[发明专利]焦炭电极微生物燃料电池人工湿地系统、运行方法及应用

说明书

本发明公开了一种焦炭电极微生物燃料电池人工湿地系统，包括配水池，配水池通过第一管道连接系统主体底端的第一阀门，第一管道上安装有蠕动泵，所述系统主体上端开设有第二阀门，系统主体的内部自下而上依次分层设置有砾石基底层、焦炭阳极层、砾石阻隔层和焦炭阴极层，焦炭阳极层和焦炭阴极层通过外电路装置构成闭合回路，砾石阻隔层上端安装有第二管道，第二管道连通电磁式空气泵，第二管道上安装有转子流量计，系统主体上方栽种有湿地植物。本发明选用焦炭颗粒作为电极材料，与生物电化学系统相结合，污染物的去除效果明显，价格低廉，性能优越，适用于大规模应用。同时提供其运行方法，启动期间间歇流动，运行期间连续流动，实用便捷、操作简单。

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，尤其涉及一种焦炭电极微生物燃料电池人工湿地系统、运行方法及应用。

背景技术

在天然湿地的基础上，人工湿地（Constructed Wetland，CW）这一概念在20世纪70年代被首次提出，随后发展成为基于生态工程技术原理的污水处理技术。微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一种利用电活性微生物实现将有机物降解，同时产生电能的装置。微生物燃料电池人工湿地（MFC-CW）是利用人工湿地中天然存在的氧化还原梯度，其中添加导电填料作为电极，外部串联定值电阻构建闭合回路，耦合为一项基于生物电化学技术的新型污水处理技术。该系统既充分发挥了CW技术成本低、能耗小、易操作和运行维护等优点，又可以将废水中有机物所蕴含的化学能转化为电能，实现除污和产电双效能，其大规模的应用可有效缓解当今社会淡水资源及能源短缺的现状。

一个典型的MFC-CW系统由湿地植物、导电填料和微生物三部分组成。湿地植物通常选用芦苇、美人蕉等挺水植物，这些植物对于污染物的耐受性较强，能够吸收污水中无机磷、氮等营养盐物质用作自身生长发育，同时根际效应所分泌的氧气和分泌物有助于增加阴极微生物群落丰富度，提升污染物去除效率及产电效能。导电填料一般为碳纤维毡、石墨毡等具有良好的导电性、电化学稳定性及生物相容性的材料，用于吸附污水中无机离子、支撑植物生长及提供功能微生物的附着场所。电活性微生物作为微生物群落中特殊的一类，能够在厌氧阳极区域将有机物降解并产生电子，电子随着外电路转移至阴极，在好氧阴极区域有效的完成铵盐、亚硝酸盐的氧化，并利用外部电路传递过来的电子完成硝酸盐的还原，用于氮素的去除。

正是由于MFC-CW是一项具备净化废水和产电两个特性的新兴技术，所以该技术目前存在一些技术不足。例如：由于生物膜形成较为缓慢，导致整个系统的启动时间较长；碳纤维毡、石墨毡比表面积和孔隙度较小，不但不利于无机离子的吸收（尤其是磷酸盐）和电活性微生物的附着，还容易造成系统的阻塞；自然状态下阴极溶解氧水平较低，导致氨氮氧化程度较弱、整体产电性能较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种安全高效、易于获得的焦炭电极微生物燃料电池人工湿地系统，并提供其实用便捷、操作简单的运行方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种焦炭电极微生物燃料电池人工湿地系统，包括配水池，配水池通过第一管道连接系统主体底端的第一阀门，第一管道上安装有蠕动泵，所述系统主体上端开设有第二阀门，系统主体的内部自下而上依次分层设置有砾石基底层、焦炭阳极层、砾石阻隔层和焦炭阴极层，焦炭阳极层和焦炭阴极层通过外电路装置构成闭合回路，所述砾石阻隔层上端安装有第二管道，第二管道连通电磁式空气泵，第二管道上安装有转子流量计，系统主体上方栽种有湿地植物。

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焦炭阴极层和焦炭阳极层，电化学工作站并联在定值电阻两端。

进一步地，所述砾石阻隔层上端设置有曝气石，曝气石与第二管道连通。

进一步地，所述系统主体为顶端开口、底端封闭的圆柱体，系统主体的材料为有机玻璃，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400 mm、直径为200 mm。