CN109081426B - 一种低内阻的微生物燃料电池型复合人工湿地 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低内阻的微生物燃料电池型复合人工湿地，包括下行流人工湿地(27)、硫酸亚铁补充罐(10)、上行流人工湿地(28)和出水沉淀池(21)。本发明通过降低内阻提高微生物燃料电池型人工湿地的生化电子转移效率，提高有机污染物的降解效率。

Description

一种低内阻的微生物燃料电池型复合人工湿地

技术领域

本发明属于用于水处理的人工湿地领域，特别涉及一种低内阻的微生物燃料电池型复合人工湿地。

背景技术

人工湿地系统主要由填料、湿地植物和微生物组成。在保障良好的运行条件时，可以通过填料的吸附、植物的吸收以及微生物的降解作用的耦合实现较高的污染物脱除效率。人工湿地不仅建设成本低、运行能耗低，而且也具有一定的景观价值，因而被广泛应用于多种污废水处理、地表水体的生态修复等方面。

借助电化学理论，人们提出了微生物燃料电池型人工湿地，其一般为垂直潜流型，阳极位于下部厌氧区，阴极位于上部根系充氧区，通过外电路连接阴阳极。

微生物燃料电池型人工湿地阳极区在厌氧条件下发生有机物还原降解，产生的电子通过外电路传送到阴极并使氧发生还原，产生的质子通过内部水流也输送到阴极，质子和还原的氧结合形成水。

微生物燃料电池型人工湿地通过外电路加快电子转移，从而提高了污染物的去除效率，特别对于有机污染物具有较好的去除效率。但是由于燃料电池型人工湿地阳极要求的厌氧环境，对于含氮污染物，特别是对于氨氮，其去除效果不佳。

而且，普通的微生物燃料电池型人工湿地由于电极间距大、污染物成分复杂(含一些不导电的胶体)、产电微生物数量不足等原因，导致其内阻较大，产电效率低，减缓了电子转移效率，从而导致污染物通过生物氧化还原过程去除的效率降低。

一般地，微生物燃料电池型人工湿地的内阻分为阳极内阻、阴极内阻、污水内阻。其中阳极内阻取决于阳极的比表面积、导电能力、产电微生物数量(生物电化学反应)；空气阴极型的微生物燃料电池的阴极内阻取决于阴极区域氧浓度和氧的还原能力；污水内阻取决于人工湿地介质孔隙中污水中的导电离子含量。

因此，降低微生物燃料电池型人工湿地的内阻的方法是减小上述三个方面的内阻。降低阳极内阻方法是提高阳极材料的导电能力、提高阳极区域产电微生物丰度和数量、增加阳极比表面积；从节能角度降低空气阴极内阻的方式是提高阴极区溶解氧浓度和新生氧浓度(易于被还原转化)，人工湿地植物根系在此扮演着重要角色；降低污水内阻的方式则是提高污水中导电离子的数量。

铁元素是微生物和植物生长的重要微量元素之一，适量的补充铁元素可以提高微生物和植物的生理活性，而且研究表明产电微生物的活性与铁元素含量密切相关。

根据目前的研究报道，目前的微生物燃料电池型人工湿地主要是利用人工湿地底部缺氧，上部好氧而构成(ZL201410001954.4，一种高效处理有机污水的微生物燃料电池人工湿地)。但其底部厌氧程度不足，内阻较大，处理效率有待进一步提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低内阻的微生物燃料电池型复合人工湿地，以克服现有技术中微生物燃料电池型人工湿地内阻大的缺陷。

本发明的一种低内阻的微生物燃料电池型复合人工湿地，所述复合人工湿地包括下行流人工湿地、硫酸亚铁补充罐、上行流人工湿地和出水沉淀池；所述下行流人工湿地和上行流人工湿地的下方通过下行流出水管相连，硫酸亚铁补充罐通过加药管与下行流出水管相连，上行流人工湿地通过上行流出水管与出水沉淀池相连；其中上行流人工湿地为空气阴极型燃料电池型人工湿地。

所述下行流人工湿地和普通垂直流人工湿地类似。

所述下行流人工湿地的上方设置进水管；上行流出水管设置在上行流人工湿地的上方。

所述下行流人工湿地的填料粒径由下至上逐渐增加，是下行流粗粒径填料层、下行流中粒径填料层和下行流细粒径填料层由上而下组成；上行流人工湿地的填料粒径由下至上逐渐减小，是上行流细粒径填料层、上行流中粒径填料层和上行流粗粒径填料层由上而下组成。

所述下行流细粒径填料层的填料粒径为5－6mm，填料填充高度为0.3-0.4m，构成缺氧区；下行流中粒径填料层填料粒径为6－10mm，填料填充高度为0.4－0.5m，构成兼氧区；下行流粗粒径填料层填料粒径为10－20mm，填料填充高度为0.5－0.6m，构成好氧区。

所述下行流人工湿地的高度为1.2-1.5m；下行流人工湿地的上方种植根系深入发达的湿地植物，湿地植物设置在进水管的上方。

所述湿地植物为芦苇、镳草等。

所述上行流粗粒径填料层填料粒径为5－8mm，填料填充高度为0.5－0.6m，构成厌氧区；上行流中粒径填料层填料粒径为2－5mm，填料填充高度为0.4－0.5m，构成缺氧区；上行流细粒径填料层填料粒径为1－2mm，填料填充高度为0.2－0.3m，构成兼氧区。

所述上行流人工湿地的高度为1.2-1.4m；上行流人工湿地的上方种植根系较浅的湿地植物，湿地植物设置在上行流出水管的上方。

所述湿地植物为旱伞、水金钱等。

所述上行流人工湿地的上部设置阴极，阴极是厚度为0.2-0.3m的网状电极，阴极的下部埋于填料内，和水接触，阴极的上部露出填料，与空气接触；上行流人工湿地底部的上部设置阳极，阳极是厚度为0.3-0.4m的网状电极。

所述阴极和阳极的材料优选为碳纤维毡、铁网包裹活性炭、碳毡网包裹活性炭等导电材料，但并不限于上述材料，以导电、比表面积大、环境无害为筛选标准。

所述硫酸亚铁补充罐的上部设加药口和密封盖，整个罐体密封，确保加药口关闭后不和外部大气环境接触，硫酸亚铁补充罐的下部设加药控制阀，定期开启向上行流人工湿地内补充硫酸亚铁。

所述出水沉淀池的底部形状为锥形，锥底部通过铁补充管与上行流人工湿地的底部相连，通过铁补充管上安装的出水池沉淀物控制阀将出水沉淀池底部沉积的含铁物质再次补充进上行流人工湿地的下部粗粒径填料区靠近阳极的区域。

本发明中污水流路为：进水先经过下行流人工湿地处理后再进入上行流人工湿地，然后经过出水沉淀池澄清后排放。

本发明中下行流人工湿地的作用为：利用进水充氧和深根系湿地植物，提高下行流人工湿地的硝化效率和有机污染物的好氧降解，将进水氨氮尽可能转化为硝态氮，同时对进水中悬浮物起到拦截过滤作用。

本发明中微生物燃料电池型的上行流人工湿地的作用为：通过降低内阻和外电路引导加速电子转移，提高有机污染物的降解效率；利用厌氧环境中Fe³⁺还原和氨氮氧化耦合提高氨氮去除效率；利用厌氧环境中硝酸盐依赖的Fe²⁺氧化机制提高硝氮脱除效率。原理为：上行流内部Fe²⁺通过硝酸盐依赖型厌氧铁氧化实现反硝化，其自身转化为Fe³⁺，然后Fe^{3 +-}再通过厌氧铁还原实现有机物的降解，其自身转化为Fe²⁺。通过上行流内部铁的物理循环和化学循环，降低电极内阻的同时，加快人工湿地内氮素和有机物的降解去除。

本发明中硫酸亚铁补充罐的作用为：系统启动时补充上行流人工湿地中的Fe²⁺，系统正常运行后定期少量补充上行流人工湿地中损失的铁元素。

本发明的工作原理是：污水首先进入下行流人工湿地，由于填料结构、植物类型和进水充氧的原因，下行流人工湿地为好氧环境，在此氨氮被转化为硝氮，一些有机物也被好氧降解；然后下行流出水进入上行流，由于填料结构、进水来源、湿地植物等原因，上行流人工湿地属于厌氧环境；在厌氧环境中，阳极区发生有机物还原、铁还原、铁氧化、氨氮氧化和硝氮还原等生化过程，铁的加入使得阳极内阻和污水内阻降低，外电路的加入降低了系统外阻，从而加速了该系统生化过程的电子转移，从而加快了有机物、氨氮、硝氮的降解和转化，提高了污染物的去除效率。而且通过对出水含铁沉淀物的循环，减小了系统的铁损失，达到利用系统内Fe²⁺/Fe³⁺电对的生化循环以及外部-内部间铁的物理循环利用的效果。

本发明中Fe²⁺/Fe³⁺电对在缺氧环境中通过铁氧化菌和铁还原菌相互转化，不但降低了人工湿地内污水内阻，也通过增强阳极表面生物膜产电菌的数量、丰度和活性，降低了阳极内阻。微量铁元素的补充也增强了湿地植物的根系泌氧活性，阴极表面通过接触空气和植物根系，直接还原空气中的氧气和湿地植物根部分泌的新生态氧，降低阴极内阻。

而且，在厌氧环境中有机物厌氧降解产生的电子快速传递给Fe³⁺(电子受体)，加快了有机物的降解，在铁还原菌作用下，Fe³⁺还原也可以与氨氮氧化耦合进行，提高厌氧环境中氨氮降解脱除效率；系统内补充的和Fe³⁺还原产生的Fe²⁺可以作为电子供体，在铁氧化菌的作用下，发生硝酸盐依赖的铁氧化过程，使得硝酸盐发生反硝化脱氮。

总之，通过Fe²⁺/Fe³⁺电对在厌氧系统中的循环转化、生化作用，在降低微生物燃料电池型人工湿地内阻，加快电子转移的同时，提高了系统对有机物和含氮污染物的生化降解脱除。

有益效果

本发明通过降低内阻提高微生物燃料电池型人工湿地的生化电子转移效率，提高有机污染物的降解效率；利用厌氧环境中Fe³⁺还原和氨氮氧化耦合提高氨氮去除效率；利用厌氧环境中硝酸盐依赖的Fe²⁺氧化机制提高硝氮脱除效率。

附图说明

图1是本发明的装置示意图。

图2是本发明的电极示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

本实施例提供了一种低内阻的微生物燃料电池型复合人工湿地，如图1和图2所示，包括下行流人工湿地(27)、硫酸亚铁补充罐(10)、上行流人工湿地(28)和出水沉淀池(21)；下行流人工湿地(27)的上方设置进水管(4)，下行流人工湿地(27)和上行流人工湿地(28)的下方通过下行流出水管(9)相连，硫酸亚铁补充罐(10)通过加药管(12)与下行流出水管(9)相连接，上行流人工湿地(28)的上方设置上行流出水管(20)，上行流人工湿地(28)通过上行流出水管(20)与出水沉淀池(21)相连；其中下行流人工湿地(27)和普通垂直流人工湿地类似，上行流人工湿地(28)为空气阴极型燃料电池型人工湿地。

进水管(4)上设置进水阀(3)，进水管(4)与进水沉淀池(2)相连，进水沉淀池(2)的上方设置进水泵(1)。

下行流人工湿地(27)和上行流人工湿地(28)的外壳分别由内径为20cm的圆形PVC管构建而成。

下行流人工湿地(27)高度为1.2m，填料为石英砂，是下行流粗粒径填料层(6)、下行流中粒径填料层(7)和下行流细粒径填料层(8)由上而下组成。

下行流细粒径填料层(8)的填料粒径为5－6mm，填料填充高度为0.3m，构成缺氧区；下行流中粒径填料层(7)填料粒径为6－10mm，填料填充高度为0.4m，构成兼氧区；下行流粗粒径填料层(6)填料粒径为10－20mm，填料填充高度为0.5m，构成好氧区。

下行流人工湿地(27)的上方种植根系深入发达的湿地植物(5)为芦苇，种植3株，湿地植物(5)设置在进水管(4)的上方。

上行流人工湿地(28)高度为1.2m，填料为石英砂，是上行流细粒径填料层(17)、上行流中粒径填料层(18)和上行流粗粒径填料层(19)由上而下组成。

上行流粗粒径填料层(19)填料粒径为5－8mm，填料填充高度为0.5m，构成厌氧区；上行流中粒径填料层(18)填料粒径为2－5mm，填料填充高度为0.4m，构成缺氧区；上行流细粒径填料层(17)填料粒径为1－2mm，填料填充高度为0.3m，构成兼氧区。

上行流人工湿地(28)的上方种植根系较浅的湿地植物(29)为水金钱，种植5株，湿地植物(29)设置在上行流出水管(20)的上方。

进水管(4)(下部开孔)和上行流出水管(20)(上部开孔)由管径2cm的PVC管构建，两个湿地之间的下行流出水管(9)为周身开孔的2cmPVC管构成。

硫酸亚铁补充罐(10)由有机玻璃制成，底部锥形，内加50mg/L的硫酸亚铁溶液。

硫酸亚铁补充罐(10)的上部设加药口和密封盖，硫酸亚铁补充罐(10)的下部设加药控制阀(11)。

出水沉淀池(21)由有机玻璃制成，底部锥形。锥底部通过铁补充管(24)与上行流人工湿地(28)的底部相连，通过铁补充管(24)上安装的出水池沉淀物控制阀(23)将出水沉淀池(21)底部沉积的含铁物质再次补充进上行流人工湿地(28)的下部粗粒径填料区靠近阳极(16)的区域。出水沉淀池(21)的另一侧连接出水管(22)。

阳极(16)放置于上行流人工湿地(28)的底部以上15cm处，阴极(13)放置于上行流人工湿地(28)上部，阴极(13)露出填料1cm。阴极(13)、阳极(16)通过上行流人工湿地(28)外面的外导线(14)与外电阻(15)相连。

阴极(13)和阳极(16)由多孔碳毡导电网(25)和粒径1-2mm活性炭颗粒导电材料(26)构成。阴极(13)和阳极(16)均加工成圆形，直径15cm，多孔碳毡厚度1cm，两层多孔碳毡之间填充活性炭导电材料，电极厚度0.3m。

整个装置于5月初构建完成，然后在下行流人工湿地(27)添加好氧活性污泥、在上行流人工湿地(28)中添加厌氧污泥，然后通入生活污水进行驯化。

驯化期间，采用间歇运行方式，定期取进出水水样监测主要水质指标CODcr、氨氮、硝氮、TN。待出水指标基本稳定后开始通过计量泵进水进行连续流试验。根据实验数据和植物生长情况，整个系统于6月初达到稳定，且植物长势良好。

连续流试验过程为：生活污水由所述进水泵(1)进入进水沉淀池(2)，经过初步沉淀澄清后，开启进水阀(3)，通过下部穿孔的进水管(4)均匀布水于下行流人工湿地(27)的表层。然后依次通过填料层(6)、(7)、(8)后由下行流出水管(9)进入上行流人工湿地(28)，再依次经过滤料层(19)、(18)、(17)到达上行流出水管(20)，进入出水沉淀池(21)，经过沉淀澄清后，由出水管(22)排出。由于在系统启动阶段，加入50mg/L的硫酸亚铁补充上行流人工湿地(28)中的铁元素，连续流试验过程中，基本没有再补充铁元素，只靠出水沉淀池(21)中的沉淀物对系统铁元素进行补充。

根据实验结果，在HRT＝1d，进水CODcr 250mg/L，氨氮25mg/L，硝氮5mg/L条件下，根据系统在六月份的多次连续流试验结果，其CODcr去除效率为85-92％，TN去除效率为87-98％。通过阴阳极连接万用表测量，通过极化曲线法测得其内阻为400-500欧。

除进水计量蠕动泵耗电外，本发明基本不消耗其它能源。

上述描述仅作为本发明可实施的技术方案提出，不作为对其技术方案本身的单一限制条件。

对比例1

为了对比本发明的优势，在和上述实施例1雷同的在装置中(但是不添加硫酸亚铁)同步进行相关实验，根据实验结果，在HRT＝1d，进水CODcr 250mg/L，氨氮25mg/L，硝氮5mg/L条件下，其CODcr去除效率为56-73％，TN去除效率为42-56％。通过极化曲线法测得其内阻为550-1000欧。和上述实施例1对比，说明添加硫酸亚铁显著降低了内阻，提高了污染物的去除效率。

Claims (9)

1.一种低内阻的微生物燃料电池型复合人工湿地，其特征在于，所述复合人工湿地包括下行流人工湿地( 27) 、硫酸亚铁补充罐( 10) 、上行流人工湿地( 28) 和出水沉淀池( 21) ；所述下行流人工湿地( 27) 和上行流人工湿地( 28) 的下方通过下行流出水管(9) 相连，硫酸亚铁补充罐( 10) 通过加药管( 12) 与下行流出水管( 9) 相连，上行流人工湿地( 28) 通过上行流出水管( 20) 与出水沉淀池( 21) 相连；其中上行流人工湿地(28) 为空气阴极型燃料电池型人工湿地，所述上行流人工湿地( 28) 的上部设置阴极(13) ，阴极( 13) 是厚度为0.2-0.3m的网状电极，阴极( 13) 的下部埋于填料内，和水接触，阴极( 13) 的上部露出填料，与空气接触；上行流人工湿地( 28) 底部的上部设置阳极( 16) ，阳极( 16) 是厚度为0.3-0.4m的网状电极。

2.根据权利要求1所述的复合人工湿地，其特征在于，所述下行流人工湿地( 27) 的上方设置进水管( 4) ；上行流出水管( 20) 设置在上行流人工湿地( 28) 的上方；下行流人工湿地( 27) 是下行流粗粒径填料层( 6) 、下行流中粒径填料层( 7) 和下行流细粒径填料层( 8) 由上而下组成；上行流人工湿地( 28) 是上行流细粒径填料层( 17) 、上行流中粒径填料层( 18) 和上行流粗粒径填料层( 19) 由上而下组成。

3.根据权利要求2所述的复合人工湿地，其特征在于，所述下行流细粒径填料层( 8)的填料粒径为5－6mm，填料填充高度为0.3-0.4m，构成缺氧区；下行流中粒径填料层( 7)填料粒径为6－10mm，填料填充高度为0.4－0.5m，构成兼氧区；下行流粗粒径填料层( 6)填料粒径为10－20mm，填料填充高度为0.5－0.6m，构成好氧区。

4.根据权利要求1或2所述的复合人工湿地，其特征在于，所述下行流人工湿地( 27)的高度为1.2-1.5m；下行流人工湿地( 27) 的上方种植根系深入发达的湿地植物( 5) ，湿地植物( 5) 设置在进水管( 4) 的上方。

5.根据权利要求2所述的复合人工湿地，其特征在于，所述上行流粗粒径填料层( 19)填料粒径为( 5) －8mm，填料填充高度为0.5－0.6m，构成厌氧区；上行流中粒径填料层(18) 填料粒径为2－5mm，填料填充高度为0.4－0.5m，构成缺氧区；上行流细粒径填料层(17) 填料粒径为1－2mm，填料填充高度为0.2－0.3m，构成兼氧区。

6.根据权利要求1或2所述的复合人工湿地，其特征在于，所述上行流人工湿地( 28)的高度为1.2-1.4m；上行流人工湿地( 28) 的上方种植根系较浅的湿地植物( 29) ，湿地植物( 29) 设置在上行流出水管( 20) 的上方。

7.根据权利要求6所述的复合人工湿地，其特征在于，所述阴极( 13) 和阳极( 16) 的材料为碳纤维毡、铁网包裹活性炭或碳毡网包裹活性炭。

8.根据权利要求1所述的复合人工湿地，其特征在于，所述硫酸亚铁补充罐( 10) 的上部设加药口和密封盖，硫酸亚铁补充罐( 10) 的下部设加药控制阀( 11) 。

9.根据权利要求1所述的复合人工湿地，其特征在于，所述出水沉淀池( 21) 的底部形状为锥形，锥底部通过铁补充管( 24) 与上行流人工湿地( 28) 的底部相连，通过铁补充管( 24) 上安装的出水池沉淀物控制阀( 23) 将出水沉淀池( 21) 底部沉积的含铁物质再次补充进上行流人工湿地( 28) 的下部粗粒径填料区靠近阳极( 16) 的区域。

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