CN107720970B - 封闭阳极微生物燃料电池与沉水植物人工湿地耦合系统 - Google Patents

封闭阳极微生物燃料电池与沉水植物人工湿地耦合系统 Download PDF

Info

Publication number
CN107720970B
CN107720970B CN201711085176.1A CN201711085176A CN107720970B CN 107720970 B CN107720970 B CN 107720970B CN 201711085176 A CN201711085176 A CN 201711085176A CN 107720970 B CN107720970 B CN 107720970B
Authority
CN
China
Prior art keywords
anode
coupled system
cathode
bed mud
submerged plant
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201711085176.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107720970A (zh
Inventor
张建
胡振
沈晓彤
刘华清
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shandong University
Original Assignee
Shandong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shandong University filed Critical Shandong University
Priority to CN201711085176.1A priority Critical patent/CN107720970B/zh
Publication of CN107720970A publication Critical patent/CN107720970A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107720970B publication Critical patent/CN107720970B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/32—Biological treatment of water, waste water, or sewage characterised by the animals or plants used, e.g. algae
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/34—Biological treatment of water, waste water, or sewage characterised by the microorganisms used
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/16—Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00—Nature of the contaminant
    • C02F2101/30—Organic compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2203/00—Apparatus and plants for the biological treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2203/006—Apparatus and plants for the biological treatment of water, waste water or sewage details of construction, e.g. specially adapted seals, modules, connections
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

本发明公开了一种封闭阳极微生物燃料电池与沉水植物人工湿地耦合系统，包括人工湿地、阳极结构、阴极和导线；其中，人工湿地包括底泥区、污水区和沉水植物，污水区位于底泥区的上方，沉水植物种植于污水区；阳极结构包括阳极和壳体，壳体内部留有中空腔室，且壳体的侧壁上开有通孔，所述阳极放置于中空腔室中；阳极结构设置于底泥区，阴极设置于所述污水区，阴极与阳极之间通过所述导线连接，阴极和阳极表面附着有微生物膜。引入沉水植物，有效增加阴极附近溶解氧含量，成本低且不消耗能源。沉水植物同时也具备污染物去除的作用，提高了整个装置处理效果。

Description

封闭阳极微生物燃料电池与沉水植物人工湿地耦合系统
技术领域
本发明属于清洁能源与污水处理领域，具体涉及一种封闭阳极微生物燃料电池与沉水植物人工湿地耦合系统。
背景技术
微生物燃料电池是利用产电微生物的新陈代谢作用，将化学能转变成电能。从能源角度看，产能方式安全可持续。从环境角度看，微生物降解有机污染物，净化环境。微生物燃料电池技术的发展在实现清洁产电的同时为去除污染物提供了广大的发展空间，是一种十分有发展空间的新能源技术。然而如何有效提升阴极和阳极氧化还原电位差是提升产电效果的关键因素之一。氧气作为一种氧化还原电位高且常见的物质，常被用于阴极作为最终电子受体。因此提升阴极附近溶解氧含量是促进产电的有效方法。
人工湿地是一种人造生态系统，将湿地植物、动物、微生物的结合起来，通过各种物理化学生物作用，处理污染物。人工湿地具有处理效果好、造价低、维护简单等优点，被广泛用于污水处理。其中湿地植物对于湿地整体处理效果起到很重要的作用。
将微生物燃料电池与人工湿地结合起来，可以充分发挥两种技术的优点。人工湿地表层以及植物周围溶解氧含量高，形成好氧区。随着深度的增加或者跟植物距离的增加，溶解氧含量越来越低，是天然存在的厌氧区。好氧区、厌氧区正好为微生物燃料电池提供了理想的产电条件。阳极放入湿地底层，阴极靠近水面或者湿地植物，实现阴阳极氧化还原电位差的要求。现有的结合这两种技术的为沉积物燃料电池(SMFC)，是将阳极插在厌氧底泥中，阴极放在含有溶解氧的水面上，阳极所在的底泥维持所需厌氧环境。但是该种沉积物燃料电池存在以下主要问题：1、沉积物中的有机物传递困难，阳极直接固定在沉积物中，可接触的土壤活性有机质浓度低，且扩散速率低，既影响对沉积物中的污染物的处理效率，又不利于电池效率的提高；2、为了利用自然的氧化还原电位差，阴极和阳极的距离通常较远，产生较大的内阻；3、传统的微生物燃料电池与人工湿地耦合多采用潜流人工湿地，需要在设计施工时就将阴极、阳极作为一层填料层，布设在潜流人工湿地的基质之间，难以在后期进行维修、替换和重新排布；4、阴极附近的溶解氧浓度较小，影响产电，如果需要提高溶解氧浓度，需要不断向水中曝气；5、传统的微生物燃料电池与潜流人工湿地耦合中，阴极一般情况下是靠近水生植物，潜流人工湿地中的挺水植物大多根系巨大，会随植物生长逐渐穿透破坏阴极。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种封闭阳极微生物燃料电池与沉水植物人工湿地耦合系统。该系统通过引入沉水植物，有效提高阴极区溶解氧含量，增加产电；通过设置封闭阳极室，有利于有机物质传质，且具有较好的移动性和灵活性。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
封闭阳极微生物燃料电池与沉水植物人工湿地耦合系统，包括人工湿地、阳极结构、阴极和导线；其中，
人工湿地包括底泥区、污水区和沉水植物，污水区位于底泥区的上方，沉水植物种植于污水区；
阳极结构包括阳极和壳体，壳体内部留有中空腔室，且壳体的侧壁上开有通孔，所述阳极放置于中空腔室中；
阳极结构设置于底泥区，阴极设置于所述污水区，阴极与阳极之间通过所述导线连接，阴极和阳极表面附着有微生物膜。
人工湿地的底泥中含有机物、硫化物以及PPCPs等污染物，这些污染物的释放会对环境造成污染，然而表流湿地底泥的处理未被研究过。发明人经过研究发现，底泥中的这些污染物一般是溶于间隙水、吸附于固相颗粒表面或存于底泥颗粒内部，而溶于间隙水中的污染物占释放总量的绝大部分。所以，对底泥中的污染物进行处理的话，需要着重处理溶于间隙水中的污染物。
本发明中的阳极结构的壳体的侧壁上开有通孔，阳极放置于壳体内部，底泥中的间隙水会通过通孔进入壳体内与阳极接触，电池反应过程中可以将间隙水中的污染物进行反应，实现了底泥的间隙水中的污染物的净化。而且，间隙水渗入壳体内部过程中会实现自然沉降，避免底泥中的沉积物与阳极的接触，提高了底泥中的有机物的传质效率，提高阳极的氧化还原电位。
此外，将阳极放置于开孔的壳体中，可以对阳极进行保护，进而可以将阳极结构整体插入底泥中，在插入和拔出过程中不会造成阳极的损坏，即使在微生物燃料电池的运行过程中仍然可以将阳极结构进行维修、更换或者重新进行位置的排列，便于更好地实现底泥和废水的处理以及利于提高产电效率。
沉水植物是指植物体全部位于水层下面营固着生活的大型水生植物，在污水区种植沉水植物，沉水植物进行光合作用，提高污水区内的氧气浓度，在保证进行正常电池反应的基础上，阴极的安装位置可以位于水面以下较深的位置，便于减小阴极和阳极之间的距离，减小内阻。而且沉水植物产生大量的氧气，足以提供电池反应需要的氧气，无需向污水区中曝气，节省了曝气装置的安装费用以及曝气费用。另外，沉水植物根系并不发达，避免了植物根系随着植物体的生长逐渐增长导致的阴极材料破坏的问题。
该耦合系统中可以直接向污水区通入废水，由于阴极和沉水植物的阻挡和分散作用，可以实现表流湿地的微生物燃料电池的构建。由于废水流动发生在污水区的表面，不会对底泥区产生扰动，进而不会影响出水水质，无需对处理后的废水进行过滤即可排放或进入下一步处理流程。
优选的，所述壳体的通孔上设置过滤结构。可以对底泥中的固体杂质进行过滤，避免底泥中的固体颗粒进入壳体内部对阳极造成损坏。
进一步优选的，所述过滤结构为包裹在通孔外侧的纱布。
优选的，所述导线上设置有电阻。
进一步优选的，所述电阻的阻值为1000Ω。
优选的，阴极和阳极的材料是碳刷。
进一步优选的，阳极的长度为20cm，阴极的长度为阳极长度的1.5-2.5倍。
优选的，所述阴极靠近植物体附近，垂直悬浮放置在水层中，有效接受利用植物体产生的氧气。
优选的，壳体上开设的通孔的直径为0.5-1.5cm，优选为0.8-1.2cm。
优选的，所述壳体的顶部与管的一端连通，管的另一端延伸至污水区上面的空气中。便于将微生物反应过程中产生的气体排出。
优选的，所述导线的材质为钛。
优选的，所述底泥区的底泥取自河底泥的表面以下8-20cm，取泥点距离岸边4-6m。
进一步优选的，选取的底泥过200目筛，除去大颗粒固体杂质。
优选的，所述污水区中的废水的进水方式为连续流。
优选的，沉水植物为黑藻或苦草。
优选的，所述底泥区的底泥厚度为25-35cm，污水区的液面高度为35-40cm。
优选的，壳体侧壁上的通孔与壳体底部的距离为0-5cm，污水从壳体底部进入，缓慢上升，减小了对阳极表面微生物的扰动。
本发明的有益效果为：
1)引入沉水植物，有效增加阴极附近溶解氧含量，成本低且不消耗能源。沉水植物同时也具备污染物去除的作用，提高了整个装置处理效果。
2)植物根系靠近阳极附近，根系分泌物为阳极微生物的生长和新陈代谢提供了大量较易降解的有机物质。同时，根系也为微生物的生长提供了广阔的附着生长的空间。
3)阳极室的底泥空隙水经过沉降作用污泥浓度大大降低，很大程度上减缓其阳极钝化过程，此外装置可多次利用，成本相对降低。
4)阴极在沉水植物体附近，相比于空气阴极，大大减小了阴极和阳极的电极距离。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明所述的一种封闭阳极微生物燃料电池与沉水植物人工湿地耦合系统的结构剖面图。
其中，1、阳极；2、壳体；3、阴极；4、黑藻；5、浮子；6、导线；7、电阻；8、排气管；9、污水区；10、底泥区。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，封闭阳极微生物燃料电池与沉水植物人工湿地耦合系统，包括人工湿地、阳极结构、阴极3和导线6；其中，人工湿地包括底泥区10、污水区9和沉水植物，污水区9位于底泥区10的上方，沉水植物种植于污水区9；阳极结构包括阳极1和壳体2，壳体2内部留有中空腔室，且壳体2的侧壁上开有通孔，通孔的外侧包裹有纱布，阳极1放置于中空腔室中；阳极结构设置于底泥区10，阴极3通过浮子5悬浮于所述污水区9，阴极3与阳极1之间通过导线6连接，导线6上连接有电阻7，电阻7的阻值为1000Ω，阴极3和阳极1表面附着有微生物膜。壳体的顶端连通有排气管8，将阳极1微生物新陈代谢排出的气体排到空气中。阴阳极材料为碳刷。外部电路由导线连接的阴极、阳极和电阻组成。
废水从左侧污水区9的进水口采用连续流的方式进入，从污水区9右侧的出水口连续流出。底泥为小湄河(116.1°E,36.5°N)底泥，取自表面以下10cm左右，取泥点距岸边约5m，底泥过200目筛，除去杂质和大颗粒。沉水植物为黑藻，选取长度在30cm左右长势良好的株，采用扦插法，根插入底泥中，植物主体部分在水中。
本发明所阐述的一种封闭阳极微生物燃料电池与沉水植物人工湿地耦合装置启动过程如下：
阳极培养方式为：以济南光大水务一厂沉积池污泥为接种污泥，将污泥与培养液以1:2的比例倒入封闭装置中，隔绝空气，厌氧培养。阴极培养方式为：以济南光大水务一厂曝气池污泥为接种污泥，将污泥与培养液以1:1的比例倒入封闭装置中，同时不停用蠕动泵进行均匀曝气。培养一周左右，使阳极阴极表面长有微生物膜。
待阳极、阴极驯化完成后即可组成微生物燃料电池。阳极1放入底部开有通孔的壳体，通孔处包裹有纱布。将阳极结构插入底泥中。排气管8连通到空气中。导线6分别将阳极1、阴极3和电阻7连接起来。阳极1微生物氧化有机物质，释放电子和质子，电子通过外电路到达阴极3，质子通过装置内部底泥和水介质到达阴极3。质子、电子和氧气在阴极3附近发生还原反应，完成整个电路。阳极结构在植物根系附近，可以利用根系分泌物或者底泥孔隙水中的有机物进行新成代谢。阴极3靠近黑藻，溶解氧含量显著增加，提高阴极效果。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (14)

1.封闭阳极微生物燃料电池与沉水植物人工湿地耦合系统，其特征在于：包括人工湿地、阳极结构、阴极和导线；其中，人工湿地包括底泥区、污水区和沉水植物，污水区位于底泥区的上方，沉水植物种植于污水区；
阳极结构包括阳极和壳体，壳体内部留有中空腔室，且壳体的侧壁上开有通孔，所述阳极放置于中空腔室中；
阳极结构设置于底泥区，阴极设置于所述污水区，阴极与阳极之间通过所述导线连接，阴极和阳极表面附着有微生物膜。
2.根据权利要求1所述的耦合系统，其特征在于：所述壳体的通孔上设置过滤结构。
3.根据权利要求2所述的耦合系统，其特征在于：所述壳体的过滤结构为包裹在通孔外侧的纱布。
4.根据权利要求1所述的耦合系统，其特征在于：壳体侧壁上的通孔与壳体底部的距离为0-5cm。
5.根据权利要求4所述的耦合系统，其特征在于：壳体上开设的通孔的直径为0.5-1.5cm。
6.根据权利要求1所述的耦合系统，其特征在于：所述导线上设置有电阻。
7.根据权利要求6所述的耦合系统，其特征在于：所述电阻的阻值为1000Ω。
8.根据权利要求1所述的耦合系统，其特征在于：阳极的长度为20cm，阴极的长度为阳极长度的1.5-2.5倍。
9.根据权利要求1所述的耦合系统，其特征在于：所述壳体的顶部与管的一端连通，管的另一端延伸至污水区上面的空气中。
10.根据权利要求1所述的耦合系统，其特征在于：所述底泥区的底泥取自河底泥的表面以下8-20cm，取泥点距离岸边4-6m。
11.根据权利要求10所述的耦合系统，其特征在于：所述的底泥过200目筛，除去大颗粒固体杂质。
12.根据权利要求1所述的耦合系统，其特征在于：所述污水区中的废水的进水方式为连续流。
13.根据权利要求1所述的耦合系统，其特征在于：沉水植物为黑藻或苦草。
14.根据权利要求1所述的耦合系统，其特征在于：所述底泥区的底泥厚度为25-35cm，污水区的液面高度为35-40cm。
CN201711085176.1A 2017-11-07 2017-11-07 封闭阳极微生物燃料电池与沉水植物人工湿地耦合系统 Active CN107720970B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711085176.1A CN107720970B (zh) 2017-11-07 2017-11-07 封闭阳极微生物燃料电池与沉水植物人工湿地耦合系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711085176.1A CN107720970B (zh) 2017-11-07 2017-11-07 封闭阳极微生物燃料电池与沉水植物人工湿地耦合系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107720970A CN107720970A (zh) 2018-02-23
CN107720970B true CN107720970B (zh) 2019-10-18

Family

ID=61221669

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711085176.1A Active CN107720970B (zh) 2017-11-07 2017-11-07 封闭阳极微生物燃料电池与沉水植物人工湿地耦合系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107720970B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109626767A (zh) * 2018-12-18 2019-04-16 郑州大学 一种铁碳阳极微生物燃料电池强化净化底泥的方法
CN113640355B (zh) * 2021-07-13 2024-02-23 南京师范大学 一种原位在线监测湿地污染事件的可视化系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102249423A (zh) * 2011-07-13 2011-11-23 东南大学 一种同时实现污水生态处理与微生物燃料电池产电的结构
KR20150144663A (ko) * 2014-06-17 2015-12-28 광주과학기술원 침전물형 미생물 연료전지
CN105502673A (zh) * 2016-01-31 2016-04-20 中国科学院水生生物研究所 一种以钢渣为阳极的同步产电和污水净化的装置
CN105712484A (zh) * 2016-04-28 2016-06-29 河海大学 一种用于偶氮染料降解的cw-mfc耦合系统及其降解方法
CN105906159A (zh) * 2016-06-16 2016-08-31 河海大学 一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102249423A (zh) * 2011-07-13 2011-11-23 东南大学 一种同时实现污水生态处理与微生物燃料电池产电的结构
KR20150144663A (ko) * 2014-06-17 2015-12-28 광주과학기술원 침전물형 미생물 연료전지
CN105502673A (zh) * 2016-01-31 2016-04-20 中国科学院水生生物研究所 一种以钢渣为阳极的同步产电和污水净化的装置
CN105712484A (zh) * 2016-04-28 2016-06-29 河海大学 一种用于偶氮染料降解的cw-mfc耦合系统及其降解方法
CN105906159A (zh) * 2016-06-16 2016-08-31 河海大学 一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN107720970A (zh) 2018-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104003580B (zh) 一种处理生活污水的湿地产电并用于湿地出水电化学消毒的系统
CN207775019U (zh) 用于农村分散型污水处理的mbr一体化系统
CN105836894B (zh) 一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理系统及方法
CN106865900B (zh) 一种沼液处理系统及方法
CN105152351A (zh) 一种光电人工湿地及其应用
CN104150719A (zh) 农村综合污水处理系统及方法
CN110143720A (zh) 一种多介质滤料的人工湿地微生物燃料电池耦合装置及其废水处理方法
CN101445297B (zh) 一种造纸污水深度处理的方法
CN104829034B (zh) 一种水体修复系统及修复方法
CN101391855B (zh) 利用高负荷蚯蚓生物滤池处理农村分散污水的方法
CN103304038A (zh) 电化学-生物膜协同作用反应器及在含氮有机废水中的应用
CN211595191U (zh) 一种复合式浮岛湿地净水装置
CN110357245B (zh) 处理农药废水的铁碳微电解-微生物燃料电池-人工湿地复合装置
CN107720970B (zh) 封闭阳极微生物燃料电池与沉水植物人工湿地耦合系统
CN210261492U (zh) 一种微生物燃料电池修复城市感潮河涌黑臭底泥的植物浮床装置
CN103214093B (zh) 低c/n生活污水高效脱氮的复合电极水平潜流人工湿地装置
CN108178423A (zh) 一种圆筒型螺旋电极生物膜有机污废水反应装置
CN109970174A (zh) 一种发酵罐组合人工湿地微生物燃料电池脱氮的方法
CN109734190A (zh) 一种高效脱氮除磷垂直流人工湿地装置
CN203284289U (zh) 生活污水高效脱氮的复合电极水平潜流人工湿地装置
CN207933136U (zh) 一种微生物修复水体系统
CN110937753A (zh) 一种人工湿地-微生物燃料电池农村生活污水处理装置及其处理方法
CN102627377B (zh) 重度富营养化河水净化方法及其净化装置
CN214654277U (zh) 一种河道内原位截污处理系统
CN212329235U (zh) 一种土壤污染水处理及再利用装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant