CN214327487U - 微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置，涉及废水处理技术领域，反应容器内从下到上依次设置第一过滤填料层、第一活性炭层、第二过滤填料层和第二活性炭层，湿地植物种植于第二活性炭层上，反应容器底部设有进水口，供水系统与进水口连通，反应容器顶部设有出水口，第一活性炭层外包裹有第一金属网，第二活性炭层外包裹有第二金属网，第一金属网和第二金属网分别作为阳极和阴极，阳极和阴极外接有电阻箱，监测系统与电阻箱电联接，监测系统能够对产电情况实时监测。可有效提高人工湿地对废水中污染物的去除能力，在生物产电的同时进行废水处理，并可对产电情况进行实时监测，为科学研究提供可视化数据，利于科学研究的进行。

Description

微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置

技术领域

本实用新型涉及废水处理技术领域，特别是涉及一种微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置。

背景技术

由于现代化城市的快速发展，特别是发展中国家，废水处理面临着新的挑战。现在，大多数城市仍然使用着传统的水处理技术，然而在城市化过程中，城镇和小城市的建设和运营成本都很高。降低废水处理成本，减少能源的浪费，并尽可能从废水中进行资源和能源的回收已成为废水处理的新趋势。因此，低成本、高收益、可持续和环境友好型的废水处理技术受到研究者的广泛关注。人工湿地(Constructed Wetland，CW)是一种可持续、环境社会友好型和成本效益高的一种废水处理技术，微生物燃料电池(Microbia1 Fuel Ce1l，MFC)是一种很有前途的生物电化学清洁能源技术，该系统在利用微生物作为催化剂净化废水的同时又能产电，将其与人工湿地处理技术相结合，形成了一种新型的研究水处理的装置——微生物燃料电池人工湿地耦合装置(MFC-CW)，然而该技术在国内的研究尚且不足。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置，以解决上述现有技术存在的问题，可有效提高传统人工湿地对废水中污染物的去除能力，在生物产电的同时进行废水的处理，同步实现废水净化和能源回收，并可对产电情况进行实时监测，为科学研究提供可视化数据，利于科学研究的进行。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

本实用新型提供一种微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置，包括供水系统、人工湿地系统、微生物燃料电池系统和监测系统，所述人工湿地系统包括反应容器、第一过滤填料层、第一活性炭层、第二过滤填料层、第二活性炭层和湿地植物，所述反应容器内从下到上依次设置有所述第一过滤填料层、所述第一活性炭层、所述第二过滤填料层和所述第二活性炭层，所述湿地植物种植于所述第二活性炭层上，所述反应容器底部设有进水口，所述供水系统与所述进水口连通，所述供水系统用于向所述反应容器通入废水，所述反应容器顶部设有出水口，所述微生物燃料电池系统包括阳极、阴极和电阻箱，所述第一活性炭层外包裹有第一金属网，所述第二活性炭层外包裹有第二金属网，所述第一金属网和所述第二金属网分别作为所述阳极和所述阴极，所述阳极和所述阴极分别与所述电阻箱两端电连接，所述电阻箱设置于所述反应容器外，所述监测系统与所述电阻箱电联接，所述监测系统能够对所述微生物燃料电池系统的产电情况进行实时监测。

优选的，所述供水系统包括供水桶、蠕动泵和硅胶管，所述供水桶通过所述硅胶管与所述进水口连接，所述蠕动泵连接于所述硅胶管上。

优选的，所述第一过滤填料层为粒径8～16mm的沸石填料层，所述第二过滤填料层为粒径5～8mm的陶粒填料层。

优选的，所述第一金属网和所述第二金属网均为90～100目不锈钢网，所述第一活性炭层和所述第二活性炭层中的活性炭的粒径均为3～5mm。

优选的，所述反应容器为圆柱形反应桶，所述第一活性炭层和所述第二活性炭层的直径均为30～40cm，所述第一活性炭层的高度为15～25cm，所述第二活性炭层的高度为5～15cm。

优选的，所述监测系统包括电化学工作站和计算机，所述电化学工作站与所述电阻箱电联接，所述电化学工作站与所述计算机信号连接。

优选的，所述阳极上连接有阳极钛导线，所述阳极钛导线伸出所述反应容器外并与阳极铜导线一端连接，所述阳极铜导线另一端与所述电阻箱一端连接；所述阴极上连接有阴极钛导线，所述阴极钛导线伸出所述反应容器外并与阴极铜导线一端连接，所述阴极铜导线另一端与所述电阻箱另一端连接。

优选的，所述第一过滤填料层和所述第一活性炭层交界的所述反应容器的侧壁上设有一个取样口，所述第一活性炭层和所述第二过滤填料层交界的所述反应容器的侧壁上设有一个所述取样口，所述第二过滤填料层和所述第二活性炭层交界的所述反应容器的侧壁上设有一个所述取样口。

优选的，所述阳极钛导线和所述阴极钛导线外包裹的绝缘层均为环氧树脂层。

优选的，所述湿地植物为李氏禾、水稻、东南景天或香蒲。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

本实用新型提供一种微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置，将微生物燃料电池和人工湿地系统结合，在产电的同时，进行废水处理，通过金属网包裹活性炭的形式，金属网能够更好地收集电子，防止电子不规则扩散，而且活性炭孔隙率、比表面积较大，再加上种植的植物，有利于微生物附着及生长，从而有效提高废水中污染物的去除能力，增强系统的产电效率，同步实现废水净化和能源回收，通过监测系统能够对微生物燃料电池系统的产电情况进行实时监测，从而能够为科学研究提供可视化数据，利于科学研究的进行。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置的结构示意图；

图2为图1中微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置中的第一活性炭层与第一金属网的结构示意图；

图3为图1中微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置中的第二活性炭层与第二金属网的结构示意图；

图中：100-微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置、1-供水系统、2-人工湿地系统、3-微生物燃料电池系统、4-监测系统、5-反应容器、6-第一过滤填料层、7-第一活性炭层、8-第二过滤填料层、9-第二活性炭层、10-湿地植物、11-进水口、12-出水口、13-第一金属网、14-第二金属网、15-电阻箱、16-供水桶、17-蠕动泵、18-硅胶管、19-电化学工作站、20-计算机、21-阳极钛导线、22-阳极铜导线、23-阴极钛导线、24-阴极铜导线、25-取样口。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置，以解决现有技术存在的问题，可有效提高传统人工湿地对废水中污染物的去除能力，在生物产电的同时进行废水的处理，同步实现废水净化和能源回收，并可对产电情况进行实时监测，为科学研究提供可视化数据，利于科学研究的进行。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1～3所示，本实施例提供一种微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置100，包括供水系统1、人工湿地系统2、微生物燃料电池系统3和监测系统4，人工湿地系统2包括反应容器5、第一过滤填料层6、第一活性炭层7、第二过滤填料层8、第二活性炭层9和湿地植物10，反应容器5内从下到上依次设置有第一过滤填料层6、第一活性炭层7、第二过滤填料层8和第二活性炭层9，湿地植物10种植于第二活性炭层9上，反应容器5底部设有进水口11，供水系统1与进水口11连通，供水系统1用于向反应容器5通入废水，反应容器5顶部设有出水口12，微生物燃料电池系统3包括阳极、阴极和电阻箱15，第一活性炭层7外包裹有第一金属网13，第二活性炭层9外包裹有第二金属网14，第一金属网13和第二金属网14分别作为阳极和阴极，阳极和阴极分别与电阻箱15两端电连接，电阻箱15设置于反应容器5外，监测系统4与电阻箱15电联接，监测系统4能够对微生物燃料电池系统3的产电情况进行实时监测。

在进行废水处理时，由供水系统1将废水通入反应容器5内，废水经第一过滤填料层6、第一活性炭层7、第二过滤填料层8、第二活性炭层9和湿地植物10后，从反应容器5顶部的出水口12流出，废水经第一过滤填料层6初步过滤后，经第一活性炭层7进入第二过滤填料层8进行深度过滤，通过金属网包裹活性炭的形式，活性炭孔隙率、比表面积较大，一方面可以对水体中污染物、离子进行吸附，而且为水中微生物创造了良好的生存环境，活性炭较大的空隙率使水中微生物更好地附着在上面生长繁殖，再加上种植的植物，更加有利于微生物附着及生长，从而有效提高废水中污染物的去除能力，另一方面活性炭具有导电性，提高了微生物燃料电池系统的产电能力，而金属网能够更好地收集电子，防止电子不规则扩散，从而增强系统的产电效率，同步实现废水净化和能源回收，通过监测系统4能够对微生物燃料电池系统3的产电情况进行实时监测，从而能够为科学研究提供可视化数据，利于科学研究的进行。

如图1所示，在本实施例中，供水系统1包括供水桶16、蠕动泵17和硅胶管18，供水桶16通过硅胶管18与进水口11连接，蠕动泵17连接于硅胶管18上，其中蠕动泵17的型号为BT100-2J，可方便调节系统的进水水量。

在本实施例中，第一过滤填料层6为粒径8～16mm的沸石填料层，第二过滤填料层8为粒径5～8mm的陶粒填料层，优选粒径为10mm的沸石填料层，沸石填料层能够稳定系统内水流流速，并去除废水中有机物及离子，优选粒径为6mm的陶粒填料层，陶粒填料层纳污能力强，固定生物量大，对水中污染物具有良好的净化效果，并为水中微生物提供了良好的生存环境，而且运行周期长，具有很强的吸附作用。

在本实施例中，第一金属网13和第二金属网14均为90～100目不锈钢网，第一活性炭层7和第二活性炭层9中的活性炭的粒径均为3～5mm，具体可选择100目不锈钢网用来收集电子，防止电子不规则扩散，从而增强系统的产电效率，优选活性炭的粒径为3mm，利用活性炭的高孔隙率和大的比表面积实现废水的净化并为微生物提供良好的生存环境，提高废水净化处理效果。

在本实施例中，反应容器5为圆柱形反应桶，第一活性炭层7和第二活性炭层9的直径均为30～40cm，第一活性炭层7的高度为15～25cm，第二活性炭层9的高度为5～15cm，具体的，可以将第一活性炭层7和第二活性炭层9的直径设置为30cm，将第一活性炭层7的高度设置为20cm，将第二活性炭层9的高度设置为10cm，反应容器5采用UPVC材质制作而成。

如图1所示，在本实施例中，监测系统4包括电化学工作站19和计算机20，电化学工作站19与电阻箱15电联接，电化学工作站19与计算机20信号连接。其中，电化学工作站19的型号为CHI760E，电化学工作站19的参比电极、对电极同时连接在电阻箱15一端，电化学工作站19的工作电极连接在电阻箱15的另一端，电阻箱15电阻值设置为1000Ω，通过电化学工作站19对电压、电流等电化学参数进行检测，并显示在计算机上，为科学研究提供可视化数据，利于科学研究的进行。

如图1所示，在本实施例中，阳极上连接有阳极钛导线21，阳极钛导线21伸出反应容器5外并与阳极铜导线22一端连接，阳极铜导线22另一端与电阻箱15一端连接；阴极上连接有阴极钛导线23，阴极钛导线23伸出反应容器5外并与阴极铜导线24一端连接，阴极铜导线24另一端与电阻箱15另一端连接。钛导线强度高，耐腐蚀，在水体中与阳极和阴极连接更加稳定。

如图1所示，在本实施例中，第一过滤填料层6和第一活性炭层7交界的反应容器5的侧壁上设有一个取样口25，第一活性炭层7和第二过滤填料层8交界的反应容器5的侧壁上设有一个取样口25，第二过滤填料层8和第二活性炭层9交界的反应容器5的侧壁上设有一个取样口25。通过各取样口25能够方便地将不同位置处的水体取出以进行废水中污染物的测定，从而得到反应容器5内不同位置处的水体中污染物的浓度。

在本实施例中，阳极钛导线21和阴极钛导线23外包裹的绝缘层均为环氧树脂层，耐腐蚀性能好。

在本实施例中，湿地植物10为李氏禾、水稻、东南景天或香蒲，可选择不同的植物进行废水处理，适用范围广。

按照本实用新型的结构构建了4套微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置，两套为实验组，两套为对照组，但对照组的阴、阳极并未连接电阻箱，此时，对照组处于开路状态。

每个废水处理装置在实验启动前在阳极接种污泥2个月。参考废水中的污染物组分进行人工废水的配置，人工废水组成是如表1所示。采用人工配制的废水，以李氏禾为湿地植物，通过蠕动泵采用自下而上的进水方式，装置水力停留时间为1天。装置正常出水后，对出水水质进行定期检测，对外电路的输出电压进行实时监测，当出水水质稳定、输出电压稳定时，即完成了微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置的启动。

性能分析：较对照组，所构建的微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置的实验组其去除能力有较为明显的提高，出水浓度比对照组低出10％-20％。出水水体中各污染物的浓度均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准，输出电压可稳定在300mV以上，表2为实验组与对照组水质净化数据及实验组产电大小数据。

本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置，其特征在于：包括供水系统、人工湿地系统、微生物燃料电池系统和监测系统，所述人工湿地系统包括反应容器、第一过滤填料层、第一活性炭层、第二过滤填料层、第二活性炭层和湿地植物，所述反应容器内从下到上依次设置有所述第一过滤填料层、所述第一活性炭层、所述第二过滤填料层和所述第二活性炭层，所述湿地植物种植于所述第二活性炭层上，所述反应容器底部设有进水口，所述供水系统与所述进水口连通，所述供水系统用于向所述反应容器通入废水，所述反应容器顶部设有出水口，所述微生物燃料电池系统包括阳极、阴极和电阻箱，所述第一活性炭层外包裹有第一金属网，所述第二活性炭层外包裹有第二金属网，所述第一金属网和所述第二金属网分别作为所述阳极和所述阴极，所述阳极和所述阴极分别与所述电阻箱两端电连接，所述电阻箱设置于所述反应容器外，所述监测系统与所述电阻箱电联接，所述监测系统能够对所述微生物燃料电池系统的产电情况进行实时监测。

2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置，其特征在于：所述供水系统包括供水桶、蠕动泵和硅胶管，所述供水桶通过所述硅胶管与所述进水口连接，所述蠕动泵连接于所述硅胶管上。

3.根据权利要求1所述的微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置，其特征在于：所述第一过滤填料层为粒径8～16mm的沸石填料层，所述第二过滤填料层为粒径5～8mm的陶粒填料层。

4.根据权利要求1所述的微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置，其特征在于：所述第一金属网和所述第二金属网均为90～100目不锈钢网，所述第一活性炭层和所述第二活性炭层中的活性炭的粒径均为3～5mm。

5.根据权利要求1所述的微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置，其特征在于：所述反应容器为圆柱形反应桶，所述第一活性炭层和所述第二活性炭层的直径均为30～40cm，所述第一活性炭层的高度为15～25cm，所述第二活性炭层的高度为5～15cm。

6.根据权利要求1所述的微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置，其特征在于：所述监测系统包括电化学工作站和计算机，所述电化学工作站与所述电阻箱电联接，所述电化学工作站与所述计算机信号连接。

7.根据权利要求1所述的微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置，其特征在于：所述阳极上连接有阳极钛导线，所述阳极钛导线伸出所述反应容器外并与阳极铜导线一端连接，所述阳极铜导线另一端与所述电阻箱一端连接；所述阴极上连接有阴极钛导线，所述阴极钛导线伸出所述反应容器外并与阴极铜导线一端连接，所述阴极铜导线另一端与所述电阻箱另一端连接。

8.根据权利要求1所述的微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置，其特征在于：所述第一过滤填料层和所述第一活性炭层交界的所述反应容器的侧壁上设有一个取样口，所述第一活性炭层和所述第二过滤填料层交界的所述反应容器的侧壁上设有一个所述取样口，所述第二过滤填料层和所述第二活性炭层交界的所述反应容器的侧壁上设有一个所述取样口。

9.根据权利要求7所述的微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置，其特征在于：所述阳极钛导线和所述阴极钛导线外包裹的绝缘层均为环氧树脂层。

10.根据权利要求1所述的微生物燃料电池人工湿地耦合废水处理装置，其特征在于：所述湿地植物为李氏禾、水稻、东南景天或香蒲。

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