[发明专利]一种微生物燃料电池人工湿地装置及污水净化方法

说明书

本发明涉及一种微生物燃料电池人工湿地装置，包括依次连接的水解酸化池、微生物燃料电池人工湿地主体和外电路，所述微生物燃料电池人工湿地主体由下而上依次包括：砾石配水层、阳极区、增氧剂层、阴极区和水生植物；微生物燃料电池人工湿地主体的一侧下部设有进水口，另一侧顶部设有出水口，进水口通过泵和管道与水解酸化池一侧下部的出水口连通，水解酸化池另一侧下部的进水口与污水进水管连通；所述外电路包括阳极、阴极以及与阳极和阴极相连的铜芯导线，铜芯导线上串接有电路开关。本发明湿地装置结构简单，操作方便，通过调控电极溶解氧环境，能够在强化人工湿地污水处理效果的同时表现出优良的产电效能。

技术领域

本发明涉及一种微生物燃料电池人工湿地装置及污水净化方法，属于污水处理技术领域。

背景技术

能源问题与环境问题是人类社会未来可持续发展面临的重要问题，随着世界经济的持续发展，能源的消费量不断增加。当今，几乎所有的工业化国家都面临着能源短缺和环境的可持续发展之间的问题，能源的开发利用与环境污染息息相关。面对能源短缺形势以及日趋严重的环境污染，在努力降低能耗的同时必须寻找可持续的替代能源。能源清洁化、高效化、多元化、全球化是未来的发展趋势。

污水中含有大量的有机物，传统污水处理是“以能消能”、“污染转嫁”的过程，实际应用中同时存在过程本身高能耗和污水中含能物质浪费的问题。人工湿地(CW)由于建造和运行费用便宜和低能耗的特点，在污水处理中正得到广泛应用。CW是利用基质中的微生物降解以及植物吸收等多重作用来达到污水处理的目的，但传统的CW中微生物降解有机物过程中的能量被释放和浪费。微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物降解有机物并将有机质中的化学能转变成电能的新型生物电化学系统，该技术能够在常温常压下，利用微生物作用，将有机物中的化学能转换为电能，其本质是收获微生物代谢有机物过程中产生的电子并产生电流。因此，将人工湿地与微生物燃料电池结合形成人工湿地-微生物燃料电池耦合系统(微生物燃料电池人工湿地)，可以在净化污水的同时实现产电，将污水中有机物降解释放的能量回收利用，同时实现了污水的无害化与能源回收利用。目前，微生物燃料电池人工湿地系统研究已逐步开展，初步结果表明，微生物燃料电池人工湿地在不影响甚至强化CW污水处理效果的同时表现出产电效能，具有良好应用前景。

中国专利申请号为201110187473.3、201410437150.9、201610020185.1的专利申请文件分别介绍几种用于污水处理的不同构型微生物燃料电池人工湿地装置，均达到了在处理污水的同时产电的目的，但污水净化效果及产电效能都一般。申请号为201610020188.5的专利申请文件公开了一种旁侧微氧微生物燃料电池人工湿地水体净化方法，利用旁路曝气充氧促进NH₄⁺转化为NO₃^-，NO₃^-在阴极作为电子受体提高产电效能，通过曝气充氧，分别提高了阴极区的溶解氧和NO₃^-作为电子受体，促进产电效能的提高，但该发明人并未考虑到阳极区的溶解氧条件，而阴极和阳极的溶解氧条件对产电效能都有较大的影响，因此该方案对产电效能的提高程度有限，并且，该方案的曝气过程是需要耗电的，因此需要额外增加电耗，而产出的电能未必能抵消掉电耗，此外，考虑到人工湿地通常建在室外，有些不具备供电条件，因此该方法的应用受到局限。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中微生物燃料电池人工湿地装置设计的不足带来的产电效能一般、污水净化效果一般的问题，提供一种微生物燃料电池人工湿地装置，结构简单、成本低，不需要额外增加电耗，能够在强化人工湿地污水处理效果的同时表现出优良的产电效能。

从微生物燃料电池人工湿地的机理上讲，阳极区严格的厌氧条件有利于电子收集并传递到阴极；而阴极良好的好氧条件可提供充足的溶解氧作为电子受体，从而促进产电效能。本发明人从这两方面同时入手，通过调控阴、阳极溶解氧条件促进产电效能。

具体方案如下：