CN114906922A - 基于人工湿地微生物燃料电池的农村污水生化处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能源与环境工程领域，具体是涉及基于人工湿地微生物燃料电池的农村污水生化处理系统，包括容器和自上而下依序分布设置于容器内的阴极层、中间层以及阳极层，所述中间层包括自上而下依序分布的石英砂层、钙基泥层以及砾石层，所述阳极层和阴极层均由颗粒状活性炭与碳纳米管掺混制成，并分别插入碳毡形成电子收集器以增强电子传递，两个碳毡之间通过导线形成闭合电路，本系统根据农村地形特点，可实现以家庭为单位进行污水分散处理；本系统通过钙基泥、砾石和石英砂构建稳定氧化、还原环境，实现污水高效处理并促进植物生长；本系统采用大比表面积阳极布置，增强电活性菌与产甲烷菌之间的竞争，在产电的同时减少甲烷等温室气体排放。

Description

基于人工湿地微生物燃料电池的农村污水生化处理系统

技术领域

本发明涉及能源与环境工程领域，具体是涉及基于人工湿地微生物燃料电池的农村污水生化处理系统。

背景技术

农村人口居住分散，污水难以集中处理，农村生活污水治理是实现乡村振兴战略的重要内容。据第七次全国人口普查数据，我国有近5.1亿乡村人口，随着人均收入和生活水平逐步提高，农村生活污水、生活垃圾的产生呈逐年递增趋势，伴随而来的农村经济与环境建设不协调发展导致的问题也日渐凸显,其中以水环境污染问题最为严重。目前，农村污水排放量占全国生活污水排放总量的25％，且农村污水处理率仅为15％。农村污水主要来自农家厕所冲洗水、洗衣机排水、厨房洗涤水，以及农户畜禽养殖排放污水等，与城市污水相比，其有害物质的含量相对较低，有机物、氮、磷等浓度较高，易于生化转化，然而农村污水排放随机、分布散、范围广，难以实现集中收集，在农村建立集中污水处理设施比较困难。

人工湿地能够吸收氮、磷，去除有机污染物，促进污水净化和水质提升，并且投资运行成本低、易维护，在农村污水处理中发挥着重要作用。微生物燃料电池无需能量输入便能有效降解有机污染物并产生电能，具有应用于污水处理的潜力，但操作复杂、运行成本高制约着微生物燃料电池的推广应用。

我国公告号为CN109368922B、CN102249423B以及公布号为102263279A的发明专利均公开了将人工湿地与微生物电池相结合的污水处理系统，但其仍然存在明显的技术缺陷：

1.阳极是微生物厌氧分解有机污染物的场所，微生物量影响污水净化效率及发电效益，而厌氧污泥中同时存在电活性菌和产甲烷菌，二者存在竞争关系，而上述公开的发明中的阳极材料较为单一且其组成含糊，无法较好的增强电活性菌相对于产甲烷菌的竞争力；

2.氧化还原梯度是影响人工湿地微生物燃料电池系统污水处理效率的重要因素，需防止氧气或植物根系扩散到厌氧区，破坏其作用条件，而上述公开的发明中无法有效的保证氧不会扩散至阳极区，并且植被根系均能生长够延伸至阳极厌氧区。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术问题，提供基于人工湿地微生物燃料电池的农村污水生化处理系统。

为解决现有技术问题，本发明采用的技术方案为：

基于人工湿地微生物燃料电池的农村污水生化处理系统，包括容器和自上而下依序分布设置于容器内的阴极层、中间层以及阳极层；

所述阳极层通过接种消化污泥从而形成厌氧区；

所述阴极层接种有活性污泥并且种有植被，植被的根系伸入阴极层，阴极层通过大气和植被的根系获取氧气从而维持有氧条件；

所述中间层包括自上而下依序分布的石英砂层、钙基泥层以及砾石层，其中石英砂层用以防止植被根系向下延伸至厌氧区；

所述阳极层和阴极层均由颗粒状活性炭与碳纳米管掺混制成，并分别插入碳毡形成电子收集器以增强电子传递，并且两个碳毡之间通过导线连接到外部负载形成闭合电路；

所述容器的下端设有与阳极层相通的进水口，容器的上端设有与阴极层相通的出水口。

进一步的，所述颗粒状活性炭的直径为3-5mm，堆积密度为0.45–0.55g/cm³，比表面积为500–900m²。

进一步的，所述容器由丙烯塑料制成，长宽高分别为400mm、300mm和180mm，阳极层高40mm，中间层高60mm，阴极层高40mm；

其中，砾石层高30mm，钙基泥层高20mm，石英砂层高10mm。

进一步的，所述进水口与出水口在垂直流模式下运行，水力停留时间为3天。

进一步的，在阳极层中，颗粒状活性炭和碳纳米管与消化污泥的比例为5:1。

进一步的，在阴极层中，颗粒状活性炭和碳纳米管与活性污泥的比例为5:1。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

1.农村污水排放随机、分布散、单个处理量小，难以集中处理，本系统根据农村地形特点，可实现以家庭为单位进行污水分散处理；

2.氧扩散会破环底层厌氧条件，削弱微生物厌氧分解能力，本系统通过钙基泥、砾石和石英砂构建稳定氧化、还原环境，实现污水高效处理并促进植物生长；

3.污水中有机物污染物自然降解产生甲烷，本系统采用大比表面积阳极布置，增强电活性菌与产甲烷菌之间的竞争，在产电的同时减少甲烷等温室气体排放；

该系统既能处理污水中的氮、磷等物质，也能够消化污水中残存的有机物，从而促进污水净化和水质提升，并能减少温室气体排放。农村具有丰富的土地资源，本系统用于农村污水处理，除了净化污水之外，还可以防风固土，调节区域气候。因此，在农村使用本系统净化污水是一举多得的，应用前景广阔。

附图说明

图1是本系统的结构组成示意图。

图中标号为：1-容器；2-阴极层；3-中间层；3a-石英砂层；3b-钙基泥层；3c-砾石层；4-阳极层；5-进水口；-6-出水口；7铜线；8-负载；9-碳毡。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

参考图1所示，本设计系统反应容器1由长度为400mm，宽度300mm，高度180mm的丙烯塑料腔制成，包含阳极层4高40mm，中间层3高60mm(砾石层3c为30mm、钙基泥层3b为20mm、石英砂层3a为10mm)和阴极层2高40mm。阳极和阴极均由颗粒状活性炭层(GAC，直径为3–5mm，堆积密度为0.45–0.55g/cm3，比表面积为500–900m2)与碳纳米管(增强导电性能)掺混制成，电极的较大表面可为微生物的生长提供栖息地，形成稳定的生物膜，有利于电活性菌(EAB)的电子生产过程。在阳极和阴极区分别插入碳毡9充当电子收集器以增强电子传递。使用铜线7将电极连接到外部负载8形成闭合电路，将植物种植在阴极附近，以确保阴极从大气和植物的根际中获取氧气，维持有氧条件。砾石层3c与阴极层2之间铺设钙基泥3b和石英砂层3a，以防止植物根系延伸至厌氧区释放氧气破环微生物代谢环境。阳极室接种厌氧消化污泥，其中活性炭+碳纳米管：消化污泥＝5:1，阴极室接种活性污泥，其中活性炭+碳纳米管：活性污泥＝5:1，系统在垂直流模式下运行，水力停留时间为3天。

工作原理：污水从底部进水口流入系统，阳极为厌氧区提供一个电子受体，催化微生物厌氧分解污水中的有机污染物，将有机污染物转化为CH₄和CO₂并产生电子，反应如下：

C₆H₁₂O₆+6H₂O+电活性菌(EAB)→6CO₂+24H⁺+24e^-

C₆H₁₂O₆+产甲烷菌→6CH₄+3CO₂

本系统采用大比表面积的阳极布置，为电活性菌提供适宜的生长环境，增强电活性菌与产甲烷菌竞争，减少甲烷等温室气体生产，并将污水中的化学能转化为电能。

电子通过外部电路移动到阴极，促进电化学脱硝过程，将污水中的氨氮污染物转化为氮气，有助于污水中的氮去除，反应如下：

6O₂+24H⁺+24e^-→12H₂O

污水中的氮、磷等成分还可为植物提供养分，在实现氮、磷污染物脱除的同时，促进植物生长。

污水处理效果：本实施例的污水处理量为24L/m²·d，据中国水网数据，西部农村居民生活污水平均排放量约为125L/人·d，若一个家庭为四人，用本系统进行污水处理，仅需用地面积约21m²。

将进口污水和经本系统处理后出水分别取样进行化学需氧量(COD)、总氮、总磷及PH值四项污染指标测定分析。总氮、总磷均采用紫外/可见分光光度计测定。COD采用快速消解分光光度法(HJ/T399-2007)，总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ 636-2012)，总磷采用钼酸铵分光光度法(GB 11893-89)，pH采用HACH便携式分析测定仪测定(HACH，HQ40d，USA)。本系统处理后污水COD去除率达72.1％，总氮去除率达54.1％，总磷去除率达84.2％，污水处理效果达到我国现行《污水综合排放标准》(GB8978-1996)的排放要求，具体测定结果及达标情况如表1所示。

表1 COD、总氮、总磷、PH值结果及达标情况

温室气体排放：在污水处理过程中，人工湿地会排放温室气体，从而影响全球环境。微生物燃料电池结合到人工湿地中可以有效抑制CH₄气体排放，微生物燃料电池影响微生物群落结构和生化过程，导致阳极区微生物群的分化，电活性菌和产甲烷菌的竞争抑制了CH₄的生成，减少了CH₄排放量。本系统经实验测得CH₄排放量为86.4mg/m²·d，人工湿地的CH₄排放量为114.6mg/m²·d，可减少19.8％的CH₄排放。

据统计，贵州省贞丰县挽澜镇常住人口19750人，若将本系统用于挽澜镇进行农村污水处理，可减少19750×125L/d÷24L/m²×(114.6-86.4)mg/m²·d×365＝1.06t温室气体排放。可见，与有机物自然代谢相比，本系统对于控制碳排放有较好效果。

发电效益：

功率密度按下式计算：

P＝UI/S

其中P(mW/m²)、U(mV)、I(mA)和S(m²)分别为平均功率密度、电池电压、电流和系统占地面积；

实验测得人工湿地微生物燃料电池系统的电压和电流值分别为145.1mV和4.34mA，S＝0.12m²，可得平均功率密度为5.25mW/m²。家庭污水处理日产电量为5.25mW/m²×24h×21m²＝2.65W·h，能够满足农户感应节能路灯照明需求。若将本系统用于挽澜镇进行农村污水处理，年产电量可达19750×125L/d÷24L/m²×5.25mW/m²×365＝197KW。

综上所述，本系统有很好的污水处理效果，通过削弱甲烷的生产过程，减少温室气体排放，并具有电能生产的额外效益。

基于人工湿地微生物燃料电池的农村污水生化处理系统适应了我国乡村振兴战略的目标与要求，该系统既能处理污水中的氮、磷等物质，也能够消化污水中残存的有机物，从而促进污水净化和水质提升，并能减少温室气体排放。农村具有丰富的土地资源，本系统用于农村污水处理，除了净化污水之外，还可以防风固土，调节区域气候。

以上实施例仅表达了本发明的一种或几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.基于人工湿地微生物燃料电池的农村污水生化处理系统，其特征在于，包括容器(1)和自上而下依序分布设置于容器(1)内的阴极层(2)、中间层(3)以及阳极层(4)；

所述阳极层(4)通过接种消化污泥从而形成厌氧区；

所述阴极层(2)接种有活性污泥并且种有植被，植被的根系伸入阴极层(2)，阴极层(2)通过大气和植被的根系获取氧气从而维持有氧条件；

所述中间层(3)包括自上而下依序分布的石英砂层(3a)、钙基泥层(3b)以及砾石层(3c)，其中石英砂层(3a)用以防止植被根系向下延伸至厌氧区；

所述阳极层(4)和阴极层(2)均由颗粒状活性炭与碳纳米管掺混制成，并分别插入碳毡(9)形成电子收集器以增强电子传递，并且两个碳毡(9)之间通过导线连接到外部负载(8)形成闭合电路；

所述容器(1)的下端设有与阳极层(4)相通的进水口(5)，容器(1)的上端设有与阴极层(2)相通的出水口(6)。

2.根据权利要求1所述的基于人工湿地微生物燃料电池的农村污水生化处理系统，其特征在于，所述颗粒状活性炭的直径为3-5mm，堆积密度为0.45–0.55g/cm³，比表面积为500–900m²。

3.根据权利要求1所述的基于人工湿地微生物燃料电池的农村污水生化处理系统，其特征在于，所述容器(1)由丙烯塑料制成，长宽高分别为400mm、300mm和180mm，阳极层(4)高40mm，中间层(3)高60mm，阴极层(2)高40mm；

其中，砾石层(3c)高30mm，钙基泥层(3b)高20mm，石英砂层(3a)高10mm。

4.根据权利要求1所述的基于人工湿地微生物燃料电池的农村污水生化处理系统，其特征在于，所述进水口(5)与出水口(6)在垂直流模式下运行，水力停留时间为3天。

5.根据权利要求1中的基于人工湿地微生物燃料电池的农村污水生化处理系统，其特征在于，在阳极层(4)中，颗粒状活性炭和碳纳米管与消化污泥的比例为5:1。

6.根据权利要求1中的基于人工湿地微生物燃料电池的农村污水生化处理系统，其特征在于，在阴极层(2)中，颗粒状活性炭和碳纳米管与活性污泥的比例为5:1。

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