的硝化和反硝化作用。
如图1所示，污水进入产电型人工湿地7时，有机污染物在下层被产电活跃菌氧化后产生电子，NH4 +可作为电子供体进行硝化作用，同时电子也可通过外电路传递至上层，给NO2 -、NO3 -等提供电子，增强反硝化，而未被产电型人工湿地7完成脱氮的NO2 -、NO3 -在生物膜电极反应器耦合人工湿地系统17给微电场提供电子，并提升自养反硝化菌的数量进一步增强反硝化作用，最终减少湿地出水中氮的含量。
所述生物膜电极反应器耦合人工湿地系统17由产电型人工湿地7加载的直流电的阳极、阴极负极12和正极13分别与相应的电极材料15和16相连，其中负极材料(石墨毡)15可为氮的反硝化提供电子，正极材料(碳棒)16可被氧化生成二氧化碳形成调节污水pH的缓冲剂。
生物膜电极反应器耦合人工湿地系统17的电极材料15、16及导线11连接构成微电场，提供的电子可供负极周围水体中含有的金属离子的还原而附着在负极材料15上，从而增加水体中金属离子的去除。
生物膜电极反应器耦合人工湿地系统17的电极材料及导线连接构成微电场的电流需要控制在10-20mA，可根据实际情况对产电型人工湿地7进行串联，并调节电阻箱14形成合适电压。
使用时，人工湿地的多介质滤床上层种植挺水植物9，产电型人工湿地7上、下两层分别布置电极材料8和10，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)由植物及空气供氧，由于阴/阳极室氧化还原电位的不同形成电压；产生的电压的阳、阴极分别和生物膜电极反应器耦合人工湿地系统17的负12、正13极连接，从而为该生物膜电极反应器耦合人工湿地系统耦合系统17提供微电压以增强人工湿地的硝化和反硝化作用。

Claims (6)

1.一种原电池型人工湿地串联电解池型人工湿地装置，包括产电型人工湿地(7)和生物膜电极反应器耦合人工湿地系统(17)，人工湿地(7，17)的多介质滤床(6)上层种植挺水植物(9)，所述产电型人工湿地(7)的多介质滤床(6)的下层厌氧区布置阳极电极材料(8)且上层好氧区布置阴极电极材料(10)，所述产电型人工湿地(7)的下层厌氧区作为阳极室由微生物氧化有机物产生电子和质子，所述产电型人工湿地(7)的上层好氧区作为阴极室由植物及空气供氧，由于所述产电型人工湿地(7)的阴/阳极室氧化还原电位的不同形成电压，产生电压的阳极和阴极分别与所述生物膜电极反应器耦合人工湿地系统(17)的负极(12)和正极(13)连接，从而为所述生物膜电极反应器耦合人工湿地系统(17)提供微电压以增强人工湿地的硝化和反硝化作用。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述人工湿地(7，17)的多介质滤床(6)下方布置承托层填料(5)，所述承托层填料(5)中布置有输水管道(4)，所述产电型人工湿地(7)的所纳污水由污水泵(3)经所述输水管道(4)沿下层流入所述产电型人工湿地(7)，附着在所述阳极电极材料(8)的产电活跃菌氧化污水中的有机物产电生电子和质子，由于阴/阳极室氧化还原电位的不同形成电压，通过电阻箱(14)调整电路电压，并与所述生物膜电极反应器耦合人工湿地系统(17)的负极(12)和正极(13)连接，从而为所述生物膜电极反应器耦合人工湿地系统(17)提供微电压以增强人工湿地的硝化和反硝化作用。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：污水进入所述产电型人工湿地(7)时，有机污染物在下层被产电活跃菌氧化后产生电子，NH4 +作为电子供体进行硝化作用，同时电子还通过外电路传递至上层，给NO2 -、NO3 -等提供电子，增强反硝化，而未被产电型人工湿地(7)完成脱氮的NO2 -、NO3 -在所述生物膜电极反应器耦合人工湿地系统(17)给微电场提供电子，并提升自养反硝化菌的数量，进一步增强反硝化作用，最终减少湿地出水中氮的含量。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述生物膜电极反应器耦合人工湿地系统(17)由所述产电型人工湿地(7)加载的直流电的负极(12)和正极(13)分别与相应的电极材料(15，16)相连，其中负极材料(15)为石墨毡，为氮的反硝化提供电子，正极材料(16)采用碳棒，被氧化生成二氧化碳形成调节污水pH的缓冲剂。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述生物膜电极反应器耦合人工湿地系统(17)的电极材料(15，16)及导线(11)连接构成微电场，提供的电子供负极周围水体中含有的金属离子的还原而附着在负极材料(15)上，从而增加水体中金属离子的去除。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述生物膜电极反应器耦合人工湿地系统(17)的电极材料(15，16)及导线(11)连接所构成微电场的电流控制在10-20mA，通过调节电阻箱(14)形成合适电压。
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