CN218579793U - 一种复合型脱氮除磷人工湿地-微生物燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种复合型脱氮除磷人工湿地‑微生物燃料电池系统，沿水流方向，包括顺次连接的一级水平潜流人工湿地‑微生物燃料电池单元和二级垂直流人工湿地‑微生物燃料电池单元，水平潜流人工湿地‑微生物燃料电池单元对有机物和重金属去除效果较好，但其因氧气传输限制，主要进行反硝化脱氮，垂直流人工湿地‑微生物燃料电池单元在底部区域，由于深度阻碍空气的扩散而形成厌氧环境，有利于氮的反硝化和聚磷菌厌氧释磷，在表面区域，由于大气中氧气扩散和湿地植物的根系泌氧而形成好氧环境，有利于硝化细菌的硝化作用和聚磷菌好氧过量吸磷，实现水中污染物的去除，铁离子也会与磷酸根离子结合形成沉淀，进一步除磷。

Description

一种复合型脱氮除磷人工湿地-微生物燃料电池系统

技术领域

本实用新型涉及人工湿地技术领域，具体涉及一种复合型脱氮除磷人工湿地-微生物燃料电池系统。

背景技术

我国污水处理厂二级尾水排放量大，实际出水水质具有有机物浓度低、氮磷浓度相对较高的特点，相较于地表水，污水处理厂出水水质仍然较差。对自净能力有限或已受到污染的受纳水体来说，排放的尾水中较高的氮、磷浓度仍会造成地表水污染和受纳水体的富营养化现象。因此对城镇污水处理厂尾水进行深度处理再利用，不仅可以降低受纳水体的污染负荷和缓解水体自净的压力，而且可以为城市提供更高质量的回用水，具有开源节流和环境保护的综合效益。

人工湿地是通过植物吸收、填料吸附和微生物同化转化等物理、化学、生物三重协同作用去除水中污染物的一种绿色低成本的污水处理装置。微生物燃料电池利用微生物作为生物催化剂，通过厌氧氧化富能有机物产生电子，在净化污水的同时获得电能，可以有效的降低污水处理的成本。人工湿地和微生物燃料电池技术二者都可以通过微生物达到污水净化效果，且人工湿地和微生物燃料电池在结构上的相似性使它们可以实现耦合，耦合后的系统被称为人工湿地-微生物燃料电池。尽管人工湿地-微生物燃料电池系统多种多样，但单一类型的人工湿地-微生物燃料电池系统均存在如氧气传输受限、氮磷去除效果不佳及无法持续稳定地进行反硝化作用等不同缺陷，较难单独完成对污水中有机物和氮磷的去除，因而不能满足日益严格的排放要求。另外，生活污水中碳氮比普遍低，易导致反硝化过程所需要的电子供体不足，影响出水总氮达标。

因此，针对现有技术的不足，开发出一种脱氮除磷效果好、节能降耗、与景观相结合，既能达到当前尾水处理要求、又能满足未来尾水处理需求的复合型脱氮除磷人工湿地-微生物燃料电池系统。

发明内容

技术问题：本实用新型的目的是提供一种复合型脱氮除磷人工湿地-微生物燃料电池系统，通过区域之间的相互组合来处理尾水，使其进一步达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)的相关要求，满足未来水处理的趋势。

技术方案：一种复合型脱氮除磷人工湿地-微生物燃料电池系统，包括顺次连接的进水配水区、多级组合人工湿地处理区和出水集水区；所述进水配水区上方设置进水管，所述出水集水区下方设置出水管；其中，

沿水流方向，所述多级组合人工湿地处理区包括顺次连通的顺次连通的一级水平潜流人工湿地-微生物燃料电池单元及二级垂直流人工湿地-微生物燃料电池单元；

所述一级水平潜流人工湿地-微生物燃料电池单元的填料层从上至下依次包括：第一阴极层、第一火山石层、细沙土混合生物质填料层、第一阳极层、第一沸石层及第一粗砾石层，所述第一阴极层的高度为10cm，所述第一火山岩层高度为30cm，所述细沙土混合生物质填料层高度为30cm，所述第一阳极层高度为15cm，所述第一沸石层高度为30cm，所述第一粗砾石层高度为20cm；

所述二级垂直流人工湿地-微生物燃料电池单元的填料层从上至下依次包括：第二阴极层、第二火山石层、强化除磷填料层、第二阳极层、第二沸石层及第二粗砾石层，所述第二阴极层的高度为10cm，所述第二火山石层高度为30cm，所述强化除磷填料层高度为30cm，所述第二阳极层高度为15cm，所述第二沸石层高度为30cm，所述第二粗砾石层高度为20cm。

更进一步地，所述第一火山石层及所述第二火山石层的火山岩的粒径为3～5mm，所述第一沸石层和所述第二沸石层的沸石的粒径为5～10mm，所述第一粗砾石层和所述第二粗砾石层的粗砾石的粒径为10～15mm。

更进一步地，所述第一阴极层及所述第二阴极层从上至下以此为高度为5cm的活性炭层、不锈钢网及高度为5cm的活性炭层，其表面种植水生植物，所述活性炭颗粒的粒径为3～ 5mm，所述水生植物为黄菖蒲、黑麦草等湿地植物，种植密度为40～50颗/平方米。

更进一步地，所述第一阳极层及所述第二阳极层为铁碳生物阳极层，所述铁碳生物阳极层为铁屑、活性炭颗粒、厌氧活性污泥的混合层，所述铁屑、活性炭颗粒、厌氧活性污泥的体积比为1∶1∶2，所述铁屑的粒径为3～5mm，所述活性炭颗粒的粒径为3～5mm。

更进一步地，所述细沙土混合生物质填料层填充物为粒径为1～3mm的细沙土与新鲜生物质的混合物。

更进一步地，所述强化除磷填料层填充物为粒径为3～5mm的季铵盐-氯化钠复合改性沸石。

进一步地，待处理污水由进水管进入所述进水配水区，经所述进水配水区上方的溢流板进入所述一级水平潜流人工湿地-微生物燃料电池单元，经过所述一级水平潜流人工湿地-微生物燃料电池单元处理的污水由第一出水通道进入配水管，并由与所述配水管相连的蠕动泵进入穿孔布水管，经所述穿孔布水管进入二级垂直流人工湿地-微生物燃料电池单元，经过所述二级垂直流人工湿地-微生物燃料电池单元处理的污水由第二出水通道进入出水集水区，并由出水管达标排放；

进一步地，所述出水第一出水通道及所述第二出水通道为分别设置在对应人工湿地单元的出水侧下方位置的透水板，所述透水板上具有若干透水口，所述透水板高度不高于对应人工湿地单元中所述粗砾石层的高度。

进一步地，述进水配水区下方设有泄水管。

有益效果：本实用新型具有下述特点：

(1)本实用新型提供的复合型脱氮除磷人工湿地-微生物燃料电池系统，沿水流方向包括顺次连通的一级水平潜流人工湿地-微生物燃料电池单元及二人工湿地-微生物燃料电池单元；相较于传统人工湿地，所述水平流潜流人工湿地-微生物燃料电池单元和所述垂直流人工湿地-微生物燃料电池单元能产生大量电子受体和电子供体，阳极和阴极附近的氧化还原化学更为活跃。水平潜流人工湿地-微生物燃料电池单元对有机物和重金属去除效果较好，但其因氧气传输限制使得脱氮除磷效果有待提高，主要进行反硝化脱氮过程；所述垂直流人工湿地-微生物燃料电池单元因其复氧效果良好使得硝化作用较强却无法持续稳定地进行反硝化作用，在离水面较近的区域氧气充足，有利于硝化细菌的硝化作用，快速降解部分小分子污染物，随着深度的加大，溶氧减少，主要发生氮的反硝化和有机物的厌氧降解作用，实现了水中污染的去除，尤其是氮的去除。

(2)本实用新型提供的复合型脱氮除磷人工湿地-微生物燃料电池系统，第一阳极和第二阳极为铁碳生物阳极，铁碳生物阳极由活性炭颗粒、活性污泥和铁屑组成，活性炭颗粒与铁屑会形成铁碳微电解，能够促进微生物在阳极富集，也能强化系统去除氮磷和有机物的效果，亚铁离子和铁离子可以与磷酸盐结合，产生不溶性沉淀，显著提高系统的除磷能力。

(3)本实用新型提供的复合型脱氮除磷人工湿地-微生物燃料电池系统，在水平潜流人工湿地微生物燃料电池单元和水平潜流人工湿地单元铺设特定比例的火山岩、沸石和粗砾石；所述火山岩比表面积大，具有丰富的孔隙结构，有利于微生物的挂膜，为微生物生存提供了有利环境；所述沸石硅铝骨架结构的电负性及其构架中的空腔和孔道，使其具有吸附、离子交换的能力，能够去除水体中的铵态氮等阳离子型污染物；所述粗砾石颗粒较粗、透水性好、强度高，被广泛运用于人工湿地基质中。

(4)本实用新型提供的复合型脱氮除磷人工湿地-微生物燃料电池系统，在一级水平潜流人工湿地微生物燃料电池单元(5)中细沙土混合生物质填料层能大量释放有机物提高尾水碳氮比，改善尾水的可生化性，为微生物反硝化提供碳源。

(5)本实用新型提供的复合型脱氮除磷人工湿地-微生物燃料电池系统，在二级垂直流人工湿地微生物燃料电池单元(6)中强化除磷填料层内的季铵盐-氯化钠复合改性沸石具有稳定的脱氮除磷效果，尤其是对磷酸盐有较强的去除效果，且可由单一的氯化钠溶液再生后循环使用，进一步提高了出水水质。

(6)本实用新型提供的复合型脱氮除磷人工湿地-微生物燃料电池系统，在表面种植水生植物，一方面植物根系向土壤运输氧气，使根系表面形成好氧区，离根系较远的区域为兼性厌氧区，在硝化反硝化细菌的共同作用下进行脱氮。另一方面水生植物密而细的根系网络具有过滤作用，也为微生物的附着和生长提供场所，从而可以改善处理后的水质，进一步提高所述复合人工湿地-微生物燃料电池系统对污水的处理效果。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进行进一步说明。

图1为复合型脱氮除磷人工湿地-微生物燃料电池系统的结构示意图。

其中有：进水配水区(1)，出水集水区(2)，进水管(3)，出水管(4)，水平潜流人工湿地-微生物燃料电池(5)，垂直流人工湿地-微生物燃料电池(6)，钛线(7)，外电阻(8)，溢流板(9)，第一出水通道(10)，配水管(11)，蠕动泵(12)，穿孔布水管(13)，第二出水通道(14)，溢流管(15)。

具体实施方式

本实用新型一种复合型脱氮除磷人工湿地-微生物燃料电池系统，包括顺次连接的进水配水区(1)、一级水平潜流人工湿地微生物燃料电池单元(5)、二级垂直流人工湿地微生物燃料电池单元(6)和出水集水区(2)；进水配水区(1)下方设置进水管(3)，出水集水区 (2)下方设置出水管(4)。待处理污水由进水管(3)进入所述进水配水区(1)，经进水配水区(1)上方的溢流板(9)进入一级水平潜流人工湿地微生物燃料电池单元(5)，经过一级水平潜流人工湿地微生物燃料电池单元(5)处理的污水由第一出水通道(10)进入配水管(11)，并由与所述配水管(11)相连的蠕动泵(12)进入穿孔布水管(13)，经穿孔布水管 (13)进入二级垂直流人工湿地微生物燃料电池单元(6)，经过二级垂直流人工湿地微生物燃料电池单元(6)处理的污水由第二出水通道(14)进入出水集水区(2)，并通过出水集水区(2)底部设置的出水管(4)达标排放。

本实施例中，第一出水通道(10)以及第二出水通道(14)分别设置在对应人工湿地单元出水侧的下端，其高度一般不高于对应湿地单元中粗砾石承托层的高度，如此设置，是为了保证污水与各级人工湿地单元中的各层填料从上至下充分接触后才排出。另外，为了避免出水速度太快，出水通道一般采用在人工湿地出水侧墙体安装透水板的形式来实现，透水板上开具有若干透水孔。

本实施例中，一级水平潜流人工湿地微生物燃料电池单元(5)的填料层从上至下依次包括：第一阴极层、第一火山石层、细沙土混合生物质填料层、第一阳极层、第一沸石层及第一粗砾石层，所述第一阴极层的高度为10cm，所述第一火山岩层高度为30cm，所述细沙土混合生物质填料层高度为30cm，所述第一阳极层高度为15cm，所述第一沸石层高度为30cm，所述第一粗砾石层高度为20cm；二级垂直流人工湿地微生物燃料电池单元(6)的填料层从上至下依次包括：第二阴极层、第二火山石层、强化除磷填料层、第二阳极层、第二沸石层及第二粗砾石层，所述第二阴极层的高度为10cm、所述第二火山石层高度为30cm、所述强化除磷填料层高度为30cm、所述第二阳极层高度为15cm、所述第二沸石层高度为 30cm、所述第二粗砾石层高度为20cm。其中，火山石颗粒、沸石颗粒以及粗砾石颗粒的粒径分别为：3～5mm、5～10mm和10～15mm，纯度均在80％以上，各层填料具体的比例以及填料的粒径等可根据污水中氮磷的含量以及污水流速等因素具体确定。

本实施例中，一级水平潜流人工湿地微生物燃料电池单元(5)和二级垂直流人工湿地微生物燃料电池单元(6)表面种植的水生植物可以为黄菖蒲、黑麦草等湿地植物，种植密度一般为40～50颗/平方米。一级水平潜流人工湿地微生物燃料电池单元(5)中细沙土混合生物质填料层的生物质可由种植的湿地植物收割得到。

为便于对复合人工湿地系统进行定期清理，本实施例中，进水配水区(1)的下方均设置泄流管(15)。

Claims (4)

1.一种复合型脱氮除磷人工湿地-微生物燃料电池系统，其特征在于，包括顺次连接的进水配水区(1)、多级组合人工湿地处理区和出水集水区(2)，进水配水区上方和下方分别设置进水管(3)和泄流管(15)，出水集水区下方设置出水管(4)，多级组合人工湿地处理区由一级水平潜流人工湿地-微生物燃料电池单元(5)、二级垂直流人工湿地-微生物燃料电池单元(6)、钛线(7)、外电阻(8)、溢流板(9)、第一出水通道(10)、配水管(11)，蠕动泵(12)、穿孔布水管(13)和第二出水通道(14)组成。

2.根据权利要求1所述的一种复合型脱氮除磷人工湿地-微生物燃料电池系统，其特征在于，所述一级水平潜流人工湿地-微生物燃料电池单元(5)的填料层从上至下依次包括：第一阴极层、第一火山石层、细沙土混合生物质填料层、第一阳极层、第一沸石层和第一粗砾石层，所述二级垂直流人工湿地-微生物燃料电池单元(6)的填料层从上至下依次包括：第二阴极层、第二火山石层、强化除磷填料层、第二阳极层、第二沸石层和第二粗砾石层。

3.根据权利要求2所述的一种复合型脱氮除磷人工湿地-微生物燃料电池系统，其特征在于，所述第一阴极层及所述第二阴极层从上至下以此为高度为5cm的活性炭层、不锈钢网及高度为5cm的活性炭层，所述第一阳极层及所述第二阳极层为铁碳生物阳极层。

4.根据权利要求2所述的一种复合型脱氮除磷人工湿地-微生物燃料电池系统，其特征在于，所述强化除磷填料层填充物为粒径为3～5mm的季铵盐-氯化钠复合改性沸石。

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