一种基于生物电化学的家庭生态园艺系统技术方案

本实用新型专利技术公开一种基于生物电化学的家庭生态园艺系统，包括微生物沉积层、水层、电池单元、水生植物、水生动物、藻类植物，微生物沉积层设置于最底部，水层在微生物沉积层上方，电池单元为植物‑沉积型微生物燃料电池，包括相互电连接的阳极和阴极，阳极嵌入所述微生物沉积层中，阳极周围富集有所述微生物沉积层中的微生物；阴极悬浮于所述水层上方的水面；水生植物的根系位于所述微生物沉积层中的阳极附近，水生动物位于所述水层，水生动物的代谢排泄物落入所述微生物沉积层；藻类植物附着在所述阴极处，本实用新型专利技术利用底泥微生物在电化学系统中将太阳能转化为电能，结构简单，依靠自身微生态系统循环，制作和运行成本低，适合在现代家庭进行推广。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种植物—沉积型微生物燃料电池与园艺技术相结合的可产生电能的新型家庭生态园艺系统，尤其涉及一种基于生物电化学的家庭生态园艺系统，属于园艺技术和新能源领域。
技术介绍
“园艺”一词来自《论语》，是指种植蔬菜、果树或观赏植物等的生产技艺，城市家庭园艺是指在室内、阳台、屋顶及庭园等空间范围内，从事园艺植物栽培和装饰设计的活动，近年来，随着生活水准的不断提高，城市化进程的不断加快，人们的居住观念也趋于绿色环保以及融于自然，这就使得家庭园艺已经成为越来越多城市人的主要休闲方式及改善居家环境的主要策略，在这种逐渐强劲需求的驱动下，家庭园艺的发展将势不可挡，尤其在我国有着巨大的市场发展空间。但是传统的家庭园艺产品存在着产品功能性单一、趣味性不够丰富、日常维护能耗大（如大型园艺产品的照明、自动灌水、保温等）、结构单一（未能形成有机微生态循环）等缺点，因此迫切需要通过引入新型的生物技术手段对传统家庭园艺生产进行革新，以期开发出真正达到室内环境与自然和谐统一的家庭生态园艺系统。沉积型微生物燃料电池 (Sediment Microbial Fuel Cell, SMFC) 是一种基于沉积物环境体系，利用其中微生物的催化作用，将沉积物中有机物的化学能直接转变为电能的装置，因其反应器结构简单（阳极埋在沉积物中，阴极悬于好氧水体中组成），易于实际应用，所以具有很大的开发价值，但是，沉积型微生物燃料电池中存在的阳极有机物传质限制的问题导致其产电水平及持久性得不到有效提高，De Schamphelaire和Kaku等基于植物光合作用的特点，在沉积型微生物燃料电池中引入植物进行原位协同产电，其原理为：将阴极材料悬于上层富氧的水相中，阳极材料放置于缺氧沉积层中，阴极和阳极之间通过导线和负载相连接；在阳极附近的产电菌氧化分解植物光合作用合成并通过根系释放的有机物，产生的电子传递至阳极，再经过外电路到达阴极，与氧气反应生成水，从而完成整个电化学氧化还原反应；De Schamphelaire的实验证明这种植物-沉积型微生物燃料电池（Plant-SMFC）利用植物根系分泌的有机物，比不种植物的沉积型微生物燃料电池功率密度输出提高了7倍，而且它并不破坏生物质（植物）本身，避免了生物质的运输以及生态系统中营养源的缺失，是一种不会与现行的粮食生产相竞争的新型生物能源方法，并可有效的改进沉积型微生物燃料电池中存在的有机物传质问题。
技术实现思路
专利技术目的： 本专利技术目的是将植物-沉积型微生物燃料电池技术引入传统家庭园艺产品中而开发出一种新型多功能家庭生态园艺产品，即一种基于生物电化学的家庭生态园艺系统，其可在不影响原家庭园艺系统美观及环保功能的同时回收电能，并促进该微生态系统健康持久循环，成本低廉。技术方案： 本专利技术是一种基于生物电化学的家庭生态园艺系统，包括微生物沉积层、水层、电池单元、水生植物、水生动物、藻类植物，所述微生物沉积层设置于最底部，所述水层在微生物沉积层上方，所述电池单元为植物-沉积型微生物燃料电池，包括相互电连接的阳极和阴极，所述阳极嵌入所述微生物沉积层中，所述阳极周围富集有所述微生物沉积层中的微生物；所述阴极悬浮于所述水层上方的水面；所述水生植物的植物根系位于所述微生物沉积层中的阳极附近，所述水生动物位于所述水层，并且，所述水生动物的代谢排泄物落入所述微生物沉积层；所述藻类植物附着在所述阴极处。进一步，所述的水生植物是草本植物，具有自我维持能力强、根刺能力弱、须根发达、美观、耐淹的特点。进一步，所述的水生动物是观赏鱼类，提高美观性。进一步，所述的藻类植物是绿藻。进一步，所述阳极和阴极之间通过导线连接有负载，所述的负载为家用电器或家庭监测传感器。进一步，所述的阳极的材料是碳毡或活性炭纤维毡。进一步，所述的阴极的材料是碳毡、活性炭纤维毡或不锈钢网中的任一种。进一步，所述的导线的材料是钛丝、铜丝或不锈钢丝中的任一种。进一步，所述电池单元设置有多个，所述多个电池单元相互之间通过串联或并联方式连通，多个串联或并联方式连通的电池单元可以进行高效电能聚集。进一步，所述多个串联或并联方式连通的电池单元还与储能装置连通，储能装置将聚集的高效电能进行存储并转化为稳定的电能输出供给家用电器或家庭监测传感器使用。有益效果：（1）将植物-沉积型微生物燃料电池技术引入传统家庭园艺产品中，在不破坏原家庭生态园艺系统的美观及环保功能的前提下，利用绿色植物光合作用转化太阳能产生的根系分泌物供底泥微生物利用，在电化学系统中转化为电能输出，整个过程绿色环保，能量利用效率高；（2）各电池单元间可利用优化的串并联方式进行高效电能聚集，其后通过储能装置进行存储并转化为稳定的电能输出供家用小电器或小型家庭监测传感器使用，以目前已获得的植物-沉积型微生物燃料电池最大功率密度输出进行估算该新型家庭生态园艺系统至少能减少家庭用电量的40%，有很大的应用前景；（3）基于生物电化学构建微生态系统循环，阳极产电菌不仅以植物根系分泌物作为底物还可降解水生动物代谢产生的排泄物，产能的同时兼具净化水质的作用，减少了家庭园艺产品的日常维护，另外通过藻类协同阴极反应，进一步提高产电的同时可为水生动物提供饵料，降低了家庭生态园艺系统的维护费用；（4）此种能产生电能的新型家庭生态园艺系统结构简单，依靠自身微生态系统循环，不需要太多的日常维护，制作和运行成本低，且在不增加能耗的条件下极大地丰富了家庭园艺产品的功能性及趣味性，适合在现代家庭进行推广。附图说明图1为本专利技术基于生物电化学的家庭生态园艺系统的实施例示意图；图2是选取仙羽蔓绿绒构建的植物—沉积型微生物燃料电池阳极产电菌采用不同驯化方式下输出电压的比较图；图3是选取仙羽蔓绿绒构建的植物—沉积型微生物燃料电池使用不同阳极电极材料下输出电压的比较图；其中，1-阳极电极；2-阴极电极；3-负载；4-导线；5-水生植物；6-植物根系；7-水生动物的代谢排泄物；8-藻类植物。具体实施方式下面通过附图对本专利技术技术方案进行详细说明，但是本专利技术的保护范围不局限于所述实施例。实施例：图1为本专利技术一种基于生物电化学的家庭生态园艺系统应用示意图；如图1所示：本实施例是一种基于生物电化学的家庭生态园艺系统，包括水生植物5、水生动物、藻类植物8、微生物沉积层、水层、电池单元，水层在微生物沉积层上方，电池单元为植物-沉积型微生物燃料电池，包括阳极和阴极，阳极为嵌入微生物沉积层中的阳极电极1，微生物沉积层中的土著微生物在电化学系统的刺激下富集在阳极电极1上形成生物阳极；阴极为悬浮于水层上方富氧水面的阴极电极2；阳极电极1和阴极电极2之间通过导线4连接有负载3；水生植物5和植物根系6栽种于微生物沉积层中的阳极电极1附近，以利于植物根系6分泌物持续供给阳极产电菌底物；水生动物在水层活动，水生动物的代谢排泄物7落入微生物沉积层，作为水生植物5养分及阳极产电菌底物；藻类植物8附着在阴极电极2并于水层富氧水面生长，藻类植物8光合作用释放的氧气可加速阴极电极2上氧还原反应的进行，同时藻类植物8本身可作为水生动物饵料。本实施例中水生植物5是草本植物，具有自我维持能力强、根刺能力弱、须根发达、美观、耐淹等特点；水生动物是观赏鱼类，提高美观性；藻类植物8是绿藻。本实施例中负载3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于生物电化学的家庭生态园艺系统，其特征在于，包括微生物沉积层、水层、电池单元、水生植物、水生动物、藻类植物，所述微生物沉积层设置于最底部，所述水层在微生物沉积层上方，所述电池单元为植物‑沉积型微生物燃料电池，包括相互电连接的阳极和阴极，所述阳极嵌入所述微生物沉积层中，所述阳极周围富集有所述微生物沉积层中的微生物；所述阴极悬浮于所述水层上方的水面；所述水生植物的植物根系位于所述微生物沉积层中的阳极附近，所述水生动物位于所述水层，并且，所述水生动物的代谢排泄物落入所述微生物沉积层；所述藻类植物附着在所述阴极处。

【技术特征摘要】
1.一种基于生物电化学的家庭生态园艺系统，其特征在于，包括微生物沉积层、水层、电池单元、水生植物、水生动物、藻类植物，所述微生物沉积层设置于最底部，所述水层在微生物沉积层上方，所述电池单元为植物-沉积型微生物燃料电池，包括相互电连接的阳极和阴极，所述阳极嵌入所述微生物沉积层中，所述阳极周围富集有所述微生物沉积层中的微生物；所述阴极悬浮于所述水层上方的水面；所述水生植物的植物根系位于所述微生物沉积层中的阳极附近，所述水生动物位于所述水层，并且，所述水生动物的代谢排泄物落入所述微生物沉积层；所述藻类植物附着在所述阴极处。2.根据权利要求1所述的一种基于生物电化学的家庭生态园艺系统，其特征在于，所述的水生植物是草本植物。3.根据权利要求1所述的一种基于生物电化学的家庭生态园艺系统，其特征在于，所述的水生动物是观赏鱼类。4.根据权利要求1所述的一种基于生物电化学的家庭生态园艺系统，其特征在于，所述的藻类...

【专利技术属性】
技术研发人员：王储，朱旭君，顾冬荣，
申请(专利权)人：南京青藤农业科技有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏;32