[发明专利]锰矿石人工湿地耦合微生物燃料电池系统及应用

说明书

本发明公开了一种锰矿石人工湿地耦合微生物燃料电池系统及应用，系统包括具有厌氧区和好氧区的本体，所述厌氧区为内置阳极电极的第一锰矿石层，所述好氧区包括第二锰矿石层及湿地植物，第二锰矿石层上设有阴极电极，阳极电极和阴极电极电路连接。本发明将人工湿地特有的氧化还原梯度与微生物燃料电池相契合，同时引入甲烷厌氧氧化和异化金属还原的过程，构建高价锰耦合微生物燃料电池型人工湿地，实现强化人工湿地污水处理效能并减少甲烷排放的目的。

技术领域

本发明涉及水污染控制与水处理技术领域，具体涉及一种锰矿石人工湿地耦合微生物燃料电池系统及应用。

背景技术

人工湿地(constructed wetland,CW)是一种利用自然过程，包括湿地植物、土壤或基质、微生物的代谢活性来净化污水的工程技术，其维护和运行成本低，污染物去除效果高，目前已得到了广泛认可与应用。但人工湿地存在对一些难降解有机物处理效率不高，污染物净化速率较慢、水力停留时间较长，占地面积大的问题。

随着全球气候变化问题的不断研究，甲烷作为主要温室气体之一，摩尔温室效应是CO₂的二十多倍，也逐渐引起了研究者们的重视。湿地系统介于水生生态系统和陆生生态系统之间，具有充分的水分、光照、养分和适宜的厌氧环境，是重要的甲烷气体排放源，有研究表明，人工湿地甲烷释放量是自然湿地的2～10倍，因此人工湿地在实际应用时还需要考虑其甲烷排放所带来的环境影响。

甲烷厌氧氧化(anaerobic oxidation of methane,AOM)过程是地球上减少甲烷排放的重要途径之一，甲烷在厌氧环境中由产甲烷菌产生以后，在经由土壤和水层等介质扩散到大气的过程中，被甲烷厌氧氧化菌氧化。有研究表明该过程至少减少了甲烷排放量的10％～60％。在厌氧环境中，异化金属还原菌会与产甲烷菌等竞争有机质，对甲烷的生成有不利影响。

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)是一种将微生物作为催化剂氧化有机和无机物质，同时产电的新型能源及废水净化技术。与传统的废水处理工艺相比，MFC具有无二次污染问题、无须曝气设施等优势。微生物在厌氧的阳极区催化污水中有机质分解，产生质子和电子，质子通过传输作用到达阴极，电子通过外电路到达阴极，二者再与外部电子受体相结合，实现污水高效处理和能源回收利用。目前尚未有将人工湿地与微生物燃料电池耦合强化人工湿地污水处理效能并减少甲烷排放的目的研究。

发明内容

发明目的：为降低人工湿地甲烷排放所带来的环境风险，本发明提供了一种锰矿石人工湿地耦合微生物燃料电池系统，将人工湿地特有的氧化还原梯度与微生物燃料电池相契合，同时引入甲烷厌氧氧化和异化金属还原的过程，构建高价锰耦合微生物燃料电池型人工湿地，实现强化人工湿地污水处理效能并减少甲烷排放的目的。

技术方案：

一种锰矿石人工湿地耦合微生物燃料电池系统，包括具有厌氧区和好氧区的本体，所述厌氧区为内置阳极电极的第一锰矿石层，所述好氧区包括第二锰矿石层及湿地植物，第二锰矿石层上设有阴极电极，阳极电极和阴极电极电路连接。

发明原理：锰矿石中含有高价锰，自然界中，常见的锰氧化物分子中的Mn(Ⅳ)和Mn(Ⅲ)具有非常强的氧化能力。在厌氧条件下，甲烷厌氧氧化(AOM)过程可利用甲烷作为电子供体，Mn(Ⅳ)作为电子受体，将甲烷氧化为二氧化碳。此外，异化金属还原菌能够从Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅳ)还原中获取能量维持自身生长，同时降解环境中的有机化合物。在厌氧环境中，异化金属还原菌会与产甲烷菌等竞争有机质，对甲烷的生成有不利影响。同时，在微生物燃料电池系统中，也存在着异化金属还原菌等产电菌与产甲烷菌竞争有机质的过程，这个过程在一定程度上抑制了甲烷的产生。

所述第一锰矿石层和第二锰矿石层之间为过渡层。过渡层供湿地植物扎根生长，同时，基质中金属离子以及上升水流带有的锰离子可在一定程度上维持过渡层较高的氧化还原电位值，并在植物根系形成铁、锰胶膜，对污染物去除和甲烷减排均有一定有益效果。