CN218879614U - 一种人工湿地-微生物燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于污水处理技术领域，涉及一种人工湿地‑微生物燃料电池系统，包括气体收集箱，圆柱状容器内从下往上依次填充砾石层、黄铁矿层和石英砂层，在容器外侧位于第六水样取样口之上设有一圈凸起，水封环置于凸起之上；气体收集箱底部中空，置于水封环之上；砾石层高度100～200mm，黄铁矿层高度150～350mm，石英矿层高度100～200mm。本实用新型能够通过物理、化学和生物多途径处理污水。利用水封，集气箱处于密闭条件中，收集处理过程中释放的气体。本系统结构简单，便于携带组装，可根据相应的处理水质条件调整水力停留时间，以达到良好的处理效果。在处理过程中达到产电效果；适当的条件下可用于含抗生素、重金属、低碳氮比等不同种类的污水处理。
Description
技术领域
本实用新型属于污水处理技术领域，涉及人工湿地技术和污水处理，尤其涉及一种人工湿地-微生物燃料电池系统。
背景技术
人工湿地(CW)作为一种人为地将砂、石、土等基质按照特定的比例组合，并选择性地将植物植入其中的水处理生态系统。人工湿地是在湿地基质、植物、微生物等共同作用下，利用基质吸附、植物吸收和微生物降解等自然过程去除废水中的污染物。人工湿地相对于传统的水处理手段有着运行成本低、持久耐用、对外加能源需求少和简易操作等优势，非常适合中、小城镇的污水处理。但是由于其处理效率不高、处理时间长、占地面积大等缺点，限制其广泛使用。
微生物燃料电池(MFC)是微生物和电池技术相互结合的产物，能够利用微生物作为催化剂净化废水的同时又能收获电能，是目前广泛受到人们关注的生物电化学清洁能源技术。微生物燃料电池产电是目前研究最多的微生物电化学技术的应用，微生物利用阳极作为电子受体来氧化有机化合物，电子通过外接电路到达阴极，在那里氧被还原，完成产电的过程。
鉴于CW系统自然分层的氧化还原梯度与MFC系统运行过程中所需要的条件高度相似，为CW和MFC系统相耦合提供了可行性的条件。近年来，人工湿地-微生物燃料电池耦合系统受到了人们的关注。
本实用新型公开了一种人工湿地-微生物燃料电池系统，并结合集气装置将系统运行中释放气体进行收集利于后续气体检测。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种人工湿地-微生物燃料电池系统，旨在解决现有的人工湿地-微生物燃料电池运行过程中无法有效收集系统释放的气体。
技术方案
一种人工湿地-微生物燃料电池系统，包括气体收集箱，圆柱状容器内从下往上依次填充砾石层、黄铁矿层和石英砂层，在容器外侧位于第六水样取样口之上设有一圈凸起，水封环置于凸起之上；所述气体收集箱底部中空，放置于水封环之上，在气体收集箱外侧设有气体取样口，顶部设有气体平衡口。
本实用新型较优公开例中，水封环设于容器外侧凸起之上，其环状的内径与容器直径相匹配以穿过容器，外径大于内径2～4cm，优选3cm，沿环状底部外侧设有高2～4cm优选3cm的挡板，挡板和容器壁形成一定高度的环状空隙，注水后形成水封。
本实用新型较优公开例中，所述砾石层高度100～200mm，优选150mm；所述黄铁矿层高度150～350mm，优选200mm；所述石英砂层高度100～200mm，优选150mm。
本实用新型较优公开例中，在所述黄铁矿层中间位置填埋阳极，在石英砂层顶部设有阴极；导线一端连接阳极，沿着容器内壁向上伸出，另一端连接阴极，两端与电阻相连，万用表连接于电阻两侧。
本实用新型较优公开例中，在容器底部外侧由下至上设有6个水样取样口，其中第一水样取样口位于砾石层外侧，第二水样取样口和第三水样取样口位于黄铁矿层外侧，第四水样取样口和第五水样取样口位于石英砂层外侧，第六水样取样口位于阴极与水封环之间的外侧。
本实用新型较优公开例中，所述阴极与阳极由碳毡包覆不锈钢网制成；所述导线为铜线。
处理污水时，利用蠕动泵从第一水样取样口进水至阴极底部，设置一定的水力停留时间；处理过程中，处理水样从第四水样取样口排入水桶中，利用蠕动泵从水桶取水，沿着第六水样取样口将处理水样重新泵入系统中，水样经过再次处理后又从第四水样取样口排入水桶中并泵入系统中，形成阴极附近的循环流模式；运行中利用万用表进行电压测量，发现循环流流量直接影响系统电压值的数值。
采用静态箱法收集系统在运行过程中产生的气体，采集过程中，首先将气体收集箱置于水封环之上，为防止装置内产生的气体从气体收集箱和水封环接触面泄漏，向水封环注入清水，在气体收集箱和水封环接触面形成一定高度的水柱，从而防止装置内的气体泄漏。通过无菌注射器从气体取样口抽取气体收集箱内气体注入已抽真空的气体采样袋内，方便后续使用气相色谱进行气体分析。
有益效果
本实用新型所设计的人工湿地-微生物燃料电池系统，能够通过物理、化学和生物多途径处理污水。利用水封的设计，集气箱可处于很好的密闭环境，并方便有效收集处理过程中释放的气体，利于开展气体释放的相关研究。本系统的组成材料廉价易得，结构简单，便于携带组装，可根据相应的处理水质条件调整水力停留时间，以达到良好的处理效果。区别于传统人工湿地单纯处理污水，本系统还可在处理过程中达到产电效果。在适当的条件下也可用于含抗生素、重金属、低碳氮比等不同种类的污水处理。
附图说明
图1.人工湿地-微生物燃料电池系统的结构示意图；
其中，各部件名称分别为：1-1、第一水样取样口，1-2、第二水样取样口，1-3、第三水样取样口，1-4、第四水样取样口，1-5、第五水样取样口，1-6、第六水样取样口；2、砾石层；3、黄铁矿层；4-1、阳极；4-2、阴极；5、石英砂层；6、水封环；7、导线；8、电阻；9、万用表；10、气体收集箱；11、气体取样口；12、气体平衡口。
图2.水封环置于容器上(A)，水封环的结构(B)示意图。
图3.人工湿地-微生物燃料电池系统11：00-16：00电压图。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型进行详细说明，以使本领域技术人员更好地理解本实用新型，但本实用新型并不局限于以下实施例。
实施例1
一种人工湿地-微生物燃料电池系统，包括气体收集箱10，圆柱状容器内从下往上依次填充砾石层2、黄铁矿层3和石英砂层5，水封环6设于容器外侧凸起之上；所述气体收集箱10置于水封环6之上。在黄铁矿层3的中间位置和石英砂层5的顶部设有电极，电极之间通过导线7连接，导线连接有电阻8，在电阻两侧使用万能表9检测系统运行过程中电压和电流。
其中，所述电极由2片不锈钢网包裹碳毡，并以尼龙扎带固定位置，导线与电极的连接处使用环氧树脂涂抹包裹，避免运行过程中导线的接口直接与处理水接触产生不利影响。微生物主要附着在阴极和阳极电极层。
系统运行时气体收集箱10放置在水封环6之上，注入清水以达到水封效果，可有效收集系统运行过程中气体释放；当气体检测仪伸入气体取样口11，可快速检测气体。
系统运行过程中，蠕动泵从第一水样取样口1-1进水，形成向上式潜流运行模式，在顶部电极4之上种植湿地植物美人蕉，并合理设置水力停留时间，可高效去除水中污染物并产生电。
实施例2
一种人工湿地-微生物燃料电池系统，包括气体收集箱10，圆柱状容器内从下往上依次填充砾石层2、黄铁矿层3和石英砂层5，水封环6设于容器外侧凸起之上；所述气体收集箱10置于水封环6之上。在黄铁矿层3的中间位置和石英砂层5的顶部设有电极，电极之间通过导线7连接，导线连接有电阻8，在电阻两侧使用万能表9检测系统运行过程中电压和电流。
其中，所述容器为圆柱形，直径300mm、高550mm；所述砾石层2的厚度为150mm，所述黄铁矿层3的厚度为200mm，所述石英砂层5的厚度为150mm。
所述电极由2片不锈钢网包裹碳毡，并以尼龙扎带固定位置，导线与电极的连接处使用环氧树脂涂抹包裹，避免运行过程中导线的接口直接与处理水接触产生不利影响。微生物主要附着在阴极和阳极电极层。
系统运行过程中，蠕动泵从第一水样取样口1-1进水，形成向上式潜流运行模式，在顶部电极4之上种植湿地植物美人蕉，并合理设置水力停留时间，可高效去除水中污染物并产生电。
系统运行时气体收集箱10放置在水封环6之上，注入清水以达到水封效果，该可有效收集系统运行过程中气体释放；当气体检测仪伸入气体取样口11，可快速检测气体。
实施例3
一种人工湿地-微生物燃料电池系统，包括气体收集箱10，圆柱状容器内从下往上依次填充砾石层2、黄铁矿层3和石英砂层5，水封环6设于容器外侧凸起之上；所述气体收集箱10置于水封环6之上。在黄铁矿层3的中间位置和石英砂层5的顶部设有电极，电极之间通过导线7连接，导线连接有电阻8，在电阻两侧使用万能表9检测系统运行过程中电压和电流。
其中，所述容器为圆柱形，直径300mm、高550mm；所述砾石层2的厚度为150mm，所述黄铁矿层3的厚度为200mm，所述石英砂层5的厚度为150mm。
水封环设于容器外侧凸起之上，其环状的内径与容器直径相匹配以穿过容器，外径大于内径2～4cm，沿环状底部外侧设有高2～4c的挡板，挡板和容器壁形成一定高度的环状空隙，注水后形成水封。
所述电极由2片不锈钢网包裹碳毡，并以尼龙扎带固定位置，导线与电极的连接处使用环氧树脂涂抹包裹，避免运行过程中导线的接口直接与处理水接触产生不利影响。微生物主要附着在阴极和阳极电极层。所述不锈钢网丝径0.5mm、目数6目、直径260mm，碳毡厚度5mm、直径260mm。
在容器底部外侧由下至上设有6个水样取样口，其中第一水样取样口1-1位于砾石层2外侧，第二水样取样口1-2和第三水样取样口1-3位于黄铁矿层3外侧，第四水样取样口1-4和第五水样取样口1-5位于石英砂层5外侧，第六水样取样口1-6位于阴极4-2与水封环6之间的外侧。
系统运行过程中，蠕动泵从第一水样取样口1-1进水，形成向上式潜流运行模式，在顶部电极4之上种植湿地植物美人蕉，并合理设置水力停留时间，可高效去除水中污染物并产生电。
系统运行时气体收集箱10放置在水封环6之上，注入清水以达到水封效果，该可有效收集系统运行过程中气体释放；当气体检测仪伸入气体取样口11，可快速检测气体。
处理污水时，利用蠕动泵从第一水样取样口1-1进水至阴极4-2底部，设置一定的水力停留时间；处理过程中，处理水样从第四水样取样口1-4排入水桶中，利用蠕动泵从水桶取水，沿着第六水样取样口1-6将处理水样重新泵入系统中，水样经过再次处理后又从第四水样取样口1-4排入水桶中并泵入系统中，形成阴极4-2附近的循环流模式；运行中利用万用表9进行电压测量，发现循环流流量直接影响系统电压值的数值。
循环流流速大小影响电压值大小，利用万用表9两端与电阻8相连进行电压测量，当未设置循环流测得系统电压为300mV-360mV；循环流流量为40ml/min，测得系统电压350mV-440mV；循环流流量为80ml/min，测得系统电压450mV-550mV；循环流流量为120ml/min，测得系统电压40mV-500mV；循环流流量为200ml/min，测得系统电压300mV-350mV。
据此，系统将循环流流量为80ml/min设为最佳运行流量。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种人工湿地-微生物燃料电池系统，包括气体收集箱(10)，其特征在于：圆柱状容器内从下往上依次填充砾石层(2)、黄铁矿层(3)和石英砂层(5)，在容器外侧位于第六水样取样口(1-6)之上设有一圈凸起，水封环(6)置于凸起之上；在所述黄铁矿层(3)中间位置填埋阳极(4-1)，在石英砂层(5)顶部设有阴极(4-2)；导线(7)一端连接阳极，沿着容器内壁向上伸出，另一端连接阴极，两端与电阻(8)相连，万用表(9)连接于电阻两侧；所述气体收集箱(10)底部中空，放置于水封环(6)之上，在气体收集箱(10)外侧设有气体取样口(11)，顶部设有气体平衡口(12)。
2.根据权利要求1所述的人工湿地-微生物燃料电池系统，其特征在于：所述砾石层(2)高度100～200mm。
3.根据权利要求1所述的人工湿地-微生物燃料电池系统，其特征在于：所述黄铁矿层(3)高度150～350mm。
4.根据权利要求1所述的人工湿地-微生物燃料电池系统，其特征在于：所述石英砂层(5)高度100～200mm。
5.根据权利要求1所述的人工湿地-微生物燃料电池系统，其特征在于：所述砾石层(2)高度150mm，所述黄铁矿层(3)高度200mm，所述石英砂层(5)高度150mm。
6.根据权利要求1所述的人工湿地-微生物燃料电池系统，其特征在于：所述水封环(6)的内径与容器直径相匹配以穿过容器，外径大于内径2～4cm，沿环状底部外侧设有高2～4cm的挡板，挡板和容器外侧构成环状空隙，注水后形成水封。
7.根据权利要求6所述的人工湿地-微生物燃料电池系统，其特征在于：所述水封环(6)的外径大于内径3cm，沿环状底部外侧设有高3cm的挡板。
8.根据权利要求1所述的人工湿地-微生物燃料电池系统，其特征在于：在容器底部外侧由下至上设有6个水样取样口，其中第一水样取样口(1-1)位于砾石层(2)外侧，第二水样取样口(1-2)和第三水样取样口(1-3)位于黄铁矿层(3)外侧，第四水样取样口(1-4)和第五水样取样口(1-5)位于石英砂层(5)外侧，第六水样取样口(1-6)位于阴极(4-2)与水封环(6)之间的外侧。
9.根据权利要求1所述的人工湿地-微生物燃料电池系统，其特征在于：所述阴极与阳极由碳毡包覆不锈钢网制成。
10.根据权利要求1所述的人工湿地-微生物燃料电池系统，其特征在于：所述导线(7)为铜线。
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| CN202320191832.0U CN218879614U (zh) | 2023-02-13 | 2023-02-13 | 一种人工湿地-微生物燃料电池系统 |
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|---|---|---|---|---|
| CN116534983A (zh) * | 2023-04-28 | 2023-08-04 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种高效处理农村灰水的生态耦合系统及其应用 |
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- 2023-02-13 CN CN202320191832.0U patent/CN218879614U/zh active Active
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|---|---|---|---|---|
| CN116534983A (zh) * | 2023-04-28 | 2023-08-04 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种高效处理农村灰水的生态耦合系统及其应用 |
| CN116534983B (zh) * | 2023-04-28 | 2023-12-01 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种高效处理农村灰水的生态耦合系统及其应用 |
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