[发明专利]一种在污水净化过程中提高电能捕获的垂直流人工湿地结构及构型方法

说明书

本发明公开了一种在污水净化过程中提高电能捕获的垂直流人工湿地结构及构型方法，步骤是：A、在垂直流人工湿地底部填充非导电填料层；B、在非导电填料层上部填充阳极导电填料层；C、在阳极导电填料层上方填充非导电填料隔离层；D、在非导电填料隔离层表面设置阴极导电填料层，在阴极导电填料层中设置阴极集电极；E、控制阳极填料层体积和非导电填料隔离层体积比值；F、污水由底部依次进入底部非导电、阳极、非导电、阴极导电填料层；G、污水流经系统过程中，有机物转化成的电能通过外部导线输出。该结构自下而上铺设有底部非导电、阳极导电、非导电、阴极导电填料层。显著的提高了垂直流人工湿地在污水净化过程中的电能捕获和输出能力。

技术领域

本发明属于环境保护领域，具体涉及一种在污水净化过程中提高电能捕获的垂直流人工湿地结构。同时还涉及一种在污水净化过程中提高电能捕获的垂直流人工湿地的构型方法，该结构可根据进水有机物浓度范围，最大限度的捕获并输出电能。

背景技术

微生物燃料电池(MFC)因其较好的将有机物转化为电能的性能，已成为污水处理领域的新热点。受到内阻、电极材料等因素的限制，目前MFC的规模难以放大，更多停留在实验室研究阶段，限制了其实际应用。而人工湿地自上而下的垂直方向上天然的氧化还原梯度刚好具备了阴、阳极电势差，使得与电极耦合成为可能(Doherty,L.,et al.,A reviewof a recently emerged technology:Constructed wetland--Microbial fuelcells.Water Res,2015.85:p.38-45)，也初步解决了单一MFC系统难以规模化放大的问题。

但是随着人工湿地-微生物燃料电池耦合系统(CW-MFC)的规模放大，系统内的基质、植物根系、电极材料等元素均会造成内阻增大，导致库仑效率下降，输出功率密度降低。目前垂直流人工湿地-微生物燃料电池(VFCW-MFC)耦合系统中使用的植物一般是筛选较好的微电流适应环境的常规物种，非导填料基质的选择也没有突破常规人工湿地基质材料(ZL 201310454037.7)。

由于CW-MFC耦合系统转化污水中的有机物并输出为电能的过程主要分为两个步骤：一是系统中电化学活性菌利用污水中的有机物产生胞外电子传递到电极上；二是电极上的电子通过外电路输出为电能。因此，相对而言，电极材料、电极构型、阴极和阳极间距对于污水中电能的捕获和输出的影响更为直接。目前，已使用的电极类型主要有石墨毡、石墨板、活性炭、不锈钢网、碳布、碳纤维等。不同电极材料富集的优势产电菌群不同，对电子的传递效率也有差异，因而直接系统输出电能；但是受到材料成本的限制，实际工程中廉价的电极材料更具应用潜力。另一方面，电极构型和阴、阳极在垂直流人工湿地中的不同深度位置对系统的电子产生和电流收集具有非常重要的影响。如何通过VFCW-MFC系统的电极位置的优化设置(阳极体积、阴极体积、阴极阳极间间距等参数)来强化和优化系统的转化电能效率是目前研究和应用的难点之一。由于阳极为产电微生物提供附着面积，阳极和阴极的有效连接可实现电流的输出；因此，一般来说，阳极表面积或体积越大越好，阴阳极之间的间距越小越好。在实际的VFCW-MFC设计和应用中，如能提出优化的电极构型以及位置布局，将为VFCW-MFC的模块化提供有价值的基础数据支撑和参考，加速推动在实际工程中的应用。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种在污水净化过程中提高电能捕获和输出的垂直流人工湿地结构，结构简单，通过增设阳极导电填料层、阴极导电填料层，实现污水净化过程中有机物最大化转化为电能并输出。

本发明的另一个目的是在于提供了一种在污水净化过程中提高电能捕获和输出的垂直流人工湿地构型的方法，方法简单易行，操作便捷，最大化原位将污水中的有机物转化为电能并高效输出，可显著的提高了垂直流人工湿地在污水净化过程中的电能捕获和输出能力。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：