CN110683648A - 一种微生物燃料电池耦合人工湿地的污水脱氮系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微生物燃料电池耦合人工湿地污水脱氮系统及方法，包括并排竖向布置的上行流单元和下行流单元，上行流单元包括由下至上依次布置的进水口、布水区、填料层、上行流阳极和上行流阴极，下行流单元包括由上至下依次布置的配水区、下行流阴极、填料层、下行流阳极、集水区和出水口，上行流单元和下行流单元的顶部之间通过连通管相连，上行流阴极和下行流阴极中均种植有湿生挺水植物，两个阳极之间通过金属钛丝相连，并分别与上行流阴极和下行流阴极以及外接的电阻形成两条回路。本发明促进人工湿地与微生物燃料电池两项技术的深度耦合，同步实现有机物去除、脱氮与生物产电，有望同时解决环境污染和能源危机双重问题。

Description

一种微生物燃料电池耦合人工湿地的污水脱氮系统及方法
技术领域
本发明涉及环境工程领域，特别是涉及一种微生物燃料电池耦合人工湿地的污水脱氮系统及方法。
背景技术
微生物燃料电池(MFC)是一种利用产电微生物将有机物的化学能转化为电能的新兴技术。MFC首先通过微生物在低电势的阳极催化有机物分解，产生电子和质子，然后，电子通过外电路到达高电势阴极并与电子受体(O2、NO2 -和NO3 -等)和来自阳极的质子相结合，实现污染物降解并产生电能。随着MFC研究的扩展，出现了与膜生物反应器(MBR)、膜曝气生物反应器(MABR)、厌氧-缺氧-好氧工艺(A2/O)及人工湿地(CW)等组成的耦合系统。
其中，CW由基质、植物与微生物三大要素组成，可通过物理、化学和生物三重协同作用净化污水，具有建造及运行费用低、维护简单、景观良好等优点，已被广泛应用于市政及工农业废水的处理。不过，为保障净化效果，CW水力停留一般较长，需要占用较大面积土地；为提高脱氮效率，解决反硝化阶段碳源不足问题，需要额外投加有机物碳源。受制于上述问题，目前CW的大规模推广应用遇到了瓶颈。由于CW可形成下部缺氧、上部好氧的状态，能为MFC提供所需的氧化还原梯度，而MFC有助于CW突破瓶颈，人工湿地-微生物燃料电池耦合系统(CW-MFC)已受到国内外广泛关注，具有极大的研究价值和应用潜力。
对于CW-MFC，如能充分发挥湿地植物根际效应、促进产电细菌与污染物降解细菌的富集与配合，并强化MFC两极与CW三要素间的协同作用，将有利于CW与MFC两项技术的深度耦合，同步实现有机物去除、脱氮与生物产电，有望同时解决环境污染和能源危机双重问题。
如专利公开号为CN105540860A的名称为一种微生物燃料电池人工湿地产电原位利用水体净化方法的发明专利公开了一种垂直流CW-MFC装置，选用导电颗粒作为系统阴、阳极，降低了两级间距，提升了有机物净化性能，然而所采用的上行流运行模式不利于反硝化脱氮。
如专利公开号为CN103708622B的名称为一种高效处理有机污水的微生物燃料电池人工湿地的发明专利公开了一种水平流CW-MFC装置，分别在阴极区与阳极区设置了若干曝气管与排气管，该发明污水处理效果较好，然而需要人工曝气充氧，增加了系统能耗。
再如专利公开号为CN105836894A的名称为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的发明专利公开了一种潮汐流CW-MFC装置，通过水流运行方式的控制，提高了氧传递效率，无需在阴极曝气也能保持较高净化效率，然而系统运行方式过于复杂，难以放大。
由此可见，虽然相对于CW而言，CW-MFC在污水处理效果方面有一定提升，而且实现了产电，但是上述问题的存在使得CW-MFC系统设计仍然有待进一步改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种微生物燃料电池耦合人工湿地的污水脱氮系统及方法，促进人工湿地与微生物燃料电池两项技术的深度耦合，同步实现有机物去除、脱氮与生物产电，有望同时解决环境污染和能源危机双重问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种微生物燃料电池耦合人工湿地污水脱氮系统，包括并排竖向布置的上行流单元和下行流单元，所述的上行流单元包括由下至上依次布置的进水口、布水区、填料层、上行流阳极和上行流阴极，所述的下行流单元包括由上至下依次布置的配水区、下行流阴极、填料层、下行流阳极、集水区和出水口，所述的上行流单元和下行流单元的顶部之间通过连通管相连，所述的上行流阴极和下行流阴极中均种植有湿生挺水植物，所述的上行流阴极为石墨毡，下行流阴极为包裹不锈钢网的石墨颗粒层，所述的上行流阳极与下行流阳极为石墨毡或穿孔石墨板或包裹不锈钢网的石墨颗粒层，两个阳极之间通过金属钛丝相连，并分别与上行流阴极和下行流阴极以及外接的电阻形成两条回路。
作为对本发明所述的技术方案的一种补充，所述的出水口与外部的垂直插管的下端相连。
进一步的，所述的上行流阳极与上行流阴极之间居中的位置安装有透水根系阻隔层。
进一步的，所述的上行流单元与下行流单元外形为圆柱体或长方体，采用PVC或PP或PMMA材质制成。
进一步的，所述的湿生挺水植物为美人蕉、芦苇、鸢尾、菖蒲中的一种或多种，密度为20株/m2。
进一步的，所述的布水区和集水区内填充有粒径为10mm-30mm的鹅卵石或碎石。
进一步的，所述的电阻的电阻值为1000Ω。
一种微生物燃料电池耦合人工湿地污水脱氮系统的方法，具体步骤如下：
(a)构建所述的微生物燃料电池耦合人工湿地污水脱氮系统，采用连续或间歇流进水方式，进水为生活污水、富营养化地表水；
(b)开启水泵，将待处理污水经进水口泵入所述的上行流单元，经布水区后，垂直向上流过填料层、上行流阳极和上行流阴极，在顶端经连通管流入所述的下行流单元；
(c)汇入配水区的水体，达到一定深度后溢出，经跌水增氧，垂直向下流过下行流阴极、填料层和下行流阳极，经集水区后经出水口与垂直插管流出系统。
有益效果：本发明涉及一种微生物燃料电池耦合人工湿地的污水脱氮系统及方法，促进人工湿地与微生物燃料电池两项技术的深度耦合，具有结构简单、操作方便等优点，可有效提升对污水的脱氮效果，同时还能回收电能，本发明专利提供的装置与方法可广泛应用于处理各类含有机物和氮素的污水，亦可用于受污染河、湖水体水质改善。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图示：1、进水口；2、布水区；3、填料层；4、上行流阳极；5、透水根系阻隔层；6、上行流阴极；7、连通管；8、配水区；9、下行流阴极；10、下行流阳极；11、集水区；12、出水口；13、垂直插管；14、湿生挺水植物。
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。
如图1所示，本发明的实施方式涉及一种微生物燃料电池耦合人工湿地污水脱氮系统及方法，包括并排竖向布置的上行流单元和下行流单元，所述的上行流单元包括由下至上依次布置的进水口1、布水区2、填料层3、上行流阳极4和上行流阴极6，所述的下行流单元包括由上至下依次布置的配水区8、下行流阴极9、填料层3、下行流阳极10、集水区11和出水口12，所述的上行流单元和下行流单元的顶部之间通过连通管7相连，所述的上行流阴极6和下行流阴极9中均种植有湿生挺水植物14，所述的上行流阴极6为石墨毡，下行流阴极9为包裹不锈钢网的石墨颗粒层，所述的上行流阳极4与下行流阳极10为石墨毡或穿孔石墨板或包裹不锈钢网的石墨颗粒层，两个阳极之间通过金属钛丝相连，并分别与上行流阴极6和下行流阴极9以及外接的电阻形成两条回路，所述的电阻的电阻值为1000Ω。
所述的出水口12与外部的垂直插管13的下端相连。
所述的上行流阳极4与上行流阴极6之间居中的位置安装有透水根系阻隔层5。
所述的上行流单元与下行流单元外形为圆柱体或长方体，采用PVC或PP或PMMA材质制成。
所述的湿生挺水植物14为美人蕉、芦苇、鸢尾、菖蒲中的一种或多种，密度为20株/m2。
所述的布水区2和集水区11内填充有粒径为10mm-30mm的鹅卵石或碎石。
作为本发明的一种实施例，具体步骤如下：
(a)构建所述的微生物燃料电池耦合人工湿地污水脱氮系统，采用连续或间歇流进水方式，进水为生活污水、富营养化地表水；
(b)开启水泵，将待处理污水经进水口1泵入所述的上行流单元，经布水区2后，垂直向上流过填料层3、上行流阳极4和上行流阴极6，在顶端经连通管7流入所述的下行流单元；
(c)汇入配水区8的水体，达到一定深度后溢出，经跌水增氧，垂直向下流过下行流阴极9、填料层3和下行流阳极10，经集水区11后经出水口12与垂直插管13流出系统。
由表1可知，进水中总氮、氨氮、总磷和化学需氧量浓度分别为24.04±5.73mg/L、15.70±3.42mg/L、12.64±4.59mg/L和248±69mg/L，本实施例中双阴极微生物燃料电池耦合人工湿地污水脱氮系统对上述指标的净化效率分别为70％、82％、98％和83％，相比于仅经过上行流单元处理，采用上行流、下行流单元两级处理后，系统对污水中总氮和氨氮的净化效率有进一步提升，出水各项指标能够满足一级A排放标准。
表1本实施例对污水的净化效果
本发明具促进人工湿地与微生物燃料电池两项技术的深度耦合，具有结构简单、操作方便等优点，可有效提升对污水的脱氮效果，同时还能回收电能，本发明专利提供的装置与方法可广泛应用于处理各类含有机物和氮素的污水，亦可用于受污染河、湖水体水质改善。

Claims (8)

1.一种微生物燃料电池耦合人工湿地污水脱氮系统，其特征在于，包括并排竖向布置的上行流单元和下行流单元，所述的上行流单元包括由下至上依次布置的进水口(1)、布水区(2)、填料层(3)、上行流阳极(4)和上行流阴极(6)，所述的下行流单元包括由上至下依次布置的配水区(8)、下行流阴极(9)、填料层(3)、下行流阳极(10)、集水区(11)和出水口(12)，所述的上行流单元和下行流单元的顶部之间通过连通管(7)相连，所述的上行流阴极(6)和下行流阴极(9)中均种植有湿生挺水植物(14)，所述的上行流阴极(6)为石墨毡，下行流阴极(9)为包裹不锈钢网的石墨颗粒层，所述的上行流阳极(4)与下行流阳极(10)为石墨毡或穿孔石墨板或包裹不锈钢网的石墨颗粒层，两个阳极之间通过金属钛丝相连，并分别与上行流阴极(6)和下行流阴极(9)以及外接的电阻形成两条回路。
2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池耦合人工湿地污水脱氮系统，其特征在于：所述的出水口(12)与外部的垂直插管(13)的下端相连。
3.根据权利要求2所述的微生物燃料电池耦合人工湿地污水脱氮系统，其特征在于：所述的上行流阳极(4)与上行流阴极(6)之间居中的位置安装有透水根系阻隔层(5)。
4.根据权利要求1所述的微生物燃料电池耦合人工湿地污水脱氮系统，其特征在于：所述的上行流单元与下行流单元外形为圆柱体或长方体，采用PVC或PP或PMMA材质制成。
5.根据权利要求1所述的微生物燃料电池耦合人工湿地污水脱氮系统，其特征在于：所述的湿生挺水植物(14)为美人蕉、芦苇、鸢尾、菖蒲中的一种或多种，密度为20株/m2。
6.根据权利要求1所述的微生物燃料电池耦合人工湿地污水脱氮系统，其特征在于：所述的布水区(2)和集水区(11)内填充有粒径为10mm-30mm
的鹅卵石或碎石。
7.根据权利要求1所述的微生物燃料电池耦合人工湿地污水脱氮系统，其特征在于：所述的电阻的电阻值为1000Ω。
8.一种根据权利要求1所述的微生物燃料电池耦合人工湿地污水脱氮系统的方法，具体步骤如下：
(a)构建所述的微生物燃料电池耦合人工湿地污水脱氮系统，采用连续或间歇流进水方式，进水为生活污水、富营养化地表水；
(b)开启水泵，将待处理污水经进水口(1)泵入所述的上行流单元，经布水区(2)后，垂直向上流过填料层(3)、上行流阳极(4)和上行流阴极(6)，在顶端经连通管(7)流入所述的下行流单元；
(c)汇入配水区(8)的水体，达到一定深度后溢出，经跌水增氧，垂直向下流过下行流阴极(9)、填料层(3)和下行流阳极(10)，经集水区(11)后经出水口(12)与垂直插管(13)流出系统。
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