CN110697873B - 一种改造下行流人工湿地装置耦合集束式微生物燃料电池的方法 - Google Patents

一种改造下行流人工湿地装置耦合集束式微生物燃料电池的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改造下行流人工湿地装置来耦合集束式微生物燃料电池的方法，包括在目标位置挖洞取芯后插入外套管，在外套管中插入带有进水管的内套管，在内套管内布设微生物燃料电池单体，各内套管内的微生物燃料电池单体形成集束式微生物燃料电池，各内套管的顶端连接布水导流槽，并在各内套管的顶端种植净水植物的步骤。当微生物燃料电池单体输出电压异常，或者出现内套管顶部无水流溢出时，将对应内套管从外套管中取出，进行冲洗或整体更换后重新放回外套管中。本方法具有对湿地系统损伤小、施工操作简便等优点，有利于解决系统堵塞问题，并强化系统净化效率，可达到延长湿地使用寿命的目的，实现对现有下行流人工湿地系统的改造升级。

Description

一种改造下行流人工湿地装置耦合集束式微生物燃料电池的 方法
技术领域
本发明属于环境工程领域，特别是涉及一种改造下行流人工湿地装置耦合集束式微生物燃料电池的方法。
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，现有人工湿地系统在连续运行多年后经常面临堵塞问题，轻则在湿地床体内部形成短流，重则使得系统运行瘫痪，严重影响其使用寿命。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，需要提供简便易行的改造方案提高湿地抗堵塞能力，从而延长湿地整体使用寿命。
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。此外，还有报道将微生物燃料电池用于人工湿地堵塞状况评测（一种基于微生物燃料电池评测人工湿地堵塞状况的装置和方法 CN201710422883.9）。但是，如何对现有人工湿地装置进行改造来耦合微生物燃料电池有待研究。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种改造下行流人工湿地装置耦合集束式微生物燃料电池的方法，针对已实现规模化应用的人工湿地系统，植入微生物燃料电池模块进行升级改造，解决系统堵塞问题，并进一步提升净化效率。
技术方案：一种改造下行流人工湿地装置耦合集束式微生物燃料电池的方法，包括如下步骤：
步骤1：暂停目标湿地的运行，根据目标湿地的堵塞情况对目标湿地进行休整来恢复湿地功能；
步骤2：设计微生物燃料电池植入点位与植入深度，避开目标湿地床体底部管道；
步骤3：根据步骤2结果，使用钻孔取芯机在目标湿地床体对应位置挖洞取芯后，立即插入外套管，所述外套管的底部封闭；
步骤4：在所述外套管内插入内套管，所述内套管的底部封闭，所述内套管外侧壁底部位置设有连通管内的进水口，所述进水口连接进水管；将目标湿地表层的穿孔布水管替换为所述湿地配水管，各进水管与湿地配水管连接；
步骤5：在每个内套管内布设电极形成微生物燃料电池单体，各内套管内的微生物燃料电池单体形成集束式微生物燃料电池，通过导线将各微生物燃料电池单体阴、阳级连接至设置在湿地外部的电源检测与管理系统；
步骤6：各内套管的顶端通过异径变头与布水导流槽连接；
步骤7：在各内套管的顶端的异径变头内种植有净水植物。
进一步的，所述步骤5中，所述微生物燃料电池单体包括在所述内套管的中下部填充的柱状颗粒石墨层，在所述柱状颗粒石墨层的顶部和底部均铺设不锈钢网，在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，所述步骤3中，在挖洞取芯前先对目标湿地床体储水，然后在微生物燃料电池植入点位插入不锈钢液氮导管并灌入液氮冷冻后，再进行钻孔取芯。
进一步的，在所述内套管外侧对应微生物燃料电池单体的阴级和阳极的位置打孔并插入钛丝，所述钛丝分别通过绝缘导线连接到所述电源检测与管理系统。
进一步的，当所述电源检测与管理系统显示单个或多个微生物燃料电池单体输出电压异常，或者出现单个或多个内套管顶部无水流溢出时，将对应内套管从外套管中取出，进行冲洗或整体更换后重新放回外套管中。
进一步的，还包括更换湿地植物步骤，在湿地区域种植浅根系湿地净化植物。
进一步的，净水植物的根系层位于所述碳毡和顶层不锈钢网之间。
进一步的，所述外套管为外覆钢丝网的PVC管。
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、沸石或两者的混合。
有益效果：本发明提供了一种改造下行流人工湿地装置耦合集束式微生物燃料电池的方法，具有对湿地系统损伤小、施工操作简便等优点，有利于解决系统堵塞问题，并强化系统净化效率，可达到延长湿地使用寿命的目的，实现对现有下行流人工湿地系统的改造升级。
附图说明
图1是本发明方法中微生物燃料电池结构分解示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
一种改造下行流人工湿地装置耦合集束式微生物燃料电池的方法，包括如下步骤：
步骤1：暂停目标湿地的运行，根据目标湿地的堵塞情况对目标湿地进行休整来恢复湿地功能。具体的，根据堵塞情况从轻到重可以依次采取放空休整、投加蚯蚓卵茧或活体、移除湿地表层滤料等措施。
步骤2：对照目标湿地建造时的设计施工图纸，设计微生物燃料电池植入点位与植入深度，避开目标湿地床体及底部管道；在不会对湿地床体及底部管道造成损害的前提下，微生物燃料电池可采取均匀分布的方式，如9平方米人工湿地，每平方米布置一个微生物燃料电池单体，耦合以3*3排布的集束式微生物燃料电池。
步骤3：根据步骤2结果，使用钻孔取芯机在目标湿地床体的对应位置挖洞取芯后，立即插入外套管2，外套管2为内径160mm的外覆钢丝网的PVC管，外套管2底部封闭。如挖洞取芯后由于内部坍塌难以植入外套管时，先在挖洞取芯前先对目标湿地床体储水，然后在微生物燃料电池植入点位插入不锈钢液氮导管并灌入液氮冷冻后，再进行钻孔取芯。
步骤4：在外套管2内插入内径125mm的内套管1，内套管1的底部封闭。内套管外侧壁底部位置设有连通管内的进水口4，进水口4连接内径15mm的进水管3。同时，替换湿地表层的原有穿孔布水管，在相同位置安装无孔的湿地配水管，并与各进水管3连接。具体结构参考图1。
步骤5：在内套管内布设电极与功能性填料组装为微生物燃料电池单体，多组微生物燃料电池单体组合成为集束式微生物燃料电池，各微生物燃料电池单体阴、阳级可根据需要通过串、并联的方式自由组合，并连接至设置在湿地外部的电源检测与管理系统。具体的，微生物燃料电池单体包括在内套管的中下部填充5*6mm的柱状颗粒石墨层，柱状颗粒石墨层作为集束式微生物燃料电池阳级。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。内套管表层的水气交界面处铺设碳毡，碳毡作为集束式微生物燃料电池阴级，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、沸石或两者的混合，用于进一步提升脱氮除磷效果。在内套管外侧对应微生物燃料电池单体的阴级和阳极的位置打孔并插入钛丝，钛丝分别通过绝缘导线引出后，连接到电源检测与管理系统。
步骤6：各内套管1的顶端通过异径变头5与布水导流槽6连接。
步骤7：在各内套管1顶端的异径变头5内种植有净水植物，如美人蕉、芦苇、再力花等根系发达水生植物。净水植物的根系层位于碳毡和柱状颗粒石墨层顶部不锈钢网之间。
进水管用于将湿地进水导入内套管底部，并向上流动，内套管上端通过异径变头与布水导流槽相连，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。在湿地区域种植浅根系湿地净化植物，如千屈菜、鸢尾、水葱等。
运行改造后的湿地系统，当电源检测与管理系统显示单个或多个微生物燃料电池单体输出电压异常，或者出现单个或多个内套管顶部无水流溢出时，将对应内套管从外套管中取出，进行冲洗或整体更换后重新放回外套管中。
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，两组装置在本发明实施前后对生活污水的净化效果。
表1为本发明实施例对人工湿地净化效果的提升作用：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
由上述结果可知，本发明实施后能够显著提升人工湿地对生活污水原水的净化效果。此外，未按本发明进行改造的人工湿地表层存在较长时间的壅水现象，而本发明实施例长时间运行后也不存在壅水现象。
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 (9)

1.一种改造下行流人工湿地装置耦合集束式微生物燃料电池的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：暂停目标湿地的运行，根据目标湿地的堵塞情况对目标湿地进行休整来恢复湿地功能；
步骤2：设计微生物燃料电池植入点位与植入深度，避开目标湿地床体底部管道；
步骤3：根据步骤2结果，使用钻孔取芯机在目标湿地床体对应位置挖洞取芯后，立即插入外套管，所述外套管的底部封闭；
步骤4：在所述外套管内插入内套管，所述内套管的底部封闭，所述内套管外侧壁底部位置设有连通管内的进水口，所述进水口连接进水管；将目标湿地表层的穿孔布水管替换为湿地配水管，各进水管与湿地配水管连接；
步骤5：在每个内套管内布设电极形成微生物燃料电池单体，各内套管内的微生物燃料电池单体的阴级和阳级通过导线以串联或并联的方式自由组合，形成集束式微生物燃料电池，并连接至设置在湿地外部的电源检测与管理系统；
步骤6：各内套管的顶端通过异径变头与布水导流槽连接；
步骤7：在各内套管的顶端的异径变头内种植有净水植物；
当所述电源检测与管理系统显示单个或多个微生物燃料电池单体输出电压异常，或者出现单个或多个内套管顶部无水流溢出时，将对应内套管从外套管中取出，进行冲洗或整体更换后重新放回外套管中。
2.根据权利要求1所述的改造下行流人工湿地装置耦合集束式微生物燃料电池的方法，其特征在于，所述步骤5中，所述微生物燃料电池单体包括在所述内套管的中下部填充的柱状颗粒石墨层，在所述柱状颗粒石墨层的顶部和底部均铺设不锈钢网，在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。
3.根据权利要求1或2所述的改造下行流人工湿地装置耦合集束式微生物燃料电池的方法，其特征在于，所述步骤3中，在挖洞取芯前先对目标湿地床体储水，然后在微生物燃料电池植入点位插入不锈钢液氮导管并灌入液氮冷冻后，再进行钻孔取芯。
4.根据权利要求2所述的改造下行流人工湿地装置耦合集束式微生物燃料电池的方法，其特征在于，在所述内套管外侧对应微生物燃料电池单体的阴级和阳极的位置打孔并插入钛丝，所述钛丝分别通过绝缘导线连接到所述电源检测与管理系统。
5.根据权利要求1或2所述的改造下行流人工湿地装置耦合集束式微生物燃料电池的方法，其特征在于，还包括更换湿地植物步骤，在湿地区域种植浅根系湿地净化植物。
6.根据权利要求2所述的改造下行流人工湿地装置耦合集束式微生物燃料电池的方法，其特征在于，净水植物的根系层位于所述碳毡和顶层不锈钢网之间。
7.根据权利要求1或2所述的改造下行流人工湿地装置耦合集束式微生物燃料电池的方法，其特征在于，所述外套管为外覆钢丝网的PVC管。
8.根据权利要求2所述的改造下行流人工湿地装置耦合集束式微生物燃料电池的方法，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。
9.根据权利要求2所述的改造下行流人工湿地装置耦合集束式微生物燃料电池的方法，其特征在于，所述脱氮除磷填料为粒径为5-8mm的陶粒或沸石，或两者的混合。
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