CN112047469A - 转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转筒流化阴极的人工湿地‑生物燃料电池耦合系统及应用，涉及电化学与污水处理耦合技术领域，阳极区填充椰壳活性炭，椰壳活性炭中间隔埋设碳毡和呈锯齿状的不锈钢网一，阳极区圆周外围包裹不锈钢网二；固定阴极区填充活性炭，并架设不断转动的钢丝网圆筒，钢丝网圆筒内的阴极基质为呈流化态的球状活性炭，固定阴极区圆周外围包裹不锈钢网三；在阳极区和固定阴极区接种处理后的浓缩污泥，阴、阳两极之间设有外电阻并通过外电路连接。有效减少微生物反硝化所需有机碳源，降低碳氮比，同时获得电能，能达到人工湿地对氮素污染物的进一步强化削减，同时提高系统产电性能，实现废水资源化利用的目的。

Description

转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统及应用

技术领域

本发明涉及电化学与污水处理耦合技术领域，特别是涉及一种转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统及应用。

背景技术

随着社会的发展，水体中含氮污染物的浓度愈来愈高，水体富营养化加剧，危及水生动物，破坏生态平衡，最终危害人体健康。如今，总氮已成为监测水体污染程度的一项重要指标，进行废水的强化脱氮研究是大势所趋。

人工湿地（CW）是人工建造的、将天然净化与人工强化相结合的复合工艺，其主要依靠植物吸收、基质吸附以及微生物降解代谢这三种途径去除氮元素。光合作用是植物生长繁殖和净化污水的能量来源。湿地植物通过叶片的光合作用产生两部分氧气，一部分供给植物本身生命活动所需，另一部分输送至根部；同时，光合作用通过太阳光能固定CO₂，吸收利用氮元素，合成植物蛋白质，通过植物收割可将系统中的氮元素去除。人工湿地中以土壤、砂石为材料的基质对污染物具有类似活性炭吸附的特性，因此对含氮污染物有一定的截留、吸附作用。同时基质能够为微生物的生长提供稳定的依附表面，为水生植物的生长提供载体与营养物质。湿地植物通过光合作用产生的氧输送至植物根部，在根系周围形成一个好氧区域，同时好氧生物膜对氧的利用导致了在离根系较远的区域形成缺氧状态，甚至是厌氧状态。这种氧的分布不平衡促进了微生物脱氮过程，在有溶解氧的条件下，水体中或生物膜内部的微生物将氨氮转变为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮；在厌氧或者缺氧条件下，厌氧细菌实现反硝化过程，其中硝酸盐作为最终电子受体，而有机碳作为电子供体，从而实现了氮的去除。

微生物燃料电池（MFC）是以微生物为催化剂，在处理废水的同时，将废水中的化学能转化成电能的一种技术，它主要依靠生物电化学进行阴极反硝化脱氮。MFC阳极氧化有机物产生的电子传递到阴极室后，阴极的硝酸盐作为电子受体被还原为氮气，生成N₂所需要的电子可来源于两部分，一部分是从阳极传递过来的，另一部分可以由反硝化菌代谢周围环境中的有机碳源得到，这就解决了传统硝化反硝化过程对于碳源的需求从而引起竞争的矛盾问题，使得碳源不再成为去除效果的限制因素。

人工湿地与微生物燃料电池都可以去除废水中的含氮污染物，人工湿地在废水脱氮中有较强优势，然而废水处理中反硝化所需碳源往往不足，极大影响脱氮效率。MFC阴极系统可提供电极反硝化过程，以电流的形式提供另一类型的电子供体，有效减少微生物反硝化所需有机碳源，降低碳氮比，同时获得电能。因此，将人工湿地与微生物燃料电池系统耦合，可帮助人工湿地对氮素污染物进一步削减，同时以电能的形式实现废水的资源化利用，可见研究CW—MFC耦合系统脱氮效果及增强产电性能具有重要的理论意义和实际应用价值。

公开号为CN 109502732 A的中国专利提供了微生物燃料电池人工湿地装置，装置在水下五分之一深度处设置曝气装置鼓风机，可进行间歇曝气，对应高度的水中设有阴极电极材料板。其不足之处在于：管理复杂、能耗大、易堵塞导致装置后期无法运行。中国专利申请号为 201910081274.0、201711023031.9、201510304331.9的专利申请文件分别介绍了几种不同构型的进行污水处理的人工湿地耦合微生物燃料电池装置，它们都能达到在处理污水的同时产电的目的，但污水处理效果和产电性能并不突出。

综上所述，人工湿地耦合微生物燃料电池技术已经有了一定的研究与发展。但由于阴极区的反应过程复杂，阴极区的结构、基质状态、溶解氧浓度会对CW—MFC耦合系统传递质子、降解有机污染物以及产电的能力有较大的影响。目前，针对阴极区的结构、基质状态在CW—MFC耦合系统中所发挥的作用方面的探究较少。然而，为了维持阴极反应，通过在阴极区建立氧与质子的有效接触来优化阴极的结构是至关重要的。所以，在人工湿地—微生物燃料电池耦合系统的研究中，应加强这方面的分析探讨，明确阴极区的结构、基质状态在CW—MFC中降解有机污染物和增大功率输出方面所扮演的角色。

发明内容

本发明针对上述技术问题，克服现有技术的缺点，提供一种转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统，解决现有人工湿地—微生物燃料电池耦合系统废水脱氮效能一般、产电性能较差的问题。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统，包括布水区、填料区一、阳极区、填料区二、固定阴极区、集水区，布水区、集水区分别连接给水系统、排水系统，还包括转筒流化阴极区，布水区、填料区一、阳极区、填料区二、固定阴极区、转筒流化阴极区和集水区自下而上依次布设，填料区一、阳极区、填料区二和固定阴极区的高度比为10-20:10-15:10-20:2-5；

阳极区填充椰壳活性炭，椰壳活性炭中间隔埋设碳毡和呈锯齿状的不锈钢网一，阳极区圆周外围包裹不锈钢网二；固定阴极区填充椰壳活性炭，并架设不断转动的钢丝网圆筒，钢丝网圆筒内的阴极基质为呈流化态的球状活性炭，固定阴极区圆周外围包裹不锈钢网三；在阳极区和固定阴极区接种处理后的浓缩污泥，阴、阳两极之间设有外电阻并通过外电路连接。

技术效果：本发明通过填充有导电能力的基质，并在阴极架设不断转动的圆筒状钢丝网，使筒内的阴极基质球状活性炭达到流化态，MFC阴极系统提供电极反硝化过程，以电流的形式提供另一类型的电子供体，有效减少微生物反硝化所需有机碳源，降低碳氮比，同时获得电能。本耦合系统能达到人工湿地对氮素污染物的进一步强化削减，同时提高系统产电性能，实现废水资源化利用的目的。

本发明进一步限定的技术方案是：

前所述的转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统，填料区一填充粒径10-20mm的砾石；填料区二填充生物陶粒，生物陶粒包括凹凸棒土粉末50%-90%、生物质材料5%-30%、辅料10%-40%。

前所述的转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统，阳极区填充粒径5-10mm的椰壳活性炭；不锈钢网一和不锈钢网二规格均为10目，不锈钢网一呈锯齿状折叠铺设且每个锯齿单侧绑连碳毡，使得阳极区电子及时导出。

前所述的转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统，固定阴极区部分暴露在空气中，填充粒径5-10mm的活性炭；不锈钢网三规格为10目。

前所述的转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统，钢丝网圆筒高200mm、直径120mm，钢丝网规格为10目，内部填充粒径5-10mm、充满度0.4-0.6的球状活性炭；钢丝网圆筒转速为0-60r/min。

前所述的转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统，阳极区的电极由钛导线接出，外电路由铜导线连接阴极区的电极形成闭路，在阴阳两电极之间增设500-1000Ω的电阻；暴露在溶液中的金属部位密封包裹环氧树脂。

本发明的另一目的在于提供一种转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统应用，进行废水处理，包括以下步骤：

S1、构建转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统，并在填充前对活性炭进行预处理；

S2、对阳极区和固定阴极区的活性炭进行污泥接挂膜；

S3、打开蠕动泵，将给水箱中的人工废水送至耦合系统中，通过布水区均匀布水后，依次流经填料区一、阳极区、填料区二和固定阴极区；

S4、废水在耦合系统内停留一段时间，处理后的水从耦合系统装置顶部的出水口排出。

前所述的转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统应用，步骤S1中，活性炭的预处理方法为：蒸馏水洗涤5次后，分别采用1mol·L^-1的NaOH和1mol·L^-1的HCl浸泡24h，然后用清水洗净自然风干。

前所述的转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统应用，步骤S2中，将活性污泥分为两部分，一部分进行为期两周的曝气饥饿处理后接种至CW—MFC的阴极电极，另一份厌氧消化2周后接种至CW—MFC的阳极电极。

前所述的转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统应用，步骤S3中，进水化学需氧量（COD）浓度在200-500mg/L，氨氮浓度在20-45mg/L，总氮浓度在35-55mg/L；采用连续流方式，水力停留时间为1-3d，进水流量为3.47-10.41ml/min。

本发明的有益效果是：

（1）本发明中不断转动的钢丝网圆筒具有曝气作用，可增加阴极区的溶解氧浓度，加快阴极反应，增大系统的输出电压；

（2）本发明中钢丝网圆筒的转动所带来的污水搅动，使得筒内的阴极基质处于流化态，且球状活性炭载体从外表面到内部存在氧气梯度，利于氧气传质，整个载体形成一个共生协作团体，产生一个微型的AO工艺，强化废水的脱氮性能；

（3）本发明中钢丝网圆筒一部分位于水面以下，另一部分暴露在空气里，在旋转的过程中，始终保持与空气、水的接触，一直处于湿润状态能使质子更好地转移到阴极，有利于电子、质子和氧气接触反应，促进了CW—MFC耦合系统的功率输出；

（4）本发明中由于球状活性炭载体在钢丝网圆筒中的相互摩擦碰撞，提高了生物膜的活性，并加速了有机污染物从污水中向微生物细胞内的传质过程，进一步强化生物处理能力；

（5）本发明所用耦合技术不仅提高了脱氮效果和产电性能，而且实现了多种能源物质（以电能方式）的回收利用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中：1、进水管；2、筛网；3、填料区一；4、阳极区；5、填料区二；6、固定阴极区；7、转筒流化阴极区；8、锯齿形出水堰；9、出水口；10、外电阻。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供的一种转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统，结构如图1所示，为直径30cm、高60cm的有机玻璃柱。人工湿地采用升流式垂直流，沿水流方向依次为进水管1、筛网2、填料区一3、阳极区4、填料区二5、固定阴极区6、转筒流化阴极区7，筛网2下方设置进水管1，固定阴极区6上方设置锯齿形出水堰8和出水口9，填料区一3、阳极区4、填料区二5和固定阴极区6的高度分别为15cm、10cm、20cm、5cm。

填料区一3填充粒径10-20mm的砾石；填料区二5填充生物陶粒，生物陶粒包括凹凸棒土粉末50%-90%、生物质材料5%-30%、辅料10%-40%。

阳极区4填充粒径5-10mm的椰壳活性炭，椰壳活性炭中间隔埋设碳毡和不锈钢网一，不锈钢网一呈锯齿状折叠铺设且每个锯齿单侧绑连碳毡，使得阳极区4电子及时导出；阳极区4圆周外围包裹不锈钢网二，不锈钢网一和不锈钢网二规格均为10目。

固定阴极区6填充粒径5-10mm的椰壳活性炭活性炭；并架设不断转动的钢丝网圆筒，钢丝网圆筒高200mm、直径120mm，钢丝网规格为10目，内部填充粒径5-10mm、充满度0.4-0.6的球状活性炭，钢丝网圆筒部分暴露在空气中，转速为0r/min，球状活性炭呈流化态；固定阴极区6圆周外围包裹规格为10目的不锈钢网三。

在阳极区4和固定阴极区6接种处理后的浓缩污泥，阳极区4的电极由钛导线接出，外电路由铜导线连接阴极区的电极形成闭路，在阴阳两电极之间增设1000Ω的外电阻10；暴露在溶液中的金属部位密封包裹环氧树脂，避免金属与溶液接触发生反应，以加快形成系统内的产电生物膜。

上述系统应用方法如下：

S1、构建转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统，由于活性炭中含有少量的杂质和重金属，因此在填充前对活性炭进行预处理，预处理方法为：蒸馏水洗涤5次后，分别采用1mol·L^-1的NaOH和1mol·L^-1的HCl浸泡24 h，然后用清水洗净自然风干；

S2、取南京市某污水处理厂浓缩池污泥用于CW—MFC耦合系统的电极挂膜，污泥初始浓度（MLSS）约为20g/L，将取回实验室的活性污泥分为两部分，一部分进行为期两周的曝气饥饿处理后接种至CW—MFC的阴极电极，另一份厌氧消化2周后接种至CW—MFC的阳极电极；

S3、打开蠕动泵，将给水箱中的人工废水送至耦合系统中，通过布水区均匀布水后，依次流经填料区一3、阳极区4、填料区二5和固定阴极区6，进水化学需氧量（COD）浓度在350mg/L，氨氮浓度在30.5mg/L，总氮浓度在32.7mg/L；采用连续流方式，水力停留时间为2d，进水流量为5.21ml/min；

S4、废水在耦合系统内停留一段时间，处理后的水从耦合系统装置顶部的出水口9排出。

此系统连续运行3个月，通过每天对出水水质进行监测，该系统的平均电压为345.2±84.39mV，出水COD浓度为32mg/L，去除率为90.8%；出水氨氮浓度为5.75mg/L，去除率为81.2%；出水总氮浓度为9.19mg/L，去除率为71.8%。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，钢丝网圆筒转速为10r/min。此系统连续运行3个月，通过每天对出水水质进行监测，该系统的平均电压为357.6±87.44mV，出水COD浓度为30mg/L，去除率为91.4%；出水氨氮浓度为5.42mg/L，去除率为82.2%；出水总氮浓度为8.72mg/L，去除率为73.3%。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于，钢丝网圆筒转速为30r/min。此系统连续运行3个月，通过每天对出水水质进行监测，该系统的平均电压为372.89±76.53mV，出水COD浓度为27mg/L，去除率为92.3%；出水氨氮浓度为5.11mg/L，去除率为83.2%；出水总氮浓度为8.16mg/L，去除率为75.0%。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于，钢丝网圆筒转速为60r/min。此系统连续运行3个月，通过每天对出水水质进行监测，该系统的平均电压为397.26±80.13mV，出水COD浓度为21mg/L，去除率为94.0%；出水氨氮浓度为6.08mg/L，去除率为80.1%；出水总氮浓度为8.61mg/L，去除率为73.7%。

由此可见，随着钢丝网圆筒的转动速度不断加快，CW—MFC耦合系统装置的产电量不断增加，对于污水中有机污染物的处理能力不断增强，而含氮污染物的去除效率则呈现先增大后减小的趋势。这是因为随着转筒转速的增加，阴极曝气量增加，氧气浓度梯度增加，阴极反应加快，系统处理效率及产电性能提高；但转动越快，阴极区的DO越高，会使系统的脱氮受到阻碍，反而降低脱氮性能。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统，包括布水区、填料区一（3）、阳极区（4）、填料区二（5）、固定阴极区（6）、集水区，所述布水区、所述集水区分别连接给水系统、排水系统，其特征在于：还包括转筒流化阴极区（7），所述布水区、所述填料区一（3）、所述阳极区（4）、所述填料区二（5）、所述固定阴极区（6）、所述转筒流化阴极区（7）和所述集水区自下而上依次布设，所述填料区一（3）、所述阳极区（4）、所述填料区二（5）和所述固定阴极区（6）的高度比为10-20:10-15:10-20:2-5；

所述阳极区（4）填充椰壳活性炭，所述椰壳活性炭中间隔埋设碳毡和呈锯齿状的不锈钢网一，所述阳极区（4）圆周外围包裹不锈钢网二；所述固定阴极区（6）填充椰壳活性炭，并架设不断转动的钢丝网圆筒，所述钢丝网圆筒内的阴极基质为呈流化态的球状活性炭，所述固定阴极区（6）圆周外围包裹不锈钢网三；在所述阳极区（4）和所述固定阴极区（6）接种处理后的浓缩污泥，阴、阳两极之间设有外电阻（10）并通过外电路连接。

2.根据权利要求1所述的转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统，其特征在于：所述填料区一（3）填充粒径10-20mm的砾石；所述填料区二（5）填充生物陶粒，所述生物陶粒包括凹凸棒土粉末50%-90%、生物质材料5%-30%、辅料10%-40%。

3.根据权利要求1所述的转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统，其特征在于：所述阳极区（4）填充粒径5-10mm的椰壳活性炭；所述不锈钢网一和所述不锈钢网二规格均为10目，所述不锈钢网一呈锯齿状折叠铺设且每个锯齿单侧绑连所述碳毡，使得所述阳极区（4）电子及时导出。

4.根据权利要求1所述的转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统，其特征在于：所述固定阴极区（6）部分暴露在空气中，填充粒径5-10mm的活性炭；所述不锈钢网三规格为10目。

5.根据权利要求1所述的转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统，其特征在于：所述钢丝网圆筒高200mm、直径120mm，钢丝网规格为10目，内部填充粒径5-10mm、充满度0.4-0.6的球状活性炭；所述钢丝网圆筒转速为0-60r/min。

6.根据权利要求1所述的转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统，其特征在于：所述阳极区（4）的电极由钛导线接出，外电路由铜导线连接所述阴极区的电极形成闭路，在阴阳两电极之间增设500-1000Ω的电阻；暴露在溶液中的金属部位密封包裹环氧树脂。

7.一种转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统应用，其特征在于：进行废水处理，包括以下步骤：

S1、构建权利要求1-6任意一项所述的转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统，并在填充前对活性炭进行预处理；

S2、对阳极区（4）和固定阴极区（6）的活性炭进行污泥接挂膜；

S3、打开蠕动泵，将给水箱中的人工废水送至耦合系统中，通过布水区均匀布水后，依次流经填料区一（3）、阳极区（4）、填料区二（5）和固定阴极区（6）；

S4、废水在耦合系统内停留一段时间，处理后的水从耦合系统装置顶部的出水口（9）排出。

8.根据权利要求7所述的转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统应用，其特征在于：所述步骤S1中，活性炭的预处理方法为：蒸馏水洗涤5次后，分别采用1mol·L^-1的NaOH和1mol·L^-1的HCl浸泡24 h，然后用清水洗净自然风干。

9.根据权利要求7所述的转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统应用，其特征在于：所述步骤S2中，将活性污泥分为两部分，一部分进行为期两周的曝气饥饿处理后接种至CW—MFC的阴极电极，另一份厌氧消化2周后接种至CW—MFC的阳极电极。

10.根据权利要求7所述的转筒流化阴极的人工湿地-生物燃料电池耦合系统应用，其特征在于：所述步骤S3中，进水化学需氧量浓度在200-500mg/L，氨氮浓度在20-45mg/L，总氮浓度在35-55mg/L；采用连续流方式，水力停留时间为1-3d，进水流量为3.47-10.41ml/min。

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