CN203513363U - 一种提高复合垂直流人工湿地脱氮能力的结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种提高复合垂直流人工湿地脱氮能力的结构：下行流池和上行流池底部连通，下行流池自上而下依次为湿地植物、污水布配水管、表层导电填料层、中层普通填料层、底部连通层；上行流池自下而上依次为底部连通层、中层普通填料层、表层导电填料层、出水集水管、密封盖；湿地植物种植在下行流池表层导电填料层中，阳极集电极固定在湿地植物根系间，阴极集电极固定在上行流池表层的导电填料层中，阳极集电极和阴极集电极通过导线和负载连接形成外接电路。上行流池上部的密封空间、上行流池表层导电填料层、外接电路等形成了厌氧生物阴极。该结构可提高复合垂直流人工湿地脱氮能力，同步回收电能，尤适用于低碳高氮污水的处理与净化。

Description

一种提高复合垂直流人工湿地脱氮能力的结构

技术领域

本实用新型属于水处理技术和新能源领域，具体涉及一种提高复合垂直流人工湿地脱氮能力的结构，它适用于微生物燃料电池生物阴极反硝化和增强人工湿地生态工程技术净化能力。 

背景技术

复合垂直流人工湿地(IVCW)技术（ZL00114693.9）以独特的下行-水平-上行串联的结构，在水流路线上形成了好氧-缺氧-厌氧-缺氧-好氧交替的功能层，实现了氧气、pH、微生物等理化生物条件的梯度分布，沿水流方向依次形成的好氧A区/缺氧、厌氧区/好氧B区3个不同功能层存在的着丰富的微生物群落结构,在污染物降解、污水净化中尤其是对氮的去除发挥着重要作用（吴振斌,复合垂直流人工湿地,科学出版社,北京,2008）。在IVCW中，氮的脱除主要通过生物硝化和反硝化作用；在硝化作用中氨氮被氧化为硝态氮，在反硝化作用中硝态氮被还原为氮气最终释放到大气中。IVCW的下行流池表层具有最强的硝化作用，沿水流方向硝化作用强度逐渐减弱；而反硝化作用强度则沿水流方向逐渐增强（贺锋,吴振斌,陶菁等.复合垂直流人工湿地污水处理系统硝化与反硝化作用.环境科学2005)(1):47-50.）。IVCW中承担生物反硝化作用的主要是异养型反硝化菌，这类微生物在生长过程中需要充足的碳源，当碳源不足时，反硝化作用会受到抑制，使得总氮去除率显著降低。采用复合垂直流人工各市地处理低碳高氮的生活污水和城市综合污水时，往往需要外加碳源来提高总体的脱氮效果，尽管一定碳源的投加会显著提高IVCW的总氮去除率，但是势必会增加成本（佘丽华等，碳源调控下复合垂直流人工湿地脱氮研究，环境科学，2009，30（11）：3300-3305）。 

生物阴极是指在微生物燃料电池中的阴极室中，由功能微生物代替贵金属（如铂）或者金属络合物作为催化剂，吸附在电极表面形成生物膜，接受由电极传递来的电子并并发生相应的生物电化学反应。生物阴极可分为好氧生物阴极和厌氧生物阴极。好氧生物阴极是以氧作为最终电子受体，其所需的环境为好氧；而厌氧生物阴极是以硝酸盐、砷酸盐等作为最终电子受体，其所需环境为厌氧或缺氧（陈立香，肖勇，赵峰等.微生物燃料电池生物阴极，化学进展，2012,24（1）： 157-162）。可见，微生物燃料电池中的厌氧生物阴极可以通过电化学方式还原硝酸盐氮。而且由于厌氧生物阴极可以直接利用从阳极传递而来的电子，所以可以实现自养反硝化过程，也就是不需要外加碳源。 

针对上述问题，本实用新型将厌氧生物阴极引入到复合垂直流人工湿地中形成的新型结构应用于污水的脱氮，除了IVCW中的异养生物反硝化作用，还能增加通过厌氧生物阴极实现的电化学自养生物反硝化作用，以提高总氮去除率，可一定程度上解决IVCW处理低碳高氮污水时出现的碳源不足、总氮脱除效果差的问题。 

发明内容

本实用新型的目的是在于提供了一种提高复合垂直流人工湿地脱氮能力的结构。结构简单，操作方便，可提高复合垂直流人工湿地的总体脱氮能力，同时还能同步回收电能，尤其适用于低碳高氮污水的处理与净化。 

为了实现上述的目的，本实用新型采用以下技术措施： 

技术方案：本实用新型的核心是以复合垂直流人工湿地(IVCW)双池结构为基础，通过对双池池体大小的调整、双池内填料层材料的选择、粒径的布设、湿地植物的选配、以及厌氧生物阴极的引入，形成了复合垂直流人工湿地（IVCW）和微生物太阳能电池（MSC）相融合的新型结构，该结构通过将上行流池改造成厌氧生物阴极区，增加了通过厌氧生物阴极区的电化学生物反硝化菌的自养反硝化过程，而加强了上行流中硝酸盐氮的去除，从而提高了复合垂直流人工湿地系统对氮的脱除能力。 

一种提高复合垂直流人工湿地脱氮能力的结构，包括下行流池、上行流池、湿地植物A、湿地植物B、下行流池表层导电填料层、下行流池中层普通填料层、湿地内部隔墙、上行流池中层普通填料层、上行流池表层导电填料层、出水集水管、阴极集电极、阳极集电极，其特征在于：下行流池和上行流池通过湿地内部隔墙分隔，下行流池和上行流池底部贯通形成下、上行流池底部连通层，在下、上行流池底部连通层中填充非导电材质的填料，在下行流池中部、下、上行流池底部连通层之上是下行流池中层普通填料层，在下行流池中层普通填料层填充非导电材质的填料，下行流池的上部、下行流池中层普通填料层之上是下行流池表层导电填料层，在下行流池表层导电填料层中填充导电材质填料，下行流池表层 导电填料层的表面铺设污水布配水管，污水布配水管与污水进水管连接，下行流池表层导电填料层中栽种湿地植物A和湿地植物B，湿地植物根系在下行流池表层导电填料层中，湿地植物A和湿地植物B为常见湿地植物，下行流池表层导电填料层中、湿地植物根系中间埋设材质为碳棒或石墨的阳极集电极，阳极集电极的一端固定在湿地植物根系间，阳极集电极的另一端伸出下行流池表层导电填料层，上行流池中部、下、上行流池底部连通层之上是上行流池中层普通填料层，在上行流池中层普通填料层中填充非导电材质的填料，上行流池上部、上行流池中层普通填料层之上是上行流池表层导电填料层，在上行流池表层导电填料层中填充导电材质填料，上行流池表层导电填料层表面铺设出水集水管，在出水集水管上方设置密封盖，密封盖上对称开设两个气孔，上行流池表层导电填料层中埋设材质为碳棒或石墨棒的阴极集电极，阴极集电极的一端插入上行流池表层导电填料层中，阴极集电极的另一端穿过密封盖，穿出部分用密封塞密封，阳极集电极伸出下行流池表层导电填料层的一端与阴极集电极棒用密封塞密封的一端通过导线和负载连接，形成外接电路。 

所述的下行流池与上行流池的填料深度相差8－12cm；下行流池填料深度H1范围：53－58cm≤H1≤78－82cm；上行流池填料深度H2范围：43－48cm≤H2≤68－72cm。 

所述下行流池与上行流池的面积比在2～5之间，下行流池和上行流池宽度相同。 

所述下行流池的导电填料层深度h1的范围：28－32cm≤h1≤48－52cm；上行流池的导电填料层深度h5的范围：28－32cm≤h5≤48－52cm。 

所述下行流池非导电普通填料层深度h2的范围：13－17cm≤h2≤28－32cm；上行流池的非导电普通填料层深度h4的范围：13－17cm≤h4≤28－32cm。 

所述下行流池和上行流池底部连通，连通层深度h3的范围：3－7cm≤h3≤8－12cm。 

所述的非导电材质的填料包括砾石、沸石、无烟煤、生物陶粒、砂。 

所述的导电材质的填料包括活性炭、石墨。 

所述的常见湿地植物为千屈菜、茭白、美人蕉、水田茅、大米草、野古草、菖蒲、芦苇、象草、花叶芦荻、鸢尾。 

所述下行流池和上行流池底部的连通层填充填料为砾石、沸石、无烟煤、生物陶粒中的一种或两种。 

所述下行流池和上行流池中层的普通填料层填充填料为沸石、无烟煤、生物陶粒、砂中的一种或两种。 

所述的下行流池和上行流池的表层导电填料层填充导电材质填料为活性炭、石墨中的一种或两种，颗粒活性炭的粒径为0.5-2mm，填充密度为0.45-0.55g／cm³；颗粒石墨的粒度为1-4mm，填充密度为1.8-2.0g／cm³。 

所述的下行流池中种植的湿地植物为千屈菜、茭白、美人蕉、水田茅、大米草、野古草、菖蒲、芦苇、象草、花叶芦荻、鸢尾中的两种至十一种任意组合。 

所述的密封盖置于上行流池顶部，距离出水集水管上方5-10cm。以保证上行流池的缺氧、厌氧性。 

所述的阳极集电极为碳棒或石墨棒，一端埋入下行流池中间的导电填料层里，另一端穿出下行流池导电填料层。 

所述的阴极集电极为碳棒或石墨棒，一端埋入上行流池中间的导电填料层里，另一端穿过密封盖，用密封塞密封。 

所述的密封塞为圆柱体，内部开孔，包裹住阴极集电极棒，材质可为橡胶、木质。 

所述气孔对称开在上行流池密封盖上，带孔帽。 

所述的外接电路是用一根导线的一端连接到阳极集电极伸出填料的一端，导线的另一端连接负载，负载的另一端连接另外一根导线，这根导线的另一端与阴极集电极棒穿出密封盖的一端相连接。这些导线和负载将阳极集电极与阴极集电极连接起来形成的有电流、电压的电路即为外接电路。 

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果： 

1、本结构中将复合垂直流人工湿地（IVCW）的上行流池改造为微生物燃料电池的厌氧生物阴极区，阴极区的硝酸盐代替氧作为电子受体，通过电化学生物反硝化菌对硝酸盐的还原提高IVCW系统的脱氮能力，可实现微生物在低碳源或无碳源条件下的硝酸盐去除，尤其适用于低碳高氮污水的处理和净化。 

2、厌氧生物阴极可以避免由于氧气消耗电子导致库伦效率的下降。与铂等贵金属材质的化学阴极相比，厌氧生物阴极具有成本低、可反复利用等优点， 不像铂电极容易失效、需要经常更换。 

3、本结构中将复合垂直流人工湿地（IVCW）的下行流池改造为非厌氧生物阳极区，可以利用湿地植物根系沉积物作为电子来源，在污水水量少时，可通过植物的光合作用将太阳能转化为生物质能，并进一步被产电微生物转化为电能。 

4、本结构中将复合人工湿地（IVCW）的双池结构，改造成微生物燃料电池的双室结构，但在阳极室、阴极室之间不设置离子交换膜，利用复合垂直流人工湿地下行流池和上行流池底部的连通层实现质子和其他离子随水流到达阴极区，可避免通常双室结构中因H⁺以外的阳离子或OH^-以外的阴离子透过离子交换膜进入阴极而形成的阳极区酸化、阴极区碱化的问题。进一步使得阳极区种植的植物不会因为阳极酸化而死亡，保证了装置持续产电的性能。 

5、本结构融合了人工湿地和微生物太阳能电池，利用人工湿地的自然生产力，实现太阳能转化为电能，成为分散式持续可再生能源发电的一种新模式，具有不可估量的应用前景。 

附图说明

图1为一种提高复合垂直流人工湿地脱氮能力的结构示意图 

图2-5为一种提高复合垂直流人工湿地脱氮能力的结构中脱氮过程示意图，其中：图2为一种下行流池导电填料层中的不同形态氮转化及去除过程示意图 

图3为一种下行流池普通填料层中的不同形态氮转化及去除过程示意图 

图4为一种下、上行流池底部连通层和上行流池普通填料层中的不同形态氮转化及去除过程示意图 

图5为一种上行流池导电填料层中的不同形态氮转化及去除过程示意图 

其中：1-下行流池，2-上行流池，3-污水进水管，4-污水布配水管，5-湿地植物A，6-湿地植物B，7-下行流池表层导电填料层（阳极区），8-下行流池中层普通填料层，9-下、上行流池底部连通层，10-湿地植物根系，11-湿地内部隔墙，12-上行流池中层普通填料层，13-上行流池表层导电填料层（阴极区），14-出水集水管，15-气孔，16-阴极集电极，17-密封塞，18-密封盖，19-连接导线，20-负载，21-阳极集电极，H1-下行流池填料总深度，H2-上行流池填料总深度，h1-下行流池表层导电填料层厚度，h2-下行流池中层普通填料层厚度，h3-下、池底部连通 层填料厚度，h4-上行流池中层普通填料层厚度，h5-上行流池表层导电填料层厚度，22-氨氮(NH₃-N或NH₄ ⁺-N)，23-亚硝酸菌，24-氧气或溶解氧（O₂），25-硝酸盐氮(NO₃ ^--N)，26-硝化菌，27-亚硝酸盐氮(NO₂ ^--N)，28-有机物（C_XH_YO_Z），29-水（H₂O），30-阳极电化学活性菌，31-质子（H⁺），32-二氧化碳(CO₂)，33-电子（e），34-硝酸盐还原酶，35-有机碳源或氢供体（H-C_mH_nO_p），36-亚硝酸盐还原酶，37-氧化氮（NO），38-氧化氮还原酶，39-氧化亚氮或一氧化二氮（N₂O），40-氧化亚氮还原酶，41-氮气（N₂），42-阴极自养电化学生物反硝化菌。 

具体实施方式

实施例1： 

下面结合附图1-5对本实用新型作进一步说明。 

根据图1可知，一种提高复合垂直流人工湿地脱氮能力的结构包括：下行流池1、上行流池2、污水进水管3、污水布配水管4、湿地植物A5、湿地植物B6、下行流池表层导电填料层（阳极区）7、下行流池中层普通填料层8、下、上行流池底部连通层9、湿地植物根系10、湿地内部隔墙11、上行流池中层普通填料层12、上行流池表层导电填料层（阴极区）13、出水集水管14、气孔15、阴极集电极16、密封塞17、密封盖18、连接导线19、负载20、阳极集电极21、下行流池填料总深度H1、上行流池填料总深度H2、下行流池表层导电填料层厚度h1、下行流池中层普通填料层厚度h2、下行流池和上行流池底部连通层填料厚度h3、上行流池中层普通填料层厚度h4、上行流池表层导电填料层厚度h5，其特征在于：下行流池1为0.5m×1.0m×0.8m(长×宽×深)的长方体水泥池，上行流池2为0.5m×1.0m×0.8m(长×宽×深)的长方体水泥池。下行流池1和上行流池2通过湿地内部隔墙11分隔，但是下行流池1和上行流池2底部贯通形成下、上行流池底部连通层9，在下、上行流池底部连通层9中填充非导电材质的填料，在下、上行流池底部连通层9中填充粒径为1.0-1.5cm的砾石，该连通层厚度h3为10cm。在下行流池1中部、下、上行流池底部连通层9之上是下行流池中层普通填料层8，在下行流池中层普通填料层8填充粒径为0.5-1.0cm的砂，下行流池中层普通填料层厚度h2为15cm。下行流池1的上部、下行流池中层普通填料层8之上是下行流池表层导电填料层（阳极区）7，在下行流池表层导电填料层（阳极区）7中填充粒径为0.1-0.5cm的颗粒活性炭，填充密度为 0.45-0.55g／cm³，下行流池表层导电填料层厚度h1为30cm。下行流池填料总深度H1为55cm。下行流池表层导电填料层（阳极区）7的表面铺设污水布配水管4，污水布配水管4与污水进水管3连接。下行流池表层导电填料层（阳极区）7中栽种湿地植物A5和湿地植物B6，湿地植物A5和湿地植物B6为常见湿地植物，且保证湿地植物根系10大部分在下行流池表层导电填料层（阳极区）7中，湿地植物A5为鸢尾，种植量为7株；湿地植物B6为美人蕉，种植量为7株。下行流池表层导电填料层（阳极区）7中、湿地植物根系10中间埋设材质为碳棒或石墨的阳极集电极21，使得阳极集电极21的一端固定在湿地植物根系10间，阳极集电极21的另一端伸出下行流池表层导电填料层（阳极区）7。上行流池中部、下、上行流池底部连通层9之上是上行流池中层普通填料层12，在上行流池中层普通填料层12中填充非导电材质的填料，在上行流池中层普通填料层12中填充粒径为0.5-1.0cm的砂，上行流池中层普通填料层厚度h4为15cm。上行流池上部、上行流池中层普通填料层12之上是上行流池表层导电填料层（阴极区）13，在上行流池表层导电填料层（阴极区）（13）中填充导电材质填料，在上行流池表层导电填料层（阴极区）13中填充粒径为0.1-0.5cm的颗粒活性炭，上行流池表层导电填料层厚度h5为20cm。上行流池填料总深度H2为45cm。上行流池表层导电填料层（阴极区）13表面铺设出水集水管14。在出水集水管14上方8cm处设置密封盖18，密封盖18上对称开设两个气孔15，上行流池表层导电填料层（阴极区）（13）中埋设材质为碳棒或石墨棒的阴极集电极（16），使得阴极集电极16的一端插入上行流池表层导电填料层（阴极区）13中间，阴极集电极16的另一端穿过密封盖18，所述的密封盖18置于上行流池顶部，距离出水集水管14上方5-10cm处。穿出部分用密封塞17密封。阳极集电极21伸出下行流池表层导电填料层（阳极区）7的一端与阴极集电极棒16用密封塞17密封的一端通过导线19和负载20连接，形成外接电路。 

采用上述结构的复合垂直流人工湿地在去除污水中氮的流程是：污水由污水进水管3进入到下行流池表面的污水布配水管4中，进入污水布配水管4的污水依次自上而下流经下行流池1中的下行流池表层导电填料层（阳极区）7、下行流池中层普通填料层8和下、上行流池底部连通层9，进入上行流池2中。进入上行流池2中的污水再依次自下而上流经下、上行流池底部连通层9、上行流 池中层普通填料层12、上行流池表层导电填料层（阴极区）13，最后通过位于上行流池表层导电填料层（阴极区）13表面的出水集水管14流出。污水中的各种形态的氮在复合垂直流人工湿地的下行流池1和上行流池2里各填料层中得到转化和净化。 

根据图2、图3可知，它由湿地植物A5、湿地植物B6、下行流池表层导电填料层（阳极区）7、下行流池中层普通填料层8、湿地植物根系10、连接导线19、阳极集电极21、下行流池表层导电填料层厚度h1、下行流池中层普通填料层厚度h2、氨氮(NH₃-N或NH₄ ⁺-N)22、亚硝酸菌23、氧气或溶解氧（O₂）24、硝酸盐氮(NO₃ ^--N)25、硝化26、亚硝酸盐氮(NO₂ ^--N)27、有机物（C_XH_YO_Z）28、水（H₂O）29、阳极电化学活性菌30、质子（H⁺）31、二氧化碳(CO₂)32、电子（e）33组成，该连接关系有多种多样，其中一种为：下行流池表层导电填料层（阳极区）7在下行流池中层普通填料层8上面，湿地植物A5、湿地植物B6栽种于下行流池表层导电填料层（阳极区）7中，并保证湿地植物根系10大部分在下行流池表层导电填料层厚度h1中，并且部分深入到下行流池中层普通填料层厚度h2中。阳极电化学活性菌30存在于下行流池表层导电填料层（阳极区）7中，在阳极电化学活性菌30作用下，有机物(C_XH_YO_Z)28（来自污水中以及植物根系释放）和水（H₂O）29反应产生二氧化碳(CO₂)32、电子（e^-）33和质子（H⁺）31，如反应式（1）所示： 

C_XH_YO_Z+(2X-Z)H₂O→XCO₂+(Y-4X-2Z)H⁺+(Y＝4X-2Z)e^-（1）。 

产生的电子（e^-）33沿着阳极集电极21向上迁移并经导线19迁移到阴极区，产生的质子（H⁺）31随水流向下流出下行流池表层导电填料层（阳极区）7，产生的二氧化碳（CO₂）32向上穿出下行流池表层导电填料层（阳极区）7而释放到大气中又重新被湿地植物A5和湿地植物B6吸收进植物体内，或者进入下行流池表层导电填料层（阳极区）7和下行流池中层普通填料层8中直接被亚硝酸菌23和硝化菌26利用为无机碳源。亚硝酸菌23和硝化菌26主要分布在下行流池表层导电填料层（阳极区）7和下行流池中层普通填料层8中，因为在下行流池表层导电填料层（阳极区）7和下行流池中层普通填料层8中还存在氧气（O₂）24（来自于大气中的氧、污水中的溶解氧以及植物根系释放的氧），使得这两个区域（7和8）的主要形成好氧微环境，适合于亚硝酸菌23和硝化菌26等好氧 自养型微生物的生长。污水在流经下行流池导电填料层（阳极区）7和下行流池中层普通填料层8中（厚度h1+h2）时，污水中的（或者湿地植物败死亡部分经分解得到的）氨氮（NH₃或NH₄ ⁺）22在亚硝酸菌23作用下被氧化为亚硝酸盐氮（NO₂ ^--N）27，如公式（2）所示： 

${2\mathrm{NH}}_3+{3O}_2\→{2H}^{+}+{\mathrm{NO}}_2^{-}+{2H}_{2}O,2{\mathrm{NH}}_4^{+}+{3O}_2\→{4H}^{+}+2{\mathrm{NO}}_2^{-}+2H_{2}O---\left(2\right)$

而转化而成的亚硝酸盐氮（NO₂ ^--N）27在硝酸菌26作用下被进一步氧化为硝酸盐氮（NO₃ ^--N）25，如公式（3）所示：

（3）。在下行流池表层导电填料层厚度h1和下行流池中层普通填料层厚度h2中，污水中的氨氮（NH₃或NH₄ ⁺）22最终被转化为硝酸盐氮（NO₃ ^--N）25，转化而成的硝酸盐氮（NO₃ ^--N）25随水流继续向下移动。 

根据图4可知，它由下、上行流池底部连通层9、上行流池中层普通填料层12、下、上行流池底部连通层填料厚度h3、上行流池中层普通填料层厚度h4、硝酸盐氮(NO₃ ^--N)25、亚硝酸盐氮(NO₂ ^--N)27、硝酸盐还原酶34、有机碳源或氢供体（H-C_mH_nO_p）35、亚硝酸盐还原酶36、氧化氮（NO）37、氧化氮还原酶38、氧化亚氮或一氧化二氮（N₂O）39、氧化亚氮还原酶40、氮气（N₂）41组成，该连接关系有多种多样，其中一种为：上行流池中层普通填料层12位于下、上行流池底部连通层9上方，下、上行流池底部连通层9和上行流池中层普通填料层12、中由于缺氧和厌氧环境而存在着硝酸盐还原酶34、亚硝酸盐还原酶36、氧化氮还原酶38、氧化亚氮还原酶40。第一步，硝酸盐氮(NO₃ ^--N)25（来自于流经下行流池表层导电填料层（阳极区）7和下行流池中层普通填料层8的水流中）在硝酸盐还原酶34作用下，接受氢供体35（或电子供体）（来源于污水中的有机碳）而被还原成亚硝酸盐氮（NO₂ ^--N）27，如公式（4）和（5）所示；第二步，在第一步中生成的亚硝酸盐氮（NO₂ ^--N）27在亚硝酸盐还原酶36作用下接受氢供体35而被还原成氧化氮（NO）37，如公式（4）和（6）所示；第三步，在第二步中生成的亚氧化氮（NO）37在氧化氮还原酶38作用下接受氢供体35而被还原成氧化亚氮（N₂O）39，如公式（4）和（7）所示；第四步，在第二步中生成的氧化亚氮（N₂O）39在氧化亚氮还原酶40作用下接受氢供体35而被还原成氮气（N₂）41，如公式（4）和（8）所示。 

+2H(氢供体，有机物）→

   （5） 

+H⁺+H(氢供体，有机物）→NO+H₂O   （6） 

2NO+2H（氢供体，有机物）→N₂O+H₂O   （7） 

N₂O+2H（氢供体，有机物）→N₂+H₂O   （8） 

在下、上行流池底部连通层填料厚度h3和上行流池中层普通填料层厚度h4中，硝酸盐氮（NO₃ ^--N）25（在下行流池表层导电填料层（阳极区）7和下行流池中层普通填料层8中生成的）最终被还原成氮气（N₂）41。 

根据图5可知，它由上行流池表层导电填料层（阴极区）13、出水集水管14、气孔15、阴极集电极16、密封塞17、密封盖18、连接导线19、上行流池表层导电填料层厚度h5、硝酸盐氮(NO₃ ^--N)25、质子（H⁺）31、电子（e^-）33、氮气（N₂）41、上行流池阴极自养电化学生物反硝化菌42组成，该连接关系有多种多样，其中一种为：上行流池表层导电填料层13表面铺设出水集水管14，出水集水管14上部设置开有对称气孔15的密封盖18，阴极集电极16一端位于上行流池表层导电填料层（阴极区）13中，阴极集电极16另一端穿过密封盖18，穿出部分与连接导线19相接并用密封塞17密封。在上行流池表层导电填料层厚度h5中，生长着阴极自养电化学生物反硝化菌42（密封盖18和密封塞17使得上行流池表层导电填料层13为厌氧环境而且缺乏有机碳源），存在着质子（H⁺）31、电子（e^-）33和硝酸盐氮（NO₃ ^--N）25（三者均随水流进入上行流池表层导电填料层（阴极区）13中）。此外，电子（e^-）33沿导线19、阴极集电极16向下迁移到达上行流池表层导电填料层（阴极区）13中。在上行流池表层导电填料层厚度h5中，在阴极自养电化学生物反硝化菌42作用下，硝酸盐氮（NO₃ ^--N）25、质子（H⁺）31和电子（e^-）33发生反应生成氮气（N₂）41，如式（9）所示： 

+12H⁺+10e^-→N₂↑+6H₂O（9）。氮气（N₂）最终通过气孔15释放到大气中，而脱除氮后的污水最终经出水集水管14流出。 

采用上述结构的复合垂直流人工湿地在净化污水时将太阳能和生物质能转化为电能的详细过程是（附图1-5）：待处理的污水经由污水进水管3和污水布配水管4进入下行流池1中，经过以下两步骤完成太阳能和生物质能转化为电能的过程。步骤一，下行流池中的湿地植物A5和湿地植物B6吸收污水中的氮、 磷等生长必需的营养物质，并在白天捕获太阳光能进行光合作用，将二氧化碳32、水29转化为储存着能量的有机物，此过程中太阳光能转变生物质能。步骤二，湿地植物A5和湿地植物B6在正常生长发育过程中通过根系分泌以及污水中的有机物28在下行流池导电填料层（阳极区）7中的阳极电化学活性菌30的催化作用下，被氧化后产生二氧化碳32和电子33，产生的二氧化碳32释放到空气中重新被湿地植物A5和湿地植物B6捕获并参与步骤一中的光合作用过程；产生的电子33则通过外电路迁移到上行流池导电填料层（阴极区）13中而形成电流，此过程中生物质能转化为电能。 

采用上述结构与常规结构的复合垂直流人工湿地脱氮能力的比较（附图1-5）： 

1）常规结构的复合垂直流人工湿地的具体结构参数为：下行流池尺寸（长×宽×深）为1m×1m×1m，上行流池尺寸（长×宽×深）为1m×1m×1m。下行流池填料总厚度H1为55cm，下行流池表层导电填料层（阳极区）7填充粒径为0.1-0.5cm的颗粒活性炭，填充密度为0.45-0.55g／cm³，厚度h1为30cm；下行流池中层普通填料层8填充粒径为0.5-1.0cm的砂，厚度h2为15cm；下、上行流池底部连通层9中填充粒径为1.0-1.5cm的砾石，厚度h3为10cm。上行流池填料总厚度H2为45cm，上行流池表层导电填料层（阴极区）13填充粒径为0.1-0.5cm的颗粒活性炭，填充密度为0.45-0.55g／cm³，厚度h5为20cm；上行流池中层普通填料层8填充粒径为0.5-1.0cm的砂，厚度h4为15cm。下行流池种植湿地植物美人蕉，种植密度为9株/m²；上行流池种植湿地植物鸢尾，种植密度为9株/m²。 

2）所测试城市综合污水水质为：COD_Cr=220～270mg/L，BOD₅=80～120mg/L，TN=15～25mg/L，NH3=10～15mg/L，TP=3.5～4.5mg/L，CODCr/TN=10～12。 

3）处理2）中所述水质时，采用常规结构的复合垂直流人工湿地的主要污染指标去除率分别为：COD_Cr%=80～85%，TP%=75～90%，TN%=45～50%，NH₃%=80～90%，NO₃ ^-%=38～45%。 

4）处理2）中所述水质时，采用本实用新型结构的复合垂直流人工湿地的主要污染指标去除率分别为：COD_Cr%=90～95%，TP%=75～90%，TN%=53～68%，NH₃%=80～90%，NO₃ ^-%=45～58%。 

对比3）和4），可以看出，本实用新型结构的净化能力较常规结构的复合垂 直流人工湿地高，尤其是在硝酸盐氮和总氮的去除能力上，本实用新型结构可提高10%-15%。此外，采用本实用新型结构处理2）中所述污水，回收的电功率可达150mW/m²。 

Claims (9)

1.一种提高复合垂直流人工湿地脱氮能力的结构，包括下行流池（1）、上行流池（2）、污水布配水管（4）、湿地植物A（5）、湿地植物B（6）、下行流池表层导电填料层（7）、下行流池中层普通填料层（8）、湿地内部隔墙（11）、上行流池中层普通填料层（12）、上行流池表层导电填料层（13）、出水集水管（14）、阴极集电极（16）、阳极集电极（21），其特征在于：下行流池（1）和上行流池（2）通过湿地内部隔墙（11）分隔，下行流池（1）和上行流池（2）底部贯通形成下、上行流池底部连通层（9），在下、上行流池底部连通层（9）中填充非导电材质的填料，在下行流池（1）中部、下、上行流池底部连通层（9）之上是下行流池中层普通填料层（8），在下行流池中层普通填料层（8）填充非导电材质的填料，下行流池（1）的上部、下行流池中层普通填料层（8）之上是下行流池表层导电填料层（7），在下行流池表层导电填料层（7）中填充导电材质填料，下行流池表层导电填料层（7）的表面铺设污水布配水管（4），污水布配水管（4）与污水进水管（3）连接，下行流池表层导电填料层（7）中栽种湿地植物A（5）和湿地植物B（6），湿地植物根系（10）在下行流池表层导电填料层（7）中，湿地植物A（5）和湿地植物B（6）为常见湿地植物，下行流池表层导电填料层（7）中、湿地植物根系（10）中间埋设材质为碳棒或石墨的阳极集电极（21），阳极集电极（21）的一端固定在湿地植物根系（10）间，阳极集电极（21）的另一端伸出下行流池表层导电填料层（7），上行流池中部、下、上行流池底部连通层（9）之上是上行流池中层普通填料层（12），在上行流池中层普通填料层（12）中填充非导电材质的填料，上行流池上部、上行流池中层普通填料层（12）之上是上行流池表层导电填料层（13），在上行流池表层导电填料层（13）中填充导电材质填料，上行流池表层导电填料层（13）表面铺设出水集水管（14），在出水集水管（14）上方设置密封盖（18），密封盖（18）上对称开设两个气孔（15），上行流池表层导电填料层（13）中埋设材质为碳棒或石墨棒的阴极集电极（16），阴极集电极（16）的一端插入上行流池表层导电填料层（13）中，阴极集电极（16）的另一端穿过密封盖（18），穿出部分用密封塞（17）密封，阳极集电极（21）伸出下行流池表层导电填料层（7）的一端与阴极集电极棒（16）用密封塞（17）密封的一端通过导线（19）和负载（20）连接，形成外接电路。 

2.根据权利要求1所述的一种提高复合垂直流人工湿地脱氮能力的结构，其特 征在于：所述的下行流池（1）和上行流池（2）的填料深度相差8－12cm；下行流池（1）填料深度H1范围：53－58cm≤H1≤78－82cm；上行流池（2）填料深度H2范围：43－48cm≤H2≤68－72cm。 

3.根据权利要求1所述的一种提高复合垂直流人工湿地脱氮能力的结构，其特征在于：所述的下行流池（1）和上行流池（2）的面积比为在2～5之间，且下行流池（1）和上行流池（2）宽度相同，下行流池导电填料层深度h1的范围：28－32cm≤h1≤48－52cm；上行流池导电填料层深度h5的范围：28－32cm≤h5≤48－52cm。 

4.根据权利要求1所述的一种提高复合垂直流人工湿地脱氮能力的结构，其特征在于：所述的下行流池普通填料层深度h2的范围：13－17cm≤h2≤28－32cm；上行流池普通填料层深度h4的范围：13－17cm≤h4≤28－32cm。 

5.根据权利要求1所述的一种提高复合垂直流人工湿地脱氮能力的结构，其特征在于：所述的下、上行流池底部连通层（9）填充的填料为砾石、沸石、无烟煤、生物陶粒中的一种。 

6.根据权利要求1所述的一种提高复合垂直流人工湿地脱氮能力的结构，其特征在于：所述的下行流池中层普通填料层（8）和上行流池中层普通填料层（12）中填充的非导电材质填料为沸石、无烟煤、生物陶粒、砂中的一种。 

7.根据权利要求1所述的一种提高复合垂直流人工湿地脱氮能力的结构，其特征在于：所述的下行流池表层导电填料层（7）和上行流池表层导电填料层（13）填充的导电材质填料为活性炭、石墨中的一种。 

8.根据权利要求1所述的一种提高复合垂直流人工湿地脱氮能力的结构，其特征在于：所述的下行流池表层导电填料层中种植的常见湿地植物为千屈菜、茭白、美人蕉、水田茅、大米草、野古草、菖蒲、芦苇、象草、花叶芦荻、鸢尾中的两种至十一种任意组合。 

9.根据权利要求1所述的一种提高复合垂直流人工湿地脱氮能力的结构，其特征在于：所述的密封盖（18）置于上行流池顶部，距离出水集水管（14）上方5-10cm处。 

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