CN218101349U - 基于气泡浮升力的沉水植物—微生物燃料电池装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于气泡浮升力的沉水植物—微生物燃料电池装置，包括反应室、阳极、空气阴极、反应室进水管和反应室出水管、反应室进水阀和反应室出水阀、支撑网格、储水箱、蠕动泵、反应室出水管流量计、水生植物生态箱、生态箱进水管、生态箱出水管、生态箱出水阀、水压调节柱、外接电阻、外导线、沉水植物组成，本实用新型基于气泡浮升力的沉水植物—微生物燃料电池装置，采用植物光合作用生成氧气，利用气泡浮升力提高微生物燃料电池空气阴极附近的氧浓度，促进微生物燃料电池的氧还原反应，并将燃料电池出水排入植物生态箱，减少氮磷排放和碳排放。

Description

基于气泡浮升力的沉水植物—微生物燃料电池装置

技术领域

本实用新型涉及污水处理领域，具体的是基于气泡浮升力的沉水植物—微生物燃料电池装置。

背景技术

微生物燃料电池系统可以通过让特定的微生物来降解有机物并且将化学能转化为电能，具有着能量转化率高、操作条件温和、清洁高效等特点，在污水处理方面有着很大的作用。微生物燃料电池从结构上可以分为单室和双室，其中单室微生物燃料电池由于缩减了阳极之间的距离，所以有着更好的产电效率。在微生物燃料电池领域，由于氧气具有来源广泛氧化还原电位高的优点，因此被视为最理想的电子受体之一。目前已经开发出了许多不同类型的微生物燃料电池，这些燃料电池各有优势，但是也存在着一定的不足，例如：

1.申请号为202022334104.X的专利中的空气阴极燃料电池为空气阴极配备了氧气管、氧气发生器、氧气室等部件，这样可以为了提高空气阴极附近氧浓度，提升氧还原效率，但是需要外加能源供氧。

2.申请号为200910310306.6的专利中的双室微生物燃料电池将阳极室产生的二氧化碳收集起来并通入装有藻类的阴极室，这减少了处理污水过程中二氧化碳的排放，但是却没有办法减少污水中氨磷等营养盐的排放。

3.申请号为201710170007.1的专利中将液体和气体的密度差来作为空气的传输动力，充分利用空气泵和高度差未实现物质的自然循环，提高了电池的性能并减少了运行成本，但笔者认为其竖直排列的管状空气阴极较难截留上浮的空气泡，所以泵入的氧气利用率较低。

4.申请号为201810620758.3的专利，利用耦合微生物燃料电池的沉水植物削减受污染水体中的营养盐，利用改变底泥氧化还原电位，通过反硝化过程脱氮，但对沉水植物-微生物燃料电池系统中空气阴极氧气浓度较低的问题，该专利未涉及。

沉水植物是健康水生态系统重要的组成部分，也是受污染水体自净过程的重要参与者。在光合作用的驱动下，沉水植物可为水体提供氧气，并从水中吸收去除氮磷等营养物质。与陆地植物相比，沉水植物往往有着更大更多的叶绿体和较发达的通气器官，因此沉水植物和其他植物相比有着更强的光合作用能力，可以快速消耗水体中的碳源，放出氧气。沉水植物可以有效控制水体中过剩的营养物质，因此在生态修复、污水净化等环境工程等领域有着较大的应用。目前微生物燃料电池与水生生态体系相结合的研究还较少，但是鉴于沉水植物净化污染物的巨大潜力，这将是一个富有前景的研究方向。

实用新型内容

为解决上述背景技术中提到的不足，本实用新型的目的在于提供基于气泡浮升力的沉水植物一微生物燃料电池装置，采用植物光合作用生成氧气，利用气泡浮升力提高微生物燃料电池空气阴极附近的氧浓度，促进微生物燃料电池的氧还原反应，并将燃料电池出水排入植物生态箱，减少氮磷排放和碳排放。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现：

基于气泡浮升力的沉水植物一微生物燃料电池装置，包括反应室、阳极、空气阴极、反应室进水管和反应室出水管、反应室进水阀和反应室出水阀、支撑网格、储水箱、蠕动泵、反应室出水管流量计、水生植物生态箱、生态箱进水管、生态箱出水管、生态箱出水阀、水压调节柱、外接电阻、外导线、沉水植物组成；

所述反应室是一个长方体，所述反应室的底部为一层支撑网格。空气阴极放置在支撑网格之上，大小形状于反应室底部相同，与反应室壁相接处用防水胶粘剂粘结，阳极悬挂于反应室之中，同时通过外接导线与空气阴极相连；外加电阻接入导线，在反应室一侧壁接反应室进水管，用于将污水引进微生物燃料电池反应室；在反应室另一侧壁下部接反应室出水管，用于将处理完的废水送入储水箱，在出水管末端接上流量计；

所述反应室下方为水生植物生态箱，生态箱上部为上半部分为上小下大的四棱台，上底的大小形状与反应室相同，水生植物生态箱下半部分为四棱柱；水生植物生态箱的上底即为反应室的下底。

进一步优选地，所述生态箱中种植放置一定量底泥并种植沉水植物，用于进一步消耗反应室出水中的含碳物质，进一步净化水质，并通过光合作用生产燃料电池所需要的氧气。

进一步优选地，所述生态箱进水管固定于水生植物生态箱的上部侧壁上，一端延伸至生态箱内部，另一端连接储水箱，并且末端装有蠕动泵。

进一步优选地，所述水生植物生态箱出水管安装于水生植物生态箱的另一个上部侧壁上，用于将生态箱处理过的废水排出。

进一步优选地，所述水压调节柱垂直与地面安装于水生植物生态箱上部侧壁上，水压调节柱最高点比生态箱上底高。

本实用新型的有益效果：

本实用新型通过利用气泡浮升力，提高了沉水植物——微生物燃料电池系统的阴极氧气浓度，提高了系统对污染物的去除能力。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

图1是本实用新型的微生物燃料电池装置结构正视图；

图2是本实用新型中微生物燃料电池装置结构、管道俯视图。

图中：

1、反应室；2、阳极；3、空气阴极；4、反应室进水管；5、反应室出水管；6、反应室进水阀；7、反应室出水阀；8、支撑网格；9、储水箱；10、蠕动泵；11、反应室出水管流量计；12、水生植物生态箱；13、生态箱进水管；14、生态箱出水管； 15、生态箱出水阀；16、水压调节柱；17、外接电阻；18、外导线；19、沉水植物。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-2所示，微生物燃料电池装置由由反应室1、阳极2、空气阴极3、反应室进水管4和反应室出水管5、反应室进水阀6和反应室出水阀7、支撑网格8、储水箱 9、蠕动泵10、反应室出水管流量计11、水生植物生态箱12、生态箱进水管13及生态箱出水管14、生态箱出水阀15、水压调节柱16、外接电阻17、外导线18、沉水植物 19组成。

反应室1为一个长方体，有密封盖，装满污水后可以形成厌氧环境。

阳极2采用炭毡，炭毡由不锈钢网包裹生物炭制成，呈板状。

空气阴极3以不锈钢为集流体，空气扩散层用导电炭黑与聚四氟乙烯质量比1：2辊压制成；催化层用活性生物炭和聚四氟乙烯质量比3：1辊压制成，该结构可以防止污水渗漏，形状大小与反应室1底部相同，呈薄板状，表面光滑平整。

阳极2悬挂于反应室1内部，空气阴极3位于并组成反应室1的底部，空气阴极3 下面安装支撑网格8以防空气阴极3在水压下破损变形。放置时，空气阴极3空气扩散层朝下。

反应室进水阀6、反应室出水阀7、生态箱出水阀15均为可设置开关间隔的电磁阀。

支撑网格8呈薄板状，表面平整，由工程塑料等高强度材料制成，大小形状与反应室1底部相同，网格紧密且均匀分布。

阳极2与空气阴极3垂直布置，并用外导线18相连接。外导线18接入外接电阻 17。

反应室进水管4在反应室1上部一侧安装，用于将待处理的废水导入微生物燃料电池；在另一侧下部安装反应室出水管5，用于将反应后的污水排出并导入至储水箱9，在反应室出水管5的末端设置流量计。

储液箱为一个立方型塑料箱，可以放在装置附近合适的地方，用于储存燃料电池反应室1流出液，也可以作为调节出水性质的容器。

反应室出水管流量计11和蠕动泵10用于控制液体流量、转移液体和控制反应时间。

反应室1的下部为水生植物生态箱12，其特征为上半部分为上小下大的四棱台，上底的大小形状与反应室1相同，生态箱下半部分为四棱柱；水生植物生态箱12的上底即为反应室1的下底。生态箱所用材料应选用透光性能好的材料，例如有机玻璃。

水生植物生态箱12进水管固定于水生植物生态箱12的上部侧壁上，一端延伸至生态箱内部，另一端连接储水箱9，并且末端装有蠕动泵10。蠕动泵10用于将储水箱 9中被处理过后的污水送入水生植物生态箱12。

水生植物生态箱12出水管安装于水生植物生态箱12的另一个上部侧壁上，用于将生态箱处理过的废水排出。外接电阻17大小为1000Q。

水压调节柱16垂直与地面安装于水生植物生态箱12上部侧壁上，水压调节柱16最高点比水生植物生态箱12上底高，通过改变水在调节柱中的高度来控制生态箱内部的压力，合适的压力有利于聚集在水生植物生态箱12顶部的由植物光合作用产生的氧气在空气阴极3的扩散，并且还可以辅助生态箱排水。

水压调节柱16可以采用PVC塑料管制作。

水生植物生态箱12底部需放置一定量河流底泥，并种植沉水植物19，沉水植物 19包括鹿角苔、绿菊、绿尾松、金鱼藻、黑木厥等。水生植物生态箱12的水面应该要到达顶部附近。应在沉水植物19种植完成之后再将反应室1安装在水生植物生态箱12 顶部。

水生植物生态箱12在光照条件下可以保证空气阴极3附近的气体绝大部分为氧气，可以促进空气阴极3上氧还原过程。

基于气泡浮升力的沉水植物—微生物燃料电池装置的方法，其特征在运行步骤，如下：

1.打开反应室进水管4阀门，使污水从微生物燃料电池上部的反应室进水管4进入燃料电池反应室1，并在阳极2附近微生物的作用下有机物被分解并放出质子和电子。质子通过扩散到达阴极，电子通过外接导线到达阴极，并与氧气发生反应。

2.污水在燃料电池中停留反应一段时间后，反应室出水管5的阀门打开，把一部分反应室1中的液体排至储水箱9。然后打开反应室进水阀6，补充新的污水。停留时间和排出液体量根据污水性质进行调整。然后对储水箱9中的污水进行一定处理，例如调节pH值、稀释等操作，避免剩余污染物浓度过高或者pH不适宜而影响水生植物的生长。

3.水生植物生态箱12出水阀打开，排出一部分水，随后关闭。蠕动泵10打开，缓慢抽取储液箱中的反应室1出水并通过水生植物生态箱12进水管输送到水生植物生态箱12内部，将水面高度补到排水之前的高度。在生态箱内，沉水植物19会利用反应室1出水中的CO2进行光合作用并放出氧气，氮磷等营养物质也会被沉水植物19吸收。氧气会由于浮力上至水面并和空气阴极3接触，并与阳极2产物质子和电子反应生成水。

本实施方式在对实际污水进行处理时，可以通过改变污水在微生物燃料电池中和水生植物生态箱12中的停留时间来提高该装置整体的产电效率和废水净化效果。

实施例2

若反应室1出水中污染物浓度较低，植物可以直接接受反应室1的出水，则可以在实施例1装置和运行步骤上做一定改动，达到减少该装置在运行过程中的能量消耗和减少装置搭建成本的目的。具体改动如下：

装置上的改动：移除储水箱9、蠕动泵10，将反应室出水管5与生态箱进水管13 相连接，可以适当增减反应室出水管5和生态箱进水管13的长度，使其美观简约。

运行步骤上的改动：当污水在反应室1中停留反应一段时间后，将生态箱出水阀15打开，放出上清液，随后关闭。将反应室出水阀7打开，将反应室1出水直接排进水生植物生态箱12中，直至将生态箱中的水位补至原来水位。随后关闭反应室出水阀 7，打开反应室进水阀6，将新的污水引入反应室1后开启新的处理循环。

实施例2在步骤上省去了将反应室1出水排入储水箱9、储水箱9中对污水处理和用蠕动泵10将储水箱9中水泵入水生植物生态箱12的过程。在反应室1出水符合生态箱进水要求的时候采用实施例2可以省去使用蠕动泵10带来的运行成本，时减少装置的搭建成本。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。

Claims (5)

1.基于气泡浮升力的沉水植物一微生物燃料电池装置，其特征在于，包括反应室(1)、阳极(2)、空气阴极(3)、反应室进水管(4)和反应室出水管(5)、反应室进水阀(6)和反应室出水阀(7)、支撑网格(8)、储水箱(9)、蠕动泵(10)、反应室出水管流量计(11)、水生植物生态箱(12)、生态箱进水管(13)、生态箱出水管(14)、生态箱出水阀(15)、水压调节柱(16)、外接电阻(17)、外导线(18)、沉水植物(19)组成；

所述反应室(1)是一个长方体，所述反应室(1)的底部为一层支撑网格(8)，空气阴极(3)放置在支撑网格(8)之上，大小形状于反应室(1)底部相同，与反应室(1)壁相接处用防水胶粘剂粘结，阳极(2)悬挂于反应室(1)之中，同时通过外接导线与空气阴极(3)相连；外加电阻接入导线，在反应室(1)一侧壁接反应室进水管(4)，用于将污水引进微生物燃料电池反应室(1)；

在反应室(1)另一侧壁下部接反应室出水管(5)，用于将处理完的废水送入储水箱(9)，在出水管末端接上流量计；

所述反应室(1)下方为水生植物生态箱(12)，生态箱上部为上半部分为上小下大的四棱台，上底的大小形状与反应室(1)相同，水生植物生态箱(12)下半部分为四棱柱；

水生植物生态箱(12)的上底即为反应室(1)的下底。

2.根据权利要求1所述的基于气泡浮升力的沉水植物一微生物燃料电池装置，其特征在于，所述生态箱中种植放置一定量底泥并种植沉水植物(19)，用于进一步消耗反应室(1)出水中的含碳物质，进一步净化水质，并通过光合作用生产燃料电池所需要的氧气。

3.根据权利要求1所述的基于气泡浮升力的沉水植物一微生物燃料电池装置，其特征在于，所述生态箱进水管(13)固定于水生植物生态箱(12)的上部侧壁上，一端延伸至生态箱内部，另一端连接储水箱(9)，并且末端装有蠕动泵(10)。

4.根据权利要求1所述的基于气泡浮升力的沉水植物一微生物燃料电池装置，其特征在于，所述水生植物生态箱(12)出水管安装于水生植物生态箱(12)的另一个上部侧壁上，用于将生态箱处理过的废水排出。

5.根据权利要求1所述的基于气泡浮升力的沉水植物一微生物燃料电池装置，其特征在于，所述水压调节柱(16)垂直与地面安装于水生植物生态箱(12)上部侧壁上，水压调节柱(16)最高点比生态箱上底高。

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