CN215208998U - 耦合微生物燃料电池的生物滞留模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种耦合微生物燃料电池的生物滞留模拟系统，包括池体，所述池体从上到下依次填充有滞水层、植被层、种植土壤层、好氧层、混合填料层、砾石层、卵石层，所述池体中设置有通气管，所述通气管深入到种植土壤层和好氧层中，所述好氧层中设置有阴极，所述混合填料层中设置有阳极，所述阴极与所述阳极共同连接有电阻箱，所述池体的底部连接有第一排水管，所述第一排水管的一端连接有溢流池，所述溢流池中设置有第二排水管。本案利用微生物燃料电池技术，可利用微生物将有机物中的化学能直接转化为电能，为硝酸盐还原成氮气提供电子。因此，将生物滞留系统与微生物燃料电池相耦合，可提高其脱氮效能。
Description
技术领域
本实用新型涉及削减地表径流氮素污染的生物滞留设施技术领域，具体为一种耦合微生物燃料电池的生物滞留模拟系统。
背景技术
在我国快速城市化情况下，面源氮污染正成为水体污染、湖泊富营养化的重要来源，已严重影响到水环境系统和生态环境健康。因此，寻求一种有效削减高氮污染物的技术措施已成为必然措施。
生物滞留系统是指在地势较低的区域，通过植物、土壤和微生物系统蓄渗、净化地表径流，是一种低成本、高效率的面源氮污染控制措施，主要由植被层、土壤层、多孔介质层和底部排水收集装置组成。影响生物滞留系统削减地表径流氮磷污染物传输的因子主要包括：植被特性、填充基质性能、水力负荷、饱和带设置等。
然而，生物滞留池设置还存在反硝化脱氮效能弱且不稳定等缺陷。鉴于此，本案利用微生物燃料电池技术，可利用微生物将有机物中的化学能直接转化为电能，为硝酸盐还原成氮气提供电子。因此，将生物滞留系统与微生物燃料电池相耦合，可提高其脱氮效能。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种耦合微生物燃料电池的生物滞留模拟系统，该系统可弥补传统生物滞留系统对面源氮素污染物的削减效能弱且不稳定等不足，可以在不增加占地面积的情况下有效提高生物滞留设施对雨水中污染物的去除能力，同时还能产生电能，同步实现去污和能源回收。为有效削减面源氮磷污染提供技术措施，具有重要的现实意义。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种耦合微生物燃料电池的生物滞留模拟系统，包括池体，所述池体从上到下依次填充有滞水层、植被层、种植土壤层、好氧层、混合填料层、砾石层、卵石层，所述池体中设置有通气管，所述通气管深入到种植土壤层和好氧层中，所述好氧层中设置有阴极，所述混合填料层中设置有阳极，所述阴极与所述阳极共同连接有电阻箱，所述池体的底部连接有第一排水管，所述第一排水管的一端连接有溢流池，所述溢流池中设置有第二排水管。
优选的，所述滞水层的高度为150mm。
优选的，所述种植土壤层的高度为150mm，可种植植被，所述植被的种类为当地气候、根系发达且生物量大的耐受植物。
优选的，所述好氧层的高度为150mm，填料为粉煤灰陶粒，粒径为10-20 mm。
优选的，所述混合填料层的高度为350mm，填料比为沸石：铝污泥：河砂：生物质颗粒＝3.5:1:5:0.5，其中沸石粒径为2-4mm，河砂粒径为1-2mm，生物质颗粒制备原料为木屑或农作物秸秆，粒径为5-10mm。
优选的，所述砾石层的高度为100mm，填料为砾石，粒径为5-8mm。
优选的，所述卵石层的高度为100mm，填料为卵石，粒径为20-30mm。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
1、通过在传统生物滞留系统中耦合微生物燃料电池，在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，O2或NO3-N作为电子受体与通过流动扩散至阴极的质子结合生成H2O或N2，进而提高系统的脱氮性能。
2、溢流池的设计可为生物滞留池系统提高厌氧环境，提高系统的反硝化脱氮性能。可通过改变生物滞留系统的水力负荷、生物质添加量及溢流池高度等相关指标，模拟耦合微生物燃料电池的生物滞留系统对面源氮素污染物的削减效果，为合理设置生物滞留系统及准确预测其削减面源污染物效率提供数据基础，进而更好地应用于削减地表径流氮磷污染物。
附图说明
图1为本实用新型池体的剖面图；
图2为本实用新型电阻箱的立体图；
图3为本实用新型通气管的立体图。
图中：1、滞水层；2、植被层；3、种植土壤层；4、好氧层；5、混合填料层；6、砾石层；7、卵石层；8、通气管；9、阴极；10、阳极；11、电阻箱；12、第一排水管；13、溢流池；14、第二排水管；15、池体。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
请参阅图1至图3，本实用新型提供一种技术方案：一种耦合微生物燃料电池的生物滞留模拟系统，包括池体15，池体15由有机玻璃制成，采用内径 400mm，高1000mm的柱体结构。
池体15从上到下依次填充有滞水层1、植被层2、种植土壤层3、好氧层 4、混合填料层5、砾石层6、卵石层7。
滞水层1的高度为150mm，位于种植土壤层3之上，以便于储水及让植被接受充足光照。
种植土壤层3的高度为150mm，可种植植被形成植被层2，植被种类为最适于当地气候、根系发达且生物量较大的耐受植物。
好氧层4的高度为150mm，填料为粉煤灰陶粒，粒径为10-20mm。
混合填料层5的高度为350mm，填料比为沸石：铝污泥：河砂：生物质颗粒＝3.5:1:5:0.5，其中沸石粒径为2-4mm，河砂粒径为1-2mm，生物质颗粒制备原料为木屑或农作物秸秆，粒径为5-10mm。
砾石层6的高度为100mm，填料为砾石，粒径为5-8mm。
卵石层7的高度为100mm，填料为卵石，粒径为20-30mm。
池体15中设置有通气管8，通气管8深入到种植土壤层3和好氧层4中，通气管8可为种植土壤层3和好氧层4中导入空气，通气管8直径为50-100 mm，管壁上通气孔径为4-6mm，间距为50-100mm。
好氧层4中设置有阴极9，混合填料层5中设置有阳极10，阴极9与阳极10共同连接有电阻箱11。阳极10石墨电极，水平铺设于混合填料层5中，距池体15底部约300mm，阴极9石墨电极水平铺设于好氧层9内，距阳极 10的距离约350mm，在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，O2或NO3-N作为电子受体与通过流动扩散至阴极的质子结合生成H2O或N2，进而提高系统的脱氮性能。通气管8的加入，可进一步提高阴极9附近的溶解氧浓度，提高生物滞留系统脱氮效率。
池体15的底部连接有第一排水管12，第一排水管12的一端连接有溢流池13，溢流池13中设置有第二排水管14。溢流池13的设计可让生物滞留池系统底部形成一定高度的饱和带，提供厌氧环境，提高系统的反硝化脱氮性能。
工作原理：该耦合微生物燃料电池的生物滞留模拟系统使用时，电阻箱启动，在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，O2或NO3-N作为电子受体与通过流动扩散至阴极的质子结合生成H2O或 N2，进而实现脱氮。
Claims (6)
1.一种耦合微生物燃料电池的生物滞留模拟系统，包括池体（15），其特征在于：所述池体（15）从上到下依次填充有滞水层（1）、植被层（2）、种植土壤层（3）、好氧层（4）、混合填料层（5）、砾石层（6）、卵石层（7），所述池体（15）中设置有通气管（8），所述通气管（8）深入到种植土壤层（3）和好氧层（4）中，所述好氧层（4）中设置有阴极（9），所述混合填料层（5）中设置有阳极（10），所述阴极（9）与所述阳极（10）共同连接有电阻箱（11），所述池体（15）的底部连接有第一排水管（12），所述第一排水管（12）的一端连接有溢流池（13），所述溢流池（13）中设置有第二排水管（14）。
2.根据权利要求1所述的耦合微生物燃料电池的生物滞留模拟系统，其特征在于：所述滞水层（1）的高度为150 mm。
3.根据权利要求1所述的耦合微生物燃料电池的生物滞留模拟系统，其特征在于：所述种植土壤层（3）的高度为150 mm，可种植植被，所述植被的种类为当地气候、根系发达且生物量大的耐受植物。
4.根据权利要求1所述的耦合微生物燃料电池的生物滞留模拟系统，其特征在于：所述好氧层（4）的高度为150 mm，填料为粉煤灰陶粒，粒径为10-20 mm。
5.根据权利要求1所述的耦合微生物燃料电池的生物滞留模拟系统，其特征在于：所述砾石层（6）的高度为100 mm，填料为砾石，粒径为5-8 mm。
6.根据权利要求1所述的耦合微生物燃料电池的生物滞留模拟系统，其特征在于：所述卵石层（7）的高度为100 mm，填料为卵石，粒径为20-30 mm。
Priority Applications (1)
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| CN202120747284.6U CN215208998U (zh) | 2021-04-13 | 2021-04-13 | 耦合微生物燃料电池的生物滞留模拟系统 |
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2021
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