一种采用空气捕获阴极复氧的微生物电化学人工湿地系统技术方案

一种采用空气捕获阴极复氧的微生物电化学人工湿地系统，涉及一种人工湿地系统。为了解决微生物电化学人工湿地复氧效率低、主动曝气能耗高以及只能依靠顶部铺设阴极的构建局限的问题。本发明专利技术包括数个阴极、数个阳极，阴极由疏水修饰的阴极层和阴极集流体组成，阳极由非疏水修饰的阳极层和阳极集流体组成。本发明专利技术利用疏水界面构建出了一种能够空气捕获复氧生物阴极的微生物电化学人工湿地系统，在实现较高的空气利用效率，节约复氧能耗的同时，还能给解除现有微生物电化学人工湿地仅能依靠顶部铺设阴极的限制，扩展了该技术的应用范围并强化了污染物去除效果。并强化了污染物去除效果。并强化了污染物去除效果。

【技术实现步骤摘要】
一种采用空气捕获阴极复氧的微生物电化学人工湿地系统


[0001]本专利技术涉及一种人工湿地系统。

技术介绍

[0002]微生物电化学系统可利用微生物作为催化剂，将有机物中的化学能转化为电能。因其具有高效降解有机污染物、产生清洁能源(电能)、污泥产量低等诸多优点，在环境、能源及废水处理领域受到了广泛的关注。然而，在微生物电化学系统面向实际废水处理应用的过程中，仍有诸多问题亟待解决。其中阴极氧还原反应速率低及阴极金属催化剂价格昂贵是限制微生物电化学系统实际应用的主要瓶颈之一。
[0003]生物阴极的出现使微生物电化学系统应用成为可能，其以微生物作为阴极氧还原反应的催化剂，因具有价格低廉、可放大性及可持续性等优点而在实际废水处理和受污水体治理中受到广泛关注。另外，在生物阴极体系中，阴极微生物还可以以重金属、硝酸盐及硫酸盐等为最终电子受体，从而起到去除污染物的效果。其中氧气因具有较高的氧化还原电位、来源广泛等优点而成为生物阴极常用电子受体之一。但是由于氧气在水中溶解率低，大多数生物阴极系统采用曝气的方式为阴极氧还原反应提供氧气。但曝气过程产生大量的能量消耗，有悖于微生物电化学系统原位利用有机物氧化所释放能量的初衷。目前一些节省曝气耗能的方法有喷溅式复氧、被动扩散复氧等方式，但受限于氧气在水中较低的溶解度和扩散系数，这些复氧方式存在需要大型喷水设备、依赖于“水—空气界面”等缺点。因此，改变复氧方式、降低复氧能耗、提高氧气利用效率是实现生物阴极应用于实际废水处理的关键因素之一。
[0004]微生物电化学人工湿地是近年来出现的一种污水或者受污水体净化的系统。由于依赖化学催化剂的空气阴极往往非常容易出现催化性能的衰减，同时制备成本昂贵。为实现工程化的应用，生物阴极往往是微生物电化学人工湿地的首选。常见的微生物电化学人工湿地构造如图1和图2所示，图1为现有的利用植物根系泌氧获得氧气的微生物电化学人工湿地的结构示意图；图2为现有的利用大气向水体扩散获得氧气的微生物电化学人工湿地的结构示意图；图1和图2中：1
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植物，2
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水面，3
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阴极，4
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填料层，5
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电阻；6
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阳极。但是，目前微生物电化学人工湿地的生物阴极大多依靠其位于湿地系统顶部的特征从空气向水体的扩散中获得氧气作为电子受体，或者在有植物的系统中利用植物根系的复氧获得少量的氧气。这一复氧过程十分的缓慢。于此同时，由于一个人工湿地构筑物只有一个顶部表面能够种植植物或直接接触空气，导致只能利用表层铺设少量的生物阴极，从而限制了微生物电化学作用对该人工湿地系统的污染物去除作用。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对微生物电化学人工湿地复氧效率低、主动曝气能耗高以及只能依靠顶部铺设阴极的构建局限，提出一种采用空气捕获阴极复氧的微生物电化学人工湿地系统。
[0006]本专利技术采用空气捕获阴极复氧的微生物电化学人工湿地系统由器壁1、数个阴极、
数个阳极和外电路8构成；器壁1的底部设置有进水管10和出水管11，阴极和阳极设置在器壁1内，阴极由疏水修饰的阴极层3和阴极集流体4组成，阴极集流体4设置在疏水修饰的阴极层3内部，疏水修饰的阴极层3由导电填料和导电填料表面的疏水修饰层组成；阳极由非疏水修饰的阳极层5和阳极集流体6组成，阳极集流体6设置在非疏水修饰的阳极层5内部，非疏水修饰的阳极层5由导电填料组成；器壁1中的阴极和阳极间隔设置，且阴极和阳极之间设置有填料层2；相邻的阴极集流体4和阳极集流体6之间通过导线连接设置在器壁1外部的外电路8，出水管11周期性排水时，疏水修饰的阴极层3接触空气并捕获空气泡获得氧气作为电子受体。
[0007]进一步的，导电填料是阴极进行疏水表面修饰和附着微生物的基体，也是阴极微生物完成阴极氧还原过程的场所；疏水修饰的阴极层3和非疏水修饰的阳极层5中的导电填料应选取具有良好的导电性和良好的生物相容性，能够附生大量微生物的材料制备，如导电填料为刚性碳基材料；刚性碳基材料为碳板、碳纸、碳布、碳毡、碳刷、石墨棒、石墨板、石墨毡等，或导电填料为经过一定表面修饰强化微生物附着性的碳基材料，如金属氧化物修饰；导电填料也可以为一定塑形的无定型碳材料，例如导电聚合物粘合的活性炭材料或金属丝笼束缚的活性炭颗粒；导电填料也可以采用为各类金属或合金等构建。导电填料还可以具有生物相容性良好的表面修饰层；如使用负载氧化还原石墨烯的泡沫金属；
[0008]进一步的，所述阴极由疏水修饰的阴极层3表面还可以具有催化剂，从而作为微生物催化的补充增强其氧气还原的速率，如使用铂炭催化剂、二氧化锰等氧还原催化剂。
[0009]进一步的，所述疏水修饰层为聚四氟乙烯、硅氧烷等喷涂的疏水涂料，疏水涂层可以覆盖阴极导电填料的全部或者部分表面。
[0010]进一步的，所述阴极集流体4或阳极集流体6应采用具有良好的电子传导能力的材料。可选择导电性能良好的金属、金属基材料、或碳基材料组成，如不锈钢、钛、镍等金属及其合金制备，阴极集流体4或阳极集流体6还应该具有耐腐蚀的特征，从而延长在受污水环境中的使用寿命。
[0011]进一步的，所述填料层2为砾石、鹅卵石、沙、火山石、陶粒、沸石、生物炭、活性炭；所述填料层2为透水土工布、工业滤布、多孔塑料板等。
[0012]进一步的，所述外电路8由导线和电阻组成，或由导线和储能装置组成。外电路可以联通阴阳极所形成的原电池组释放的电能，并可对其进行反馈调节。
[0013]进一步的，器壁1上部设置有湿地植物9。所述湿地植物9包括湿生鸢尾类及石菖蒲、海芋、芋类、水八角、水虎尾、芦竹、荻类、稻、野生稻、睡菜、苔草类、慈姑、莎草类、毛莨类等。见图4。
[0014]进一步的，器壁1下部设置有曝气管7，曝气管7曝气时疏水修饰的阴极层3捕获空气泡获得氧气作为电子受体。见图5。
[0015]进一步的，器壁1下部设置有曝气管7，器壁1上部设置有湿地植物9。见图6。
[0016]本专利技术原理及有益效果为：
[0017]1、本专利技术通过对阴极导电填料进行疏水修饰，强化了阴极中导电填料对空气的截留能力。当间歇曝气或者人工湿地内的水排空时，阴极所用的疏水导电材料将捕获曝气过程中穿过阴极区域的空气泡，或者捕获阴极暴露于空气中后的空气泡。阴极中导电填料所截留空气泡作为氧气的缓释源可以持续供给生物阴极对电子受体的需求，从而也增强了氧
气的利用效率。
[0018]2、阳极所用的导电填料仍然是亲水的，不易捕获空气泡。当间歇曝气停止或者人工湿地内的水充满时，阳极区域的空气很快被水挤压排空，此时，受污染水中的有机污染物会使生物阳极区域氧化还原电位保持较低水平，而阴极区域中导电填料疏水修饰的阴极层3则能够捕获空气泡使阴极处于较高的氧化还原电位，从而在阴阳极之间形成电位差，促进电流的形成。
[0019]3、与利用湿地系统的上层表面依靠“水—空气界面”被动复氧或种植植物依靠植物根系复氧的常见复氧方式不同，本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用空气捕获阴极复氧的微生物电化学人工湿地系统，其特征在于：采用空气捕获阴极复氧的微生物电化学人工湿地系统由器壁(1)、数个阴极、数个阳极和外电路(8)构成；器壁(1)的底部设置有进水管(10)和出水管(11)，阴极和阳极设置在器壁(1)内，阴极由疏水修饰的阴极层(3)和阴极集流体(4)组成，阴极集流体(4)设置在疏水修饰的阴极层(3)内部，疏水修饰的阴极层(3)由导电填料和导电填料表面的疏水修饰层组成；阳极由非疏水修饰的阳极层(5)和阳极集流体(6)组成，阳极集流体(6)设置在非疏水修饰的阳极层(5)内部，非疏水修饰的阳极层(5)由导电填料组成；器壁(1)中的阴极和阳极间隔设置，且阴极和阳极之间设置有填料层(2)；相邻的阴极集流体(4)和阳极集流体(6)之间通过导线连接设置在器壁(1)外部的外电路(8)；出水管(11)周期性排水时，疏水修饰的阴极层(3)接触空气并捕获空气泡获得氧气作为电子受体。2.根据权利要求1所述的采用空气捕获阴极复氧的微生物电化学人工湿地系统，其特征在于：疏水修饰的阴极层(3)和非疏水修饰的阳极层(5)中的导电填料为刚性碳基材料、经过表面修饰强化微生物附着性的碳基材料、塑形的无定型碳材料、金属或合金。3.根据权利要求1所述的采用空气捕获阴极复氧的微生物电化学人工湿地系统，其特征在于：疏水修饰的阴极层(3)和非疏水修饰的阳极层(5)中的导电填料表面附...

【专利技术属性】
技术研发人员：何伟华，朱婉冰，冯玉杰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：