[发明专利]一种模块化微生物燃料电池型人工湿地系统

说明书

本发明公开一种模块化微生物燃料电池型人工湿地系统，涉及水污染控制与水处理技术领域，包括顺次连接的进水渠、湿地处理区和出水渠，湿地处理区包括并联设置的若干处理单元，处理单元的进水口连接进水渠，处理单元的出水口连接出水渠，每个处理单元包括若干串联连接的微生物燃料电池，微生物燃料电池的两端分别设置有进水口和出水口，并在进水口侧和出水口侧分别设置有极性相反的电极引出端，相邻微生物燃料电池的进水口和出水口可拆卸连接，且相邻微生物燃料电池的极性相反的电极引出端可拆卸连接。本发明能够利用微生物燃料电池增强湿地系统的有机物降解能力和降解速率，能够在解决堵塞问题的基础上保证微生物燃料电池的电能输出。

技术领域

本发明涉及水污染控制与水处理技术领域，特别是涉及一种模块化微生物燃料电池型人工湿地系统。

背景技术

人工湿地是由湿地植物、填料和微生物群落通过物理、化学和生物的协同作用来去除水中污染物。人工湿地作为一种低成本、低能耗的生态污水处理技术，在污(废)水处理及微污染水体生态修复应用中有着显著的优势，尤其是在近年的海绵城市建设、黑臭水体治理及农村污水处理中得到迅速发展和认可肯定。但是，人工湿地也存在着有机负荷较低、占地面积大、长时间运行易发生堵塞等问题，这些都成为制约人工湿地技术发展的因素。

在人工湿地长期运行过程中会出现堵塞、短流、基质吸附饱和等现象，使得湿地处理能力下降，面对上述问题，传统解决办法是对湿地进行反冲洗，或者更换填料、植物，但存在操作复杂并且成本高、事后湿地系统恢复期较长、稳定性差等问题。目前研究较多的解决办法还有湿地模块化，通过模块化的可拆卸、局部分离来实现局部更换/冲洗，从而简化操作、降低成本、减小系统稳定性损害。例如，申请公布号为CN105858900A的中国专利公开了一种模块化格栅式组合人工湿地系统，包括依次连接的进水分布区、湿地系统处理区和出水收集区，湿地系统处理区包括多个由格栅式湿地槽串联组合而成的处理单元，每个处理单元均与进水分布区上的一个出水口对应连接，处理单元的出水口则与出水收集区汇总连接，进水分布区的出水面和出水收集区的进水面均设置有穿孔布水隔板。该方案可以在人工湿地局部发生堵塞时进行局部的更换或调整，减少对湿地系统的整体影响，但这也仅能较好解决堵塞问题，却无法有效提高湿地的处理能力、减小占地。

在人工湿地中引入微生物燃料电池技术，构建合理的电池极室，利用湿地中的微生物群落形成电极-微生物电极效应、植物-微生物根际效应、基质-微生物生物膜效应等多种效应。通过产电微生物促进对污染物的降解从而增强人工湿地的去除能力，同时将污染物的有机质能量转化成电能收集起来。例如，申请公布号为CN113540542A的中国专利公开了一种人工湿地微生物电池，包括下流反应器、阳极和空气阴极；下流反应器的内部设置有玻璃纤维棉分隔层，玻璃纤维棉分隔层将下流反应器的内腔分为上腔和下腔两部分；上腔和下腔内均填充有砾石与厌氧污泥；阳极和空气阴极分别设置于下流反应器的底部和顶部；阳极包括第一不锈钢网和第一石墨毡，第一石墨毡设置在第一不锈钢网的外部；空气阴极包括第二不锈钢网和第二石墨毡，第二不锈钢网包裹在第二石墨毡的外部。该方案的目的在于无需种植植物，且设置其支撑作用的砾石，减少污泥堵塞，但实际运行时仍旧会存在堵塞，并仍会存在输出电压和功率低的缺陷。同时堵塞会增大基质内阻，影响电子/质子的传递效率，也会影响产电菌的电能输出，不利于电子/质子的传输，增大了电池的内电阻，影响发电效能。

目前，上述人工湿地与微生物燃料电池耦合技术的研究多限于微弱电压如何提高和有效输出利用，而对其堵塞问题却无能为力。

发明内容

本发明的目的是提供一种模块化微生物燃料电池型人工湿地系统，以解决上述现有技术存在的问题，通过微生物燃料电池串联组成处理单元，若干处理单元并联组成湿地处理区，能够利用微生物燃料电池增强湿地系统的有机物降解能力和降解速率，同时，能够更换堵塞位置的微生物燃料电池以在解决堵塞问题的基础上保证微生物燃料电池的电能输出。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：