CN110697872A - 一种耦合集束式微生物燃料电池的人工湿地装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耦合集束式微生物燃料电池的人工湿地装置，包括湿地腔体，湿地腔体通过隔板分隔为净化区和集水区两部分，隔板底部设有用于连通净化区和集水区的过水槽。净化区内布设有净水管道，净水管道内布设有集束式微生物燃料电池，净水管道的入水口位于净化区的底部，净水管道的排水口位于净化区的顶部，净化区顶部还设有连接净水管道排水口的布水导流槽，净化区内的其余空间填充湿地填料，并栽种湿地净化植物。本发明具有结构简单，模块化组装等优点，多重过滤结构以及内套管快速更换结构有利于强化系统净化效率、解决系统堵塞问题，达到缩减湿地占地面积、延长湿地使用寿命的目的，实现人工湿地‑微生物燃料电池系统的规模化工程应用。

Description

一种耦合集束式微生物燃料电池的人工湿地装置
技术领域
本发明属于环境工程领域，特别是涉及一种耦合集束式微生物燃料电池的人工湿地装置。
背景技术
相比于传统污水集中处理系统，人工湿地具有建造及运行费用低、维护简单、景观良好等优点，已被广泛应用于多种类型污水的分散处理。不过，为保持高效、稳定的净化效率，人工湿地往往需要占用大面积土地。
微生物燃料电池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。基于人工湿地下部缺氧、上部好氧的氧化还原环境，已有报道将微生物燃料电池植入其中，利于提升单位面积人工湿地对各种污染物的净化效率，从而缩减人工湿地占地面积。然而，相比于已实现规模化应用的人工湿地，人工湿地-微生物燃料电池耦合系统大多停留在实验室小试规模，目前尚未突破规模化实际工程应用的难题。
人工湿地在已有工程实践中经常面临堵塞问题，轻则在湿地床体内部形成短流，重则使得系统运行瘫痪，严重影响人工湿地的使用寿命。虽然通过优化基质级配或停休并投加蚯蚓(CN201410204567.0一种解决湿地堵塞问题的方法)等预防或治理措施可缓解湿地堵塞，延长人工湿地使用寿命，但是仍然无法根治堵塞问题。由于难以定位堵塞具体部位，根治堵塞问题往往需要对湿地床体表层甚至全部滤料进行冲洗或更换，工程量较大且施工较为困难，对湿地植物、微生物和内埋管道均会造成不利影响。此外，滤料冲洗废水或移除的湿地滤料也难以处置。为了应对湿地堵塞问题，需要提供更为简便易行的方案。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种耦合集束式微生物燃料电池的人工湿地装置，解决系统堵塞问题，实现人工湿地-微生物燃料电池系统的规模化工程应用。
技术方案：一种耦合集束式微生物燃料电池的人工湿地装置，包括湿地腔体，所述湿地腔体通过隔板分隔为净化区和集水区两部分，所述隔板底部设有用于连通所述净化区和集水区的过水槽；所述净化区内布设有净水管道，所述净水管道内布设有集束式微生物燃料电池，所述净水管道的入水口位于所述净化区的底部，所述净水管道的排水口位于所述净化区的顶部，所述净化区顶部还设有连接所述净水管道排水口的布水导流槽，所述净化区内的其余空间填充湿地填料，并栽种湿地净化植物；所述集水区的水面上铺设带有种植孔的浮板，所述种植孔内种植净水植物，所述集水区的侧壁上部设有排水管。
进一步的，所述净水管道包括位于所述净化区底部的主管以及垂直设置并连接所述主管的内套管，所述主管包括连接所述入水口的若干支路管道，所述支路管道为多通管，所述支路管通过异径变头连接所述内套管的底端，各内套管的顶端通过异径变头连接所述布水导流槽；所述内套管外侧还套有外套管，所述外套管的底部设有防止所述湿地填料侵入腔体的密封结构。
进一步的，在每个内套管中布设微生物燃料电池单体，各内套管中的微生物燃料电池单体组合成所述集束式微生物燃料电池；所述内套管的中下部填充柱状颗粒石墨层，在所述柱状颗粒石墨层的顶部和底部均铺设不锈钢网，所述内套管表层的水气交界面处铺设碳毡，所述碳毡和顶层不锈钢网之间以及底层不锈钢网下方均填充有脱氮除磷填料，所述内套管底层为格栅状或网状透水结构；其中，所述柱状颗粒石墨层作为微生物燃料电池单体的阳级，所述碳毡作为微生物燃料电池单体的阴级。
进一步的，所述净化区底部的主管上浇筑混凝土保护或铺设碎石后上覆玻璃钢格栅保护，所述外套管的底部与所述混凝土或玻璃钢格栅之间密封连接，形成所述密封结构。
进一步的，所述内套管顶部连接的所述异径变头内种植有净水植物。
进一步的，所述柱状颗粒石墨的直径为5mm，高度为6mm。
进一步的，所述柱状颗粒石墨层和不锈钢网的整体层高为5-10cm，所述碳毡距离所述柱状颗粒石墨层10-40cm。
进一步的，所述脱氮除磷填料为粒径为5-8mm的陶粒或沸石。
有益效果：本发明的一种耦合集束式微生物燃料电池的人工湿地装置，具有结构简单，模块化组装等优点，多重过滤结构以及内套管快速更换结构有利于强化系统净化效率、解决系统堵塞问题，达到缩减湿地占地面积、延长湿地使用寿命的目的，实现人工湿地-微生物燃料电池系统的规模化工程应用。
附图说明
图1是本发明装置的整体结构示意图；
图2是净化区内装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种耦合集束式微生物燃料电池的人工湿地装置，包括由混凝土、PVC或PP板制成的长宽高为1.2*1*1m的湿地腔体1，湿地腔体1半埋于地下用于保温。湿地腔体1通过隔板2分隔为净化区和集水区两部分，面积分别为1m2和0.2m2。隔板2底部设有用于连通净化区和集水区的过水槽。湿地腔体1也可通过铺设土工膜形成。
净化区内布设有净水管道，净水管道内布设有集束式微生物燃料电池，净水管道的入水口位于净化区的底部，净水管道的排水口位于净化区的顶部。净化区顶部还设有连接净水管道排水口的布水导流槽11。净化区内的其余空间填充湿地填料，如粒径为10-30mm的碎石、石英砂等，并栽种湿地净化植物，如千屈菜、水葱等，种植密度10-20株/m2。集水区的水面上铺设带有种植孔的浮板，种植孔内种植净水植物，如将水雍菜、鸢尾等植物通过种植杯安放在浮板种植孔，通过植物根系进一步净化水质，同时遮光避免集水区藻类生长。集水区的侧壁上部设有排水管3，经净化区处理后的水体经由排水管3排出系统。
具体的，如图2所示，净水管道包括位于净化区底部的主管以及垂直设置并连接主管的内套管10。主管包括连接入水口的若干支路管道，支路管道为多通管，支路管通过异径变头8连接内套管10的底端。各内套管10的顶端作为净水管道的排水口，通过异径变头8连接布水导流槽11。本实施例中，主管由内径为75mm的三根一分三通管4、一个四通接头5、两个弯头6组成。四通接头5的一口作为污水入水口连接水泵，另外三口分别连接一根一分三通管4，一分三通管4的各通路口向上设置并通过75mm转125mm异径变头8连接垂直设置的内套管10。主管上浇筑混凝土保护，或铺设碎石后上覆玻璃钢格栅保护。
在每个内套管10中布设微生物燃料电池单体，微生物燃料电池单体包括在内套管10的中下部填充5*6mm的柱状颗粒石墨层，柱状颗粒石墨层作为微生物燃料电池单体的阳级。在柱状颗粒石墨层的顶部和底部均铺设不锈钢网，柱状颗粒石墨层和不锈钢网的整体层高为5-10cm。内套管10表层的水气交界面处铺设碳毡，碳毡作为微生物燃料电池单体的阴级，碳毡距离柱状颗粒石墨层10-40cm。碳毡和顶层不锈钢网之间以及底层不锈钢网下方均填充有脱氮除磷填料，如粒径5-8mm的陶粒、沸石，用于进一步提升脱氮除磷效果。内套管10底层为格栅状或网状透水结构，可支撑上覆填充物，避免填料落入净化区底部的主管，又不阻碍主管来水向上流过。各集束式微生物燃料电池的阴、阳级均由钛丝引出后，根据需要通过串、并联的方式自由组合，经由绝缘铜线与电源管理系统相连，各内套管10中的微生物燃料电池单体组合成集束式微生物燃料电池。
各内套管10外侧还套有外套管9，外套管9的底部设有防止湿地填料侵入腔体的密封结构。具体的，内套管10和外套管9分别为直径60mm和125mm的PVC管，外套管9用于形成内套管10的支护腔。外套管9的底部与混凝土或玻璃钢格栅之间密封连接，形成防止湿地填料侵入腔体的密封结构，如将外套管9的底部在浇筑时直接插入混凝土中。
本发明的耦合集束式微生物燃料电池的人工湿地装置中，内套管10下端通过异径变头8与主管活接，使得从入水口输送的污水经由内套管10向上流动。内套管10上端通过异径变头8与布水导流槽11相连，用于将经微生物燃料电池处理后的溢流水体均匀分布至湿地内。内套管10顶部连接的异径变头8内种植有美人蕉、芦苇、再力花等净水植物，净水植物的根系层位于碳毡和顶层不锈钢网之间。布水导流槽11溢出的水体经由湿地植物、填料与微生物进一步处理后，向下流至湿地腔体1净化区底部，经隔板2向上流至湿地腔体1集水区，经由排水管3排出系统。人工湿地进水在流经内套管10时，大部分悬浮颗粒物被截留，当运行一段时间后，可能出现单个或多个内套管10堵塞的现象，但同时也显著降低了内套管10外侧人工湿地床体出现堵塞的可能性。当单个或多个内套管10无水流溢出或输出电压异常时，说明这些内套管可能出现了堵塞现象，可将内套管10从外套管9中取出，进行冲洗或更换填料或整体更换后重新放回外套管9中，使得堵塞集中发生在易于维护的区域。
本发明在具体实施过程中，取得了较好的效果。下表是在处理水量为3.6m3/d的条件下，本发明实施过程中对生活污水的净化效果。
表1为本发明实施例对生活污水中氮、磷、COD的净化效果：
Figure BDA0002217635590000041
由上述结果可知，本发明对生活污水原水具有较好脱氮除磷效果，能保障出水氮、磷与COD指标达到一级A排放标准。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种耦合集束式微生物燃料电池的人工湿地装置，其特征在于：包括湿地腔体(1)，所述湿地腔体(1)通过隔板(2)分隔为净化区和集水区两部分，所述隔板(2)底部设有用于连通所述净化区和集水区的过水槽；所述净化区内布设有净水管道，所述净水管道内布设有集束式微生物燃料电池，所述净水管道的入水口位于所述净化区的底部，所述净水管道的排水口位于所述净化区的顶部，所述净化区顶部还设有连接所述净水管道排水口的布水导流槽(11)，所述净化区内的其余空间填充湿地填料，并栽种湿地净化植物；所述集水区的水面上铺设带有种植孔的浮板，所述种植孔内种植净水植物，所述集水区的侧壁上部设有排水管(3)。
2.根据权利要求1所述的耦合集束式微生物燃料电池的人工湿地装置，其特征在于：所述净水管道包括位于所述净化区底部的主管以及垂直设置并连接所述主管的内套管(10)，所述主管包括连接所述入水口的若干支路管道，所述支路管道为多通管，所述支路管通过异径变头(8)连接所述内套管(10)的底端，各内套管(10)的顶端通过异径变头(8)连接所述布水导流槽(11)；所述内套管(10)外侧还套有外套管(9)，所述外套管(9)的底部设有防止所述湿地填料侵入腔体的密封结构。
3.根据权利要求2所述的耦合集束式微生物燃料电池的人工湿地装置，其特征在于：在每个内套管(10)中布设微生物燃料电池单体，各内套管(10)中的微生物燃料电池单体组合成所述集束式微生物燃料电池；所述内套管(10)的中下部填充柱状颗粒石墨层，在所述柱状颗粒石墨层的顶部和底部均铺设不锈钢网，所述内套管(10)表层的水气交界面处铺设碳毡，所述碳毡和顶层不锈钢网之间以及底层不锈钢网下方均填充有脱氮除磷填料，所述内套管(10)底层为格栅状或网状透水结构；其中，所述柱状颗粒石墨层作为微生物燃料电池单体的阳级，所述碳毡作为微生物燃料电池单体的阴级。
4.根据权利要求2或3所述的耦合集束式微生物燃料电池的人工湿地装置，其特征在于：所述净化区底部的主管上浇筑混凝土保护或铺设碎石后上覆玻璃钢格栅保护，所述外套管(9)的底部与所述混凝土或玻璃钢格栅之间密封连接，形成所述密封结构。
5.根据权利要求2或3所述的耦合集束式微生物燃料电池的人工湿地装置，其特征在于：所述内套管(10)顶部连接的所述异径变头(8)内种植有净水植物，净水植物的根系层位于所述碳毡和顶层不锈钢网之间。
6.根据权利要求3所述的耦合集束式微生物燃料电池的人工湿地装置，其特征在于：所述柱状颗粒石墨的直径为5mm，高度为6mm。
7.根据权利要求6所述的耦合集束式微生物燃料电池的人工湿地装置，其特征在于：所述柱状颗粒石墨层和不锈钢网的整体层高为5-10cm，所述碳毡距离所述柱状颗粒石墨层10-40cm。
8.根据权利要求3或6或7所述的耦合集束式微生物燃料电池的人工湿地装置，其特征在于：所述脱氮除磷填料为粒径为5-8mm的陶粒、沸石或两者的混合。
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