CN109851035A - 一种人工湿地耦合微生物燃料电池的废水净化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种人工湿地耦合微生物燃料电池的废水净化装置，在人工湿地的基础上布置电极，阴极和阳极通过导线与外部电阻相连，同时将万用表连接在外部电阻以测定输出电压。该装置可以在原来的人工湿地基础上进行改造，实现净化水质、产能双重效果。从废水中提取能量，将实现化学能‑生物能‑电能的转变，达到废物综合利用。该装置可使水中污染物质得到良性循环，同时实现资源的能源化。本发明具有较好经济成本，运行维护简单，且电极形式简易可行，直接回避了微生物燃料电池需要使用昂贵电极的固有缺陷，具有实际工程推广的优势。
Description
技术领域
本发明属于废水处理、微生物同步产电技术领域，具体涉及一种人工湿地耦合微生物燃料电池的废水净化装置。
背景技术
能源紧张和水环境污染随着工业化的不断推进面临越来越大的挑战，其中酿酒过程中产生的大量废水已成为严重的水体污染源之一，若不加以处理直接排放将会对环境产生严重的负面影响。
酿酒废水具可生化性高、易于被生物降解等显著特点，传统的处理方法是厌氧处理与好氧生物处理相结合进行处理，但该方法存在无法避免的缺陷，即出水COD仍然较高，仍会对水体造成影响，若在配置后续处理会违背绿色经济的处理理论。因此，寻求一种能耗低、处理效果好、经济且实现能量转化的处理方法来处理酿酒废水显得迫在眉睫。
相比于传统的二级生物处理，人工湿地具有低成本、低能耗、维护成本低等优点。此外微生物燃料电池这种高效的生物处理方法适用于酿酒废水这类高浓度有机废水的处理，其可将废水中有机物的化学能转化成电能，实现资源能源化合废水净化两重收益。其工作原理是：阳极区域的产电微生物在厌氧条件下分解有机物产生电子和质子，电子通过导线经过外电路后到达阴极，质子则从系统内部到达阴极，电子、质子与阴极区域的氧气反应生成水，从而实现整个氧化还原反应。对于人工湿地与为微生物燃料电池的耦合系统，则是在人工湿地底部实现厌氧状态、表面好氧状态从而满足微生物燃料电池的实现条件以形成耦合系统，可使水中污染物质得到良性循环，同时实现资源的能源化，从而可同时获得废水净化和能源化的双重收益。
目前研究者的人工湿地与微生物燃料电池耦合系统的产电性能并非优良，且微生物燃料电池的固有缺陷——使用的电极材料以及分离膜昂贵使得其大规模推广受阻。
发明内容
本发明的目的在于解决人工湿地耦合微生物燃料电池系统现如今存在的缺陷，针对系统产电性能确定一种电极形式，使得耦合系统不仅可对酿酒废水水质净化效果明显，能源转化效率优良，且直接回避了微生物燃料电池需要使用昂贵电极的固有缺陷，电极形式简易可行、制备电极使用材料价格低廉，系统运行维护简单，具有实际工程推广的优势。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。
一种人工湿地耦合微生物燃料电池的废水净化装置，废水净化装置包括进水桶连通的一个反应器，所述反应器中填充有湿地填料，在湿地填料中由下至上依次布置有底部填料、阳极、阴极和植物，所述阳极与阴极通过导线与外部电阻相连接；还包括一个伸入至阴极底部的曝气条，曝气条与曝气泵连通。
对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：
进一步，所述底部填料通过布水孔板支撑，阳极布置在反应器中部，阴极布置在反应器顶部，并在阴极周边的湿地填料上种植有植物。
进一步，所述阳极包括阳极外框和包裹在阳极外框内部紧密填充的阳极导电填料；所述阳极外框的外围为长方体导电材料，内部为四片导电材料呈井字竖向布置。
进一步，所述阳极外框的材料为碳毡、碳布或不锈钢网中一种或几种组合。
进一步，所述阳极导电填料为石墨、活性炭或生物炭中的一种或几种组合。
进一步，所述阳极导电填料粒径为5～8mm的活性炭。
进一步，所述阳极与阴极之间间隔20cm。
进一步，所述布水孔板上呈阵列分布孔径为Φ8的小孔，小孔的孔距为18～20mm。
进一步，所述底部填料采用粒径为10～30mm的鹅卵石；所述湿地填料采用粒径为4～8mm的沸石；所述植物采用芦苇、香蒲或水葱按1:1种植，高度为50～60cm。
进一步，废水净化装置对有机物COD的最大去除率达97％，TN的最大去除率达92.72％，TP的最大去除率达68.89％，氨氮的最大去除率达99.66％。
本发明的有益效果在于：
在人工湿地的基础上布置电极，阴极和阳极通过导线与外部电阻相连，同时将万用表连接在外部电阻以测定输出电压。阳极进行厌氧及反硝化反应，除碳脱氮，阴极进行好氧硝化反应。植物和填料的存在可以为微生物提供载体，均匀布气，降低曝气量等。该处理方法可以在原来的人工湿地基础上进行改造，实现净化水质、产能双重效果。从废水中提取能量，将实现化学能-生物能-电能的转变，达到废物综合利用。该装置可使水中污染物质得到良性循环，同时实现资源的能源化。
其具有以下特点：
1.本发明具有较好经济成本，且运行维护简单。
2.本发明的电极形式简易可行、制备电极使用材料价格低廉，直接回避了微生物燃料电池需要昂贵电极的固有缺陷，具有实际工程推广的优势。
3.电极形式特别，可有利于提高系统输出电压。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是人工湿地与微生物燃料电池耦合系统整体结构图；
图2是人工湿地与微生物燃料电池耦合系统俯视图；
图3是布水孔板局部图；
图4是阳极外框局部图；
图5是阳极整体俯视图。
图中：1为进水桶，2为蠕动泵，3为进水管，4为布水孔板，5为底部填料，6为湿地填料，7为阳极，8为阴极，9为植物，10为出水堰，11为导线，12为外部电阻，13为万用表，14为曝气泵，15为曝气条，16为阳极外框，17为阳极导电填料。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，为一个人工湿地耦合微生物燃料电池的废水净化装置，包括进水桶1、蠕动泵2和反应器，进水桶1通过进水管3连接蠕动泵2与反应器连通，反应器包括布水孔板4、底部填料5、湿地填料6、阳极7、阴极8、植物9、导线11、外部电阻12和万用表13。反应器模拟垂直向上流人工湿地系统。进水桶1连通反应器底部进水，上部出水。其中，反应器中填充有湿地填料6，在湿地填料中由下至上依次布置底部填料5、阳极7、阴极8及植物9，其中底部填料5通过布水孔板4支撑，阳极7布置在反应器中部，阴极8布置在反应器顶部，并在阴极8周边的湿地填料6上种植有植物9。阳极7与阴极8之间间隔20cm，反应器内部其余体积由湿地填料6填充。阳极7与阴极8通过导线11与外部电阻12相连接，同时将万用表13连接外部电阻12以测定输出电压，电阻为1000Ω。还包括一个伸入至阴极底部的曝气条15，曝气条15与曝气泵14连通。
如图2结合图1所示，反应器的顶部一侧设有出水堰10，反应器的侧壁设溢流口。
如图3所示，布水孔板4上呈阵列分布孔径为Φ8的小孔，小孔的孔距为18～20mm。
该系统最突出的特点在于两个电极的形式。阳极由阳极外框16与阳极导电填料17组成，如图4、图5所示，即阳极外框16包裹内部紧密填充的阳极导电填料17。其中阳极外框16的外围为长方体导电材料；内部为四片导电材料呈井字竖向布置。阳极外框16的材料为导电材料，如碳毡、碳布及不锈钢网等一种或几种组合；阳极导电填料可为石墨、活性炭、生物炭等导电填料的一种或几种组合。通过这样的形式组合，可使阳极区域产电微生物产生的电子更好的接收并传递到外部电阻形成电流，以此提高电压。
阳极导电填料17粒径为5～8mm的活性炭。另外，底部填料5使用粒径为10～30mm的鹅卵石，湿地填料6使用粒径为4～8mm的沸石，植物9使用香蒲和水葱按1:1种植，高度约50cm。
在阴极电极下平面均匀铺设六根曝气条15，以此更好的营造阴极好氧环境，且阴极电极的材料和结构均与阳极相同。
在一个实施例中，反应器为长宽高分别为50cm×50cm×100cm的有机玻璃柱体。布水孔板4至反应器底部5cm为进水区域，通过布水孔板均匀布水，反应器上部5cm为超高，用于溢流出水，即90cm为有效体积，其中下部5cm为承托层，由粒径为1～3cm的鹅卵石构成，起到防止填料流失及均匀布水的作用。反应器总容积为225L，其中阳极体积为75L，阴极体积为50L在有效体积内部，电极以外的体积由沸石填满。反应器侧面有8个取样口以及下进水口和上部出水口，取样口的间距为10cm。
实验处理污水为模拟啤酒废水，从系统底部通过布水孔板经过底部鹅卵石后垂直向上依次流过阳极及阴极再从溢流孔流出系统外，采用连续进水方式，进水为模拟啤酒废水，水力停留时间为3d，原水水质以及经人工湿地与微生物燃料电池耦合系统处理后的出水水质见表1。
表1系统处理出水水质
如表1所示，经过连续两个月运行的实验结果表明，该耦合系统可以有效的处理有机物。同时，还能获得较高水平的产电效果，系统的输出电压在两个月的运行时间内的平均电压为216mv，最高可达629mV。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种人工湿地耦合微生物燃料电池的废水净化装置，其特征在于，废水净化装置包括进水桶(1)连通的一个反应器，所述反应器中填充有湿地填料(6)，在湿地填料(6)中由下至上依次布置有底部填料(5)、阳极(7)、阴极(8)和植物(9)，所述阳极(7)与阴极(8)通过导线(11)与外部电阻(12)相连接；还包括一个伸入至阴极底部的曝气条(15)，曝气条(15)与曝气泵(14)连通。
2.根据权利要求1所述的人工湿地耦合微生物燃料电池的废水净化装置，其特征在于，所述底部填料(5)通过布水孔板(4)支撑，阳极(7)布置在反应器中部，阴极(8)布置在反应器顶部，并在阴极(8)周边的湿地填料(6)上种植有植物(9)。
3.根据权利要求1所述的人工湿地耦合微生物燃料电池的废水净化装置，其特征在于，所述阳极包括阳极外框(16)和包裹在阳极外框(16)内部紧密填充的阳极导电填料(17)；所述阳极外框(16)的外围为长方体导电材料，内部为四片导电材料呈井字竖向布置。
4.根据权利要求3所述的人工湿地耦合微生物燃料电池的废水净化装置，其特征在于，所述阳极外框(16)的材料为碳毡、碳布或不锈钢网中一种或几种组合。
5.根据权利要求3所述的人工湿地耦合微生物燃料电池的废水净化装置，其特征在于，所述阳极导电填料(17)为石墨、活性炭或生物炭中的一种或几种组合。
6.根据权利要求5所述的人工湿地耦合微生物燃料电池的废水净化装置，其特征在于，所述阳极导电填料(17)粒径为5～8mm的活性炭。
7.根据权利要求5所述的人工湿地耦合微生物燃料电池的废水净化装置，其特征在于，所述阳极(7)与阴极(8)之间间隔20cm。
8.根据权利要求1所述的人工湿地耦合微生物燃料电池的废水净化装置，其特征在于，所述布水孔板(4)上呈阵列分布孔径为Φ8的小孔，小孔的孔距为18～20mm。
9.根据权利要求1所述的人工湿地耦合微生物燃料电池的废水净化装置，其特征在于，所述底部填料(5)采用粒径为10～30mm的鹅卵石；所述湿地填料(6)采用粒径为4～8mm的沸石；所述植物(9)采用芦苇、香蒲或水葱按1:1种植，高度为50～60cm。
10.根据权利要求1-9任一项所述的人工湿地耦合微生物燃料电池的废水净化装置，其特征在于，废水净化装置对有机物COD的最大去除率达97％，TN的最大去除率达92.72％，TP的最大去除率达68.89％，氨氮的最大去除率达99.66％。
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| BENJAMIN ERABLE等: "First air-tolerant effective stainless steel microbial anode obtained", 《BIORESOURCE TECHNOLOGY》 * |
| 王同悦 等: "人工湿地/微生物燃料电池技术的发展现状", 《中国给水排水》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110330105A (zh) * | 2019-07-12 | 2019-10-15 | 大连理工大学 | 一种改变人工湿地填料污染累积的方法 |
| CN110330105B (zh) * | 2019-07-12 | 2021-07-16 | 大连理工大学 | 一种改变人工湿地填料污染累积的方法 |
| CN111592115A (zh) * | 2020-06-20 | 2020-08-28 | 中冶节能环保有限责任公司 | 一种微生物燃料电池-人工湿地耦合系统 |
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