[发明专利]一种微生物燃料电池耦合人工湿地的污水脱氮系统及方法

说明书

本发明涉及一种微生物燃料电池耦合人工湿地污水脱氮系统及方法，包括并排竖向布置的上行流单元和下行流单元，上行流单元包括由下至上依次布置的进水口、布水区、填料层、上行流阳极和上行流阴极，下行流单元包括由上至下依次布置的配水区、下行流阴极、填料层、下行流阳极、集水区和出水口，上行流单元和下行流单元的顶部之间通过连通管相连，上行流阴极和下行流阴极中均种植有湿生挺水植物，两个阳极之间通过金属钛丝相连，并分别与上行流阴极和下行流阴极以及外接的电阻形成两条回路。本发明促进人工湿地与微生物燃料电池两项技术的深度耦合，同步实现有机物去除、脱氮与生物产电，有望同时解决环境污染和能源危机双重问题。

技术领域

本发明涉及环境工程领域，特别是涉及一种微生物燃料电池耦合人工湿地的污水脱氮系统及方法。

背景技术

微生物燃料电池(MFC)是一种利用产电微生物将有机物的化学能转化为电能的新兴技术。MFC首先通过微生物在低电势的阳极催化有机物分解，产生电子和质子，然后，电子通过外电路到达高电势阴极并与电子受体(O₂、NO₂^-和NO₃^-等)和来自阳极的质子相结合，实现污染物降解并产生电能。随着MFC研究的扩展，出现了与膜生物反应器(MBR)、膜曝气生物反应器(MABR)、厌氧-缺氧-好氧工艺(A2/O)及人工湿地(CW)等组成的耦合系统。

其中，CW由基质、植物与微生物三大要素组成，可通过物理、化学和生物三重协同作用净化污水，具有建造及运行费用低、维护简单、景观良好等优点，已被广泛应用于市政及工农业废水的处理。不过，为保障净化效果，CW水力停留一般较长，需要占用较大面积土地；为提高脱氮效率，解决反硝化阶段碳源不足问题，需要额外投加有机物碳源。受制于上述问题，目前CW的大规模推广应用遇到了瓶颈。由于CW可形成下部缺氧、上部好氧的状态，能为MFC提供所需的氧化还原梯度，而MFC有助于CW突破瓶颈，人工湿地-微生物燃料电池耦合系统(CW-MFC)已受到国内外广泛关注，具有极大的研究价值和应用潜力。

对于CW-MFC，如能充分发挥湿地植物根际效应、促进产电细菌与污染物降解细菌的富集与配合，并强化MFC两极与CW三要素间的协同作用，将有利于CW与MFC两项技术的深度耦合，同步实现有机物去除、脱氮与生物产电，有望同时解决环境污染和能源危机双重问题。

如专利公开号为CN105540860A的名称为一种微生物燃料电池人工湿地产电原位利用水体净化方法的发明专利公开了一种垂直流CW-MFC装置，选用导电颗粒作为系统阴、阳极，降低了两级间距，提升了有机物净化性能，然而所采用的上行流运行模式不利于反硝化脱氮。

如专利公开号为CN103708622B的名称为一种高效处理有机污水的微生物燃料电池人工湿地的发明专利公开了一种水平流CW-MFC装置，分别在阴极区与阳极区设置了若干曝气管与排气管，该发明污水处理效果较好，然而需要人工曝气充氧，增加了系统能耗。

再如专利公开号为CN105836894A的名称为一种潮汐流人工湿地耦合微生物燃料电池的污水处理系统及方法的发明专利公开了一种潮汐流CW-MFC装置，通过水流运行方式的控制，提高了氧传递效率，无需在阴极曝气也能保持较高净化效率，然而系统运行方式过于复杂，难以放大。

由此可见，虽然相对于CW而言，CW-MFC在污水处理效果方面有一定提升，而且实现了产电，但是上述问题的存在使得CW-MFC系统设计仍然有待进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种微生物燃料电池耦合人工湿地的污水脱氮系统及方法，促进人工湿地与微生物燃料电池两项技术的深度耦合，同步实现有机物去除、脱氮与生物产电，有望同时解决环境污染和能源危机双重问题。