CN108178320A - 一种微生物燃料电池人工湿地装置及污水净化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微生物燃料电池人工湿地装置，包括依次连接的水解酸化池、微生物燃料电池人工湿地主体和外电路，所述微生物燃料电池人工湿地主体由下而上依次包括：砾石配水层、阳极区、增氧剂层、阴极区和水生植物；微生物燃料电池人工湿地主体的一侧下部设有进水口，另一侧顶部设有出水口，进水口通过泵和管道与水解酸化池一侧下部的出水口连通，水解酸化池另一侧下部的进水口与污水进水管连通；所述外电路包括阳极、阴极以及与阳极和阴极相连的铜芯导线，铜芯导线上串接有电路开关。本发明湿地装置结构简单，操作方便，通过调控电极溶解氧环境，能够在强化人工湿地污水处理效果的同时表现出优良的产电效能。
Description
技术领域
本发明涉及一种微生物燃料电池人工湿地装置及污水净化方法，属于污水处理技术领域。
背景技术
能源问题与环境问题是人类社会未来可持续发展面临的重要问题，随着世界经济的持续发展，能源的消费量不断增加。当今，几乎所有的工业化国家都面临着能源短缺和环境的可持续发展之间的问题，能源的开发利用与环境污染息息相关。面对能源短缺形势以及日趋严重的环境污染，在努力降低能耗的同时必须寻找可持续的替代能源。能源清洁化、高效化、多元化、全球化是未来的发展趋势。
污水中含有大量的有机物，传统污水处理是“以能消能”、“污染转嫁”的过程，实际应用中同时存在过程本身高能耗和污水中含能物质浪费的问题。人工湿地(CW)由于建造和运行费用便宜和低能耗的特点，在污水处理中正得到广泛应用。CW是利用基质中的微生物降解以及植物吸收等多重作用来达到污水处理的目的，但传统的CW中微生物降解有机物过程中的能量被释放和浪费。微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物降解有机物并将有机质中的化学能转变成电能的新型生物电化学系统，该技术能够在常温常压下，利用微生物作用，将有机物中的化学能转换为电能，其本质是收获微生物代谢有机物过程中产生的电子并产生电流。因此，将人工湿地与微生物燃料电池结合形成人工湿地-微生物燃料电池耦合系统(微生物燃料电池人工湿地)，可以在净化污水的同时实现产电，将污水中有机物降解释放的能量回收利用，同时实现了污水的无害化与能源回收利用。目前，微生物燃料电池人工湿地系统研究已逐步开展，初步结果表明，微生物燃料电池人工湿地在不影响甚至强化CW污水处理效果的同时表现出产电效能，具有良好应用前景。
中国专利申请号为201110187473.3、201410437150.9、201610020185.1的专利申请文件分别介绍几种用于污水处理的不同构型微生物燃料电池人工湿地装置，均达到了在处理污水的同时产电的目的，但污水净化效果及产电效能都一般。申请号为201610020188.5的专利申请文件公开了一种旁侧微氧微生物燃料电池人工湿地水体净化方法，利用旁路曝气充氧促进NH4 +转化为NO3 -，NO3 -在阴极作为电子受体提高产电效能，通过曝气充氧，分别提高了阴极区的溶解氧和NO3 -作为电子受体，促进产电效能的提高，但该发明人并未考虑到阳极区的溶解氧条件，而阴极和阳极的溶解氧条件对产电效能都有较大的影响，因此该方案对产电效能的提高程度有限，并且，该方案的曝气过程是需要耗电的，因此需要额外增加电耗，而产出的电能未必能抵消掉电耗，此外，考虑到人工湿地通常建在室外，有些不具备供电条件，因此该方法的应用受到局限。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中微生物燃料电池人工湿地装置设计的不足带来的产电效能一般、污水净化效果一般的问题，提供一种微生物燃料电池人工湿地装置，结构简单、成本低，不需要额外增加电耗，能够在强化人工湿地污水处理效果的同时表现出优良的产电效能。
从微生物燃料电池人工湿地的机理上讲，阳极区严格的厌氧条件有利于电子收集并传递到阴极；而阴极良好的好氧条件可提供充足的溶解氧作为电子受体，从而促进产电效能。本发明人从这两方面同时入手，通过调控阴、阳极溶解氧条件促进产电效能。
具体方案如下：
一种微生物燃料电池人工湿地装置，包括依次连接的水解酸化池、微生物燃料电池人工湿地主体和外电路，所述微生物燃料电池人工湿地主体由下而上依次包括：砾石配水层、阳极区、增氧剂层、阴极区和水生植物；微生物燃料电池人工湿地主体的一侧下部设有进水口，另一侧顶部设有出水口，进水口通过泵和管道与水解酸化池一侧下部的出水口连通，水解酸化池另一侧下部的进水口与污水进水管连通；所述外电路包括阳极、阴极以及与阳极和阴极相连的铜芯导线，铜芯导线上串接有电路开关。
进一步，所述砾石配水层高度为150-250mm，砾石配水层由粒径为9.5-20.0mm的砾石填充而成。可进一步确保进水均匀的分配于湿地面积上。
进一步，所述阳极和阴极均是由4-20目不锈钢丝网包裹粒径4-6mm颗粒活性炭组成；阳极和阴极分别包埋于粒径为4.75-12.0mm的砾石组成的阳极区和阴极区中。
进一步，所述增氧剂层高度为20-30mm。
进一步，所述增氧剂层的增氧剂优选为缓释长效增氧剂，制备方法为：将20份硬脂酸加入装有200份四氯化碳的容器中，加热溶解后，再加入10份过氧化钙、4份石英砂，然后将容器置于摇床中震荡50-70min，取出后静置，将得到的下部沉淀物放入105℃的烘箱中20～30min后取出，得到半干的沉淀物，采用挤出装置挤出成型后于烘箱中105℃烘干，即得。
进一步，所述水生植物选自芦苇、美人蕉、菖蒲中的任意一种。
利用上述微生物燃料电池人工湿地装置进行污水净化的方法，包括如下步骤：
(1)水解酸化池预先接种从污水处理厂采集的厌氧污泥进行培养，生活污水从污水进水管进入水解酸化池，培养7d后，打开水解酸化池出水口，启动泵，水解酸化池内的污水通过泵和管道从微生物燃料电池人工湿地主体下部的进水口进入；
(2)污水从微生物燃料电池人工湿地主体下部的进水口进入后，依次流经砾石配水层、阳极区、增氧剂层和阴极区，在阳极区，微生物分解有机物释放电子和质子，其中电子通过外电路传导至阴极，形成电流，质子顺水流经增氧剂层到达阴极区，在阴极上水中的溶解氧作为电子受体与电子、质子反应生成水，增氧剂层用于补充阴极区水中的溶解氧以促进电子传递；污水净化后，从微生物燃料电池人工湿地主体的一侧顶部出水口流出。
优选地，步骤(2)中，污水在微生物燃料电池人工湿地主体内部的水力停留时间(HRT)为24-48h。
有益效果：与已有技术方法相比，本发明的技术方案具有如下优点和效益：
(1)和传统的湿地相比，微生物燃料电池型人工湿地湿地对污水的处理效果更好。
(2)与已有其它的微生物燃料电池型人工湿地相比，本发明阳极区前置水解酸化池，一方面降低进水中溶解氧，创造良好的阳极厌氧环境，另一方面提高污水可生化性，提高了阳极区污染物去除效能和电子传递效率，增强处理效果和产电效果。
(3)与已有其它的微生物燃料电池型人工湿地相比，本发明阴极通过自制长效缓释型增氧剂，提高阴极区电子受体溶解氧的浓度，从而提高产电效率。相比曝气增氧而言，具有易于实施，低能耗的特点。
(4)增氧剂层提高了湿地上层溶解氧水平，促进好氧微生物的繁殖，增加基质生物膜上的生物量，提高了污水处理效果。
(5)本发明的装置底部通过设置的配水区能够促进进水均匀分配于湿地面积上并对上层基质起到承托作用；配水区上基质粒径通过合理粒径级配筛选，保证湿地具有良好的水力条件的同时，对污水中颗粒物有良好的截留作用。
(6)微生物燃料电池人工湿地是一种兼具污水处理和污水中能量回收利用的技术，本发明对微生物燃料电池人工湿地阴、阳极溶解氧调控，试验表明，可提高电子传递效率和产电效能，同时强化了污水处理效果，促进了该技术的发展，为未来提供了一种低能耗且绿色的污水处理方法和污水中能量回收利用途径。
附图说明
图1为本发明微生物燃料电池人工湿地装置的结构示意图；
图2为本发明微生物燃料电池人工湿地装置的产电效能图；
其中：1-污水进水管；2-水解酸化池；3-泵；4-微生物燃料电池人工湿地主体进水口；5-砾石配水层；6-阳极区；7-增氧剂层；8-阴极区；9-水生植物；10-铜芯导线；11-电路开关；12-可变电阻箱；13-万用表；14-微生物燃料电池人工湿地主体出水口；15-阳极；16-阴极。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施方式进行描述并通过实施实例进行进一步说明。值得说明的是，本发明为了测试产电效能，在外电路中接入了可变电阻和万用表，产电效能通过外部电路测定电压(V)，电流(A)及计算的功率密度(W/m3)表征。
实施例1
如图1所示，一种微生物燃料电池人工湿地装置，包括依次连接的水解酸化池2、微生物燃料电池人工湿地主体和外电路，所述微生物燃料电池人工湿地主体由下而上依次包括：砾石配水层5、阳极区6、增氧剂层7、阴极区8和水生植物9；微生物燃料电池人工湿地主体的一侧下部设有进水口4，另一侧顶部设有出水口14，进水口通过泵3和管道与水解酸化池2一侧下部的出水口连通，水解酸化池2另一侧下部的进水口与污水进水管1连通；所述外电路包括阳极15、阴极16以及与阳极15和阴极16相连的铜芯导线10，铜芯导线10上串接有电路开关11、可变电阻箱12(0.1-5000欧姆)和万用表13；本实施例中，水生植物为芦苇；砾石配水层5高度为200mm，砾石配水层由粒径为9.5-20.0mm的砾石填充而成；所述阳极15和阴极16均是由4-20目不锈钢丝网包裹粒径4-6mm颗粒活性炭组成，阳极15和阴极16分别包埋于粒径为4.75-12.0mm的砾石组成的阳极区6和阴极区8中；所述增氧剂层7高度为30mm；本实施例中，增氧剂层7的增氧剂为缓释长效增氧剂，制备方法为：将20份硬脂酸加入装有200份四氯化碳的容器中，加热溶解后，再加入10份过氧化钙、4份石英砂，然后将容器置于摇床中震荡50-70min，取出后静置，将得到的下部沉淀物放入105℃的烘箱中20～30min后取出，得到半干的沉淀物，采用挤出装置挤出成型后于烘箱中105℃烘干，即得。
装置总体积52.668L，有效储水体积18.45L。为了加强阳极6电子产生和传递，本实施例中，阳极15和阴极16均采用不锈钢网包裹活性炭材料(GAC-SSM)(GAC为粒径4-6mm的活性炭，SSM为0.3mm厚、4-20目的不锈钢网，试验用阳极和阴极材料尺寸为100×140×90mm)。为了给阴极16提供充足电子受体，促进电子传递和产电，阴极16部分金属丝网出露湿地表层以上，暴露于空气中。
利用上述微生物燃料电池人工湿地装置进行污水净化的方法，包括如下步骤：
(1)水解酸化池预先接种从污水处理厂采集的厌氧污泥进行培养，生活污水从污水进水管进入水解酸化池，培养7d后，打开水解酸化池出水口，启动泵，水解酸化池内的污水通过泵和管道从微生物燃料电池人工湿地主体下部的进水口进入；
(2)污水从微生物燃料电池人工湿地主体下部的进水口进入后，依次流经砾石配水层、阳极区、增氧剂层和阴极区，在阳极区，微生物分解有机物释放电子和质子，其中电子通过外电路传导至阴极，形成电流，质子顺水流经增氧剂层到达阴极区，在阴极上水中的溶解氧作为电子受体与电子、质子反应生成水，增氧剂层用于补充阴极区水中的溶解氧以促进电子传递；污水净化后，从微生物燃料电池人工湿地主体的一侧顶部出水口流出；污水在微生物燃料电池人工湿地主体内部的HRT为24h。
对比例
对比例的微生物燃料电池人工湿地装置无水解酸化池，微生物燃料电池人工湿地主体内不设增氧剂层，其余特征与本发明的微生物燃料电池人工湿地装置完全相同。
应用测试：
1、待装置运行稳定后，分别测定本发明及对比例的微生物燃料电池人工湿地装置中各处的溶解氧(DO)值：在生活污水进水、水解酸化池出水、微生物燃料电池人工湿地主体的取样口(A,B,C,D四个取样口)分别取样，测试结果见表1；并测定不同负荷下的产电电压和功率密度，结果见图2；
表1本发明装置和对比例装置内DO分布情况
图2为本发明微生物燃料电池人工湿地装置的产电效能图；从图2可以看出，本发明装置较对比例装置平均分别提高14.5％和40.9％，明显提高了产电效能。除此之外，由于水解酸化有利于提高污水的可生化性，阴极溶解氧提高有利于促进好氧菌的生长，通过进出水污染物浓度检测表明：本发明装置对原水中COD、NH4 +-N、TN的平均去除率分别为80.40％、49.96％和34.84％，较对比例装置COD、NH4 +-N、TN的平均去除率71.19％、43.27％和33.09％分别提高12.9％、15.5％和5.3％，说明本发明通过调控系统溶解氧，在优化产电效能的同时，促进了污染物的去除。
2、本发明装置在高、低负荷下运行效果对比
(1)装置运行参数
控制泵3流量分别为25.60mL/min、12.80mL/min、6.40mL/min、5.12mL/min和4.27mL/min和，对应HRT为12h、24h、48h、60h和72h，进行本发明装置不同水力负荷和停留时间下产电效果比较试验。
(2)产电效能比较
控制泵流量改变装置水力负荷和停留时间，每调整一次负荷，运行2周以上，测定产电特征变化直至稳定，装置在不同负荷下的产电电压和功率密度测定平均值见表2：
表2本发明装置不同负荷下运行效果比较
| 停留时间HRT(h) | 12 | 24 | 48 | 60 | 72h |
| 电压(V) | 0.71 | 0.79 | 0.77 | 0.63 | 0.55 |
| 功率密度(W/m3) | 0.52 | 0.59 | 0.58 | 0.44 | 0.24 |
通过以上结果可以看出，装置适宜水力负荷对应的停留时间为24-48h，负荷过高，HRT小，有机物分解不彻底，影响产电效能，同时污染物去除率低；负荷过小，HRT增大，系统中微生物营养不足，生物量下降，也会导致产电电压和功率密度下降。
3、本发明装置与对比例装置产电和去污效能比较
(1)装置特征及运行条件
控制泵流量为25.60mL/min，对应HRT为12h，进行本发明装置与对比例装置产电和去污效果比较试验。
(2)产电和去污效能比较
通过对两套装置连续运行1个月的结果对比，本发明最大电压、最大功率密度分别为0.72V和0.55W/m3，较未优化的对比例装置平均分别提高20.2％和28.5％，明显提高了产电效能。除此之外，由于水解酸化有利于提高污水的可生化性，阴极溶解氧提高有利于促进好氧菌的生长，通过进出水污染物浓度检测表明：本发明装置对原水中COD、NH4 +-N、TN的平均去除率分别为78.40％、50.05％和38.26％，较对比例装置COD、NH4 +-N、TN的平均去除率70.30％、42.11％和37.05％分别提高11.5％、18.9％和3.3％，说明本发明通过调控系统溶解氧，在优化产电效能的同时，促进了污染物的去除。
4、有长效缓释增氧剂和无长效缓释增氧剂运行效果对比
(1)装置运行参数
采用两组装置对比，两组装置均前置水解酸化池，其中一组采用本发明实施例1的装置，装填有30mm高的增氧剂层；对照装置未装填增氧剂层，而是改为装填普通碎石基质。控制泵流量为12.80mL/min，对应HRT为24h，进行本发明装置不同水力负荷条件下产电效果比较试验。
(2)产电效能比较
控制蠕动泵流量控制装置停留时间为24h，稳定运行2周以上，测定产电特征变化直至稳定，两组装置稳定条件下产电电压和功率密度及阴极区溶解氧测定平均值见表3.
表3有长效缓释增氧剂和无长效缓释增氧剂运行效果比较
| 对照装置 | 装填长效缓释增氧剂(30mm) | 未装填长效缓释增氧剂 |
| 阴极区溶解氧(mg/L) | 10.8 | 3.42 |
| 电压(V) | 0.78 | 0.55 |
| 功率密度(W/m3) | 0.57 | 0.39 |
通过以上结果可以看出，设置长效缓释增氧剂层能够显著提高阴极区附近溶解氧量，提供电子受体，促进产电效能提升。
Claims (8)
1.一种微生物燃料电池人工湿地装置，其特征在于，包括依次连接的水解酸化池、微生物燃料电池人工湿地主体和外电路，所述微生物燃料电池人工湿地主体由下而上依次包括：砾石配水层、阳极区、增氧剂层、阴极区和水生植物；微生物燃料电池人工湿地主体的一侧下部设有进水口，另一侧顶部设有出水口，进水口通过泵和管道与水解酸化池一侧下部的出水口连通，水解酸化池另一侧下部的进水口与污水进水管连通；所述外电路包括阳极、阴极以及与阳极和阴极相连的铜芯导线，铜芯导线上串接有电路开关。
2.如权利要求1所述的微生物燃料电池人工湿地装置，其特征在于，所述砾石配水层高度为150-250mm，砾石配水层由粒径为9.5-20.0mm的砾石填充而成。
3.如权利要求1所述的微生物燃料电池人工湿地装置，其特征在于，所述阳极和阴极均是由4-20目不锈钢丝网包裹粒径4-6mm颗粒活性炭组成；阳极和阴极分别包埋于粒径为4.75-12.0mm的砾石组成的阳极区和阴极区中。
4.如权利要求1所述的微生物燃料电池人工湿地装置，其特征在于，所述增氧剂层厚度为20-30mm。
5.如权利要求1所述的微生物燃料电池人工湿地装置，其特征在于，所述增氧剂层的增氧剂的制备方法为：将20份硬脂酸加入装有200份四氯化碳的容器中，加热溶解后，再加入10份过氧化钙、4份石英砂，然后将容器置于摇床中震荡50-70min，取出后静置，将得到的下部沉淀物放入105℃的烘箱中20～30min后取出，得到半干的沉淀物，采用挤出装置挤出成型后于烘箱中105℃烘干，即得。
6.如权利要求1至5任一项所述的微生物燃料电池人工湿地装置，其特征在于，所述水生植物选自芦苇、美人蕉、菖蒲中的任意一种。
7.利用权利要求1至6任一项所述微生物燃料电池人工湿地装置进行污水净化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)水解酸化池预先接种从污水处理厂采集的厌氧污泥进行培养，生活污水从污水进水管进入水解酸化池，培养7d后，打开水解酸化池出水口，启动泵，水解酸化池内的污水通过泵和管道从微生物燃料电池人工湿地主体下部的进水口进入；
(2)污水从微生物燃料电池人工湿地主体下部的进水口进入后，依次流经砾石配水层、阳极区、增氧剂层和阴极区，在阳极区，微生物分解有机物释放电子和质子，其中电子通过外电路传导至阴极，形成电流，质子顺水流经增氧剂层到达阴极区，在阴极上水中的溶解氧作为电子受体与电子、质子反应生成水，增氧剂层用于补充阴极区水中的溶解氧以促进电子传递；污水净化后，从微生物燃料电池人工湿地主体的一侧顶部出水口流出。
8.如权利要求7所述的污水净化的方法，其特征在于，步骤(2)中，污水在微生物燃料电池人工湿地主体内部的水力停留时间为24-48h。
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