多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统、运行方法及应用技术方案

本发明专利技术公开了一种多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统，包括系统主体，系统主体的内部下端设置有玻璃珠基底层，玻璃珠基底层的上方依次交替设置有阳极层、砾石阻隔层，砾石阻隔层位于阳极层的上方，阳极层、砾石阻隔层至少2次交替设置，砾石阻隔层的上方设置有阴极层，阴极层、砾石阻隔层、阳极层均位于系统主体的内部，阴极层与各个阳极层分别通过外电路装置构成闭合回路，系统主体底端开设有第一阀门，第一阀门经由第一管道连通有配水池，第一管道上设置有蠕动泵。本发明专利技术能够提高废水净化能力及产电性能，同时提供其简单便捷的运行方法，并应用在生活污水、工业废水的处理中或对富营养化湖泊与河流生态系统的修复工程中。

【技术实现步骤摘要】
多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统、运行方法及应用
本专利技术属于污水处理
，尤其涉及一种多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统、运行方法及应用。
技术介绍
微生物燃料电池人工湿地是由人工湿地和微生物燃料电池两项技术耦合而成的一项新兴技术，可同时实现废水处理和电力输出。它主要由湿地植物、阳极、阴极、隔板、外部电路以及电活性微生物组成，通过生物氧化还原反应形成一个完整的生物电化学系统，目前该项技术正处于开发和实施的初级阶段，但因其能够同时实现废水处理和能源回收而在水处理领域具有可观的应用前景。典型微生物燃料电池人工湿地系统由两个区域组成，即阳极区和阴极区。在阳极区域，微生物倾向于在电极表面生长、增殖，有机物作为燃料被微生物厌氧分解产生电子和质子，这些电子通过外部电路连接，流向高氧化还原电位的阴极，而质子在内部通过流动扩散到达阴极。在阴极区域，质子与电子受体（氧气或硝酸盐氮）反应生成水或氮气。然而，以上单阳极型微生物燃料电池人工湿地在电子富集、转移效率等产电性能方面有待进一步提高，为了达到更高的功率输出和污染物去除效率，在此结构基础上进行创新改造是至关重要的。相比较于单阳极型微生物燃料电池人工湿地，本专利技术的多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统在污染物去除效率和功率输出上有着显著的提升。本专利技术采用多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统，通过设置多个阳极来最大限度地收集在厌氧区域产生的电子，不仅增加了阴、阳两级的氧化还原梯度，而且为微生物提供了相对严格的厌氧环境从而转化污染物。基于此，多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统可以显著提高总电压输出的同时，还可以增加废水的净化效率。在微生物燃料电池人工湿地系统中，多阳极型比总体积相同的单阳极型能够回收更多的能量，并且微生物燃料电池引入的电活性微生物可通过生物电化学反应进一步提高废水的处理效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能够同时提高废水净化能力和产电性能的多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统，同时提供其简单便捷的运行方法，并应用在在生活污水、工业废水的处理中或对富营养化湖泊与河流生态系统的修复工程中。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统，包括系统主体，系统主体的内部下端设置有玻璃珠基底层，玻璃珠基底层的上方依次交替设置有阳极层、砾石阻隔层，砾石阻隔层位于阳极层的上方，阳极层、砾石阻隔层至少2次交替设置，砾石阻隔层的上方设置有阴极层，阴极层、砾石阻隔层、阳极层均位于系统主体的内部，阴极层与各个阳极层分别通过外电路装置构成闭合回路，系统主体底端开设有第一阀门，第一阀门经由第一管道连通有配水池，第一管道上设置有蠕动泵。系统主体顶端开设有第二阀门，所述砾石阻隔层上端设置有曝气石，曝气石经由第二管道连通电磁式空气泵，第二管道上设置有转子流量计，系统主体上方种植有湿地植物。进一步地，所述阳极层的导电材料为石油焦、焦炭或黄铁矿，阴极层的导电材料为石油焦或焦炭。进一步地，所述阳极层、砾石阻隔层交替设置2-4次。进一步地，所述外电路装置包括铜芯导线、定值电阻及电化学工作站，通过铜芯导线和定值电阻连通阴极层和各个阳极层，电化学工作站并联在定值电阻两端。进一步地，所述铜芯导线通过密封胶与长方形不锈钢网连接，埋入阴极层内与各阳极层内。进一步地，所述系统主体为顶端开口、底端封闭的圆柱体，系统主体的材料为丙烯酸玻璃，系统主体外包裹有黑色塑料布。进一步地，所述系统主体的高度为600-650mm、直径为180-220mm。进一步地，所述玻璃珠基底层层高为20-40mm，玻璃珠粒径为10-30mm；阳极层层高为40-50mm，阳极层导电材料粒径为8-16mm；砾石阻隔层层高为120-140mm，砾石粒径为8-16mm；阴极层层高为40-50mm，阴极层导电材料粒径为8-16mm。一种基于权利要求1-8任一项所述的多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统的运行方法，包括以下步骤：（1）系统启动：将活性污泥与合成废水按照比例1:400混合，注入系统主体，采用系统主体上进下出的连续运行模式，系统启动时间为1-2个月，水力停留时间为5天；（2）系统稳定运行：运行期间，将第一管道连接配水池、蠕动泵和第一阀门，再将第二管道连接电磁式空气泵、转子流量计和曝气石，采用系统主体下进上出的连续流动方式，水力停留时间为3天。一种基于权利要求1-8任一项所述的多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统的应用，所述多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统应用在生活污水、工业废水的处理或对富营养化湖泊与河流生态系统的修复工程中。本专利技术具有的优点是：（1）本专利技术提供的多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统，系统主体的内部自下而上依次分层设置有玻璃珠基底层、阳极层、砾石阻隔层、阴极层，其中阳极层与砾石阻隔层交替设置。玻璃珠基底层的特征在于粒径（10-30mm），较大的孔隙率有效地防止了进水处的堵塞，机械强度足以支撑整个系统，有利于系统主体稳定性的提升。系统主体采用黑色塑料布遮光措施，防止藻类过度生长，并有助于电活性微生物繁殖。由于微生物燃料电池人工湿地系统的核心是微生物代谢过程中氧化还原梯度对底物消化的影响，因此，与单阳极型微生物燃料电池人工湿地系统相比，本专利技术采用多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统，通过设置多个阳极来最大限度地收集在厌氧区域产生的电子，不仅增加了阴、阳两级的氧化还原梯度，而且为微生物提供了相对严格的厌氧环境从而转化污染物。基于此，多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统可以显著提高总电压输出的同时，还可以增加废水的净化效率。在微生物燃料电池人工湿地系统中，多阳极型比总体积相同的单阳极型能够回收更多的能量，并且微生物燃料电池引入的电活性微生物可通过生物电化学反应进一步提高废水的处理效率。（2）本专利技术提供的多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统，电极采用导电材料石油焦、焦炭或黄铁矿等。微生物燃料电池人工湿地系统的废水处理、生物电产生和功能稳定性取决于电极材料或导电基质及比表面积；同时，微生物的电子转移取决于电极材料的生物相容性。石油焦和焦炭属于碳基材料，这类材料的优点在于比表面积大、具有良好的生物相容性和导电性，并且作为电极材料，使用成本较低；黄铁矿属于金属材料，一方面具有良好的导电性，另一方面可在阴极区域促进地杆菌属和硫酸盐还原菌的富集，从而提高废水中硝酸盐和磷的去除率。其于此，采用性能更加优越的电极材料，对多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统污染物的处理和产电性能有显著的提升。（3）本专利技术提供的多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统运行方法，启动和运行期间均采用连续流动的方式，本系统操作简便、实用性强，可以应用生活污水、工业废水的处理或对富营养化湖泊与河流生态系统的修复工程中。附图说明图1为本专利技术多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统的结构示意图。图中，1、配水池；2、第一管道；3、蠕动泵；4、第一阀门；5、玻璃珠基底层；6、第一阳极层；7、第一砾石阻隔层；8、第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统，包括系统主体，系统主体的内部下端设置有玻璃珠基底层，玻璃珠基底层的上方依次交替设置有阳极层、砾石阻隔层，砾石阻隔层位于阳极层的上方，阳极层、砾石阻隔层至少2次交替设置，砾石阻隔层的上方设置有阴极层，阴极层、砾石阻隔层、阳极层均位于系统主体的内部，阴极层与各个阳极层分别通过外电路装置构成闭合回路，系统主体底端开设有第一阀门，第一阀门经由第一管道连通有配水池，第一管道上设置有蠕动泵，系统主体上端开设有第二阀门，所述砾石阻隔层上端设置有曝气石，曝气石经由第二管道连通电磁式空气泵，第二管道上设置有转子流量计，系统主体上方种植有湿地植物。/n

【技术特征摘要】
1.一种多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统，包括系统主体，系统主体的内部下端设置有玻璃珠基底层，玻璃珠基底层的上方依次交替设置有阳极层、砾石阻隔层，砾石阻隔层位于阳极层的上方，阳极层、砾石阻隔层至少2次交替设置，砾石阻隔层的上方设置有阴极层，阴极层、砾石阻隔层、阳极层均位于系统主体的内部，阴极层与各个阳极层分别通过外电路装置构成闭合回路，系统主体底端开设有第一阀门，第一阀门经由第一管道连通有配水池，第一管道上设置有蠕动泵，系统主体上端开设有第二阀门，所述砾石阻隔层上端设置有曝气石，曝气石经由第二管道连通电磁式空气泵，第二管道上设置有转子流量计，系统主体上方种植有湿地植物。


2.根据权利要求1所述的多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统，其特征在于，所述阳极层的导电材料为石油焦、焦炭或黄铁矿，阴极层的导电材料为石油焦或焦炭。


3.根据权利要求1所述的多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统，其特征在于，所述阳极层、砾石阻隔层交替设置2-4次。


4.根据权利要求1所述的多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统，其特征在于，所述外电路装置包括铜芯导线、定值电阻及电化学工作站，通过铜芯导线和定值电阻连通阴极层和各个阳极层，电化学工作站并联在定值电阻两端。


5.根据权利要求4所述的多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统，其特征在于，所述铜芯导线通过密封胶与长方形不锈钢网连接，埋入阴极层内与各阳极层内。


6.根据权利要求1所述的多阳极型微生物燃料电...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜京京，牛玉龙，渠文瑞，屈明祥，曹霞，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：河南;41