申请/专利权人：沈阳环境科学研究院

申请日：2018-03-20

公开（公告）日：2024-06-14

公开（公告）号：CN108218147B

主分类号：C02F9/00

分类号：C02F9/00;C02F3/00;C02F3/34;C02F3/30;C02F3/32;C02F101/30;C02F101/16

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.14#授权;2018.07.24#实质审查的生效;2018.06.29#公开

摘要：本发明公开了一种强化脱氮的微生物燃料电池耦合潜流人工湿地系统，包括产电段人工湿地、曝气段人工湿地、进水管、回流液布水管和集水区，所述产电段人工湿地的一侧设有曝气段人工湿地，且产电段人工湿地和曝气段人工湿地的外侧设有集水区，产电段人工湿地的一侧设置有进水管，进水管的一端套接有污水布水管，产电段人工湿地的底部布设有回流液布水管，产电段人工湿地和曝气段人工湿地的内部设置有隔板，隔板的两侧分别连接有外接电缆，外接电缆的上部有线连接有负载，本系统由阳极区和阴极区交替排列构成，并有各自独立的布水系统，具有良好的氨氮、总氮去除效果，曝气段人工湿地可为阴极区提供含有电子受体，能够产生电能，有利于节能减排。

主权项：1.一种强化脱氮的微生物燃料电池耦合潜流人工湿地系统，包括产电段人工湿地1、曝气段人工湿地2、进水管3、回流液布水管5和集水区9，其特征在于，所述产电段人工湿地1的一侧设有曝气段人工湿地2，且产电段人工湿地1和曝气段人工湿地2的外侧设有集水区9，产电段人工湿地1的一侧设置有进水管3，进水管3的一端套接有污水布水管4，产电段人工湿地1的底部布设有回流液布水管5，产电段人工湿地1和曝气段人工湿地2的内部设置有隔板6，隔板6的两侧分别连接有外接电缆7，外接电缆7的上部有线连接有负载8，集水区9的一侧设置有回流泵10，回流泵10的吸入端布设在集水区9内部，回流泵10的输出端和回流液布水管5的一端套接，曝气段人工湿地2的内部布设有曝气管16，曝气管16的一端法兰连接有鼓风机17；所述产电段人工湿地1包括阳极区101和阴极区102，且阳极区101和阴极区102交替布置，隔板6安装在阳极区101和阴极区102之间，外接电缆7的两端分别连接相邻的阳极区101和阴极区102，污水布水管4的一端布设在阳极区101，回流液布水管5的一端布设在阴极区102；污水经进水管3进入污水布水管4，污水布水管4将污水送入产电段人工湿地1的阳极区101，在回流泵10的作用下，回流液由集水区9抽出，经回流液布水管5进入产电段人工湿地1的阴极区102；污水中有机污染物在阳极区101，被活性炭层12上富集的产电菌分解，同时产生质子和电子，电子经外接电缆7、负载8传导至阴极区102，阴极区102中的回流液含有溶解氧和硝态氮，作为电子受体，硝态氮被还原为氮气，氮污染物被从水中彻底去除，阳极区101产生的质子由质子交换膜18进入阴极区102，产电段人工湿地1完成产电和脱氮的全功能过程；污水之后进入曝气段人工湿地2，启动鼓风机17，鼓风机17通过曝气管16向污水中充氧，活性炭层12上附着的微生物利用溶解氧对污水中残余的有机污染物和氨氮进行分解氧化，有机污染物被分解为水和二氧化碳，氨氮被氧化为硝态氮，最后出水进入集水区9，部分外排，部分由回流泵10回流至回流液布水管5；所述产电段人工湿地1和曝气段人工湿地2均包括碎石层11、活性炭层12、砂砾层13、土壤层14和湿地植物15，且碎石层11、活性炭层12、砂砾层13、土壤层14和湿地植物15自下而上依次布设。

全文数据：一种强化脱氮的微生物燃料电池耦合潜流人工湿地系统技术领域[0001]本发明涉及人工湿地技术领域，尤其涉及一种强化脱氮的微生物燃料电池耦合潜流人工湿地系统。背景技术[0002]人工湿地是人为建立的通过模拟自然湿地系统处理污水的人工生态系统。系统主要由基质、水生植物、微生物构成，污水经基质过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现污染物的去除分解，微生物燃料电池在产电微生物的催化作用下，可以将储存在有机物化学键中的化学能转化为电能，是一种可以在处理污水的同时产生电能的技术，将MFC应用至污水处理领域，是当前环境能源领域的研究热点之一，人工湿地对氮的去除主要包括植物摄取、基质吸附和微生物的硝化反硝化作用。其中后两者作用相对明显，但是充足的供氧是微生物进行硝化作用的必要条件，然而人工湿地中的氧主要依靠植物传输和大气复氧，在实际运行中不能满足微生物的需要;反硝化过程则需要电子供体才能将硝态氮还原为氮气，将氮污染物从水中彻底去除。[0003]目前微生物燃料电池与人工湿地的耦合系统，（专利号201610063285.2、201610020188.5、201110274372.X，均以空气作为阴极的电子受体，水中的空气来源多为大气复氧和植物传输，这样的系统仅通过植物传输和大气复氧，难以满足硝化反应对溶解氧的需求，去氮效果不佳，而且比较浪费能源。发明内容[0004]本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种强化脱氮的微生物燃料电池耦合潜流人工湿地系统。[0005]为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：[0006]一种强化脱氮的微生物燃料电池耦合潜流人工湿地系统，包括1、产电段人工湿地、曝气段人工湿地、进水管、回流液布水管和集水区，其特征在于，所述产电段人工湿地的一侧设有曝气段人工湿地，且产电段人工湿地和曝气段人工湿地的外侧设有集水区，产电段人工湿地的一侧设置有进水管，进水管的一端套接有污水布水管，产电段人工湿地的底部布设有回流液布水管，产电段人工湿地和曝气段人工湿地的内部设置有隔板，隔板的两侧分别连接有外接电缆，外接电缆的上部有线连接有负载，集水区的一侧设置有回流栗，回流栗的吸入纟而布设在集水区内部，回流栗的输出端和回流液布水管的一端套接，曝气段人工湿地的内部布设有曝气管，曝气管的一端法兰连接有鼓风机。[0007]优选的，所述产电段人工湿地和曝气段人工湿地均包括碎石层、活性炭层、砂砾层、土壤层和湿地植物，且碎石层、活性炭层、砂砾层、上壤层和湿地植物自下而上依次布设。[0008]优选的，所述污水布水管的一端延伸至产电段人工湿地的底部，且污水布水管的一端布设在碎石层的底部，回流液布水管的一端布设在碎石层的底部。[0009]优选的，所述产电段人工湿地包括阳极区和阴极区，且阳极区和阴极区交替布置，隔板安装在阳极区和阴极区之间，外接电缆的两端分别连接相邻的阳极区和阴极区，污水布水管的一端布设在阳极区，回流液布水管的一端布设在阴极区。[0010]优选的，所述曝气管铺设在活性炭层的底部，且曝气管的上部开有曝气孔，曝气孔的开口向下，曝气管的管壁包裹有纱网。[0011]优选的，所述且隔板包括板体、隔板框架和筛孔，且板体的上部开有筛孔，筛孔开设在活性炭层，板体的外侧套设有隔板框架，板体的数量为两块，两块板体之间安装有质子交换膜，质子交换膜将筛孔封闭，质子交换膜将阳极区和阴极区隔离。[0012]本发明的有益效果是：[0013]1、本发明采用人工曝气，人工湿地由阳极区和阴极区交替排列构成，并有各自独立的布水系统，阳极区进水为污水，阴极区进水为回流液，曝气段人工湿地将污水中的氨氮通过硝化反应充分地氧化为硝态氮，并向污水中充氧，然后将含有溶解氧和硝态氮的回流液引至阴极区，作为电子受体，使微生物燃料电池在分解有机物的同时，对硝态氮进行还原，达到去除总氮的目的，具有良好的氨氮、总氮去除效果。[0014]2、本发明产电段人工湿地与曝气段人工湿地串联，曝气段人工湿地可为阴极区提供含有电子受体的回流液，在去氨氮、总氮的同时还能够产生电能，有利于节能减排。附图说明[0015]图1为本发明提出的一种强化脱氮的微生物燃料电池耦合潜流人工湿地系统的系统不意图；[0016]图2为本发明提出的一种强化脱氮的微生物燃料电池耦合潜流人工湿地系统的平面布置示意图；[0017]图3为本发明提出的一种强化脱氮的微生物燃料电池耦合潜流人工湿地系统的隔板结构示意图。[0018]图中：1产电段人工湿地、1〇i阳极区、1〇2阴极区、2曝气段人工湿地、3进水管、4污水布水管、5回流液布水管、6隔板、61板体、62隔板框架、63筛孔、7外接电缆、8负载、9集水区、10回流泵、11碎石层、12活性炭层、13砂砾层、14土壤层、15湿地植物、16曝气管、17鼓风机、18质子交换膜。具体实施方式[0019]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。[0020]实施例一:参照图1-3,一种强化脱氮的微生物燃料电池耦合潜流人工湿地系统，处现污水时，污水经进水管3进入污水布水管4,污水布水管4将污水送入产电段人工湿地1的阳极区101，在回流栗10的作用下，回流液由集水区9抽出，经回流液布水管5进入产电段人工湿地1的阴极区102,由于阳极区101和阴极区102中的活性炭层12具有导电性，可作为阳极和阴极的电极，通过外接电缆7将电路连通，阴阳极连通，隔板6内部安装有质子交换膜18,隔板6将质子交换膜18完全包裹，起到保护质子交换膜18以及隔离阳极区101和阴极区102的作用，阳极区101、阴极区102和质子交换膜18共同构成双室微生物燃料电池，污水中有机污染物在阳极区101，被活性炭层12上富集的产电菌分解，同时产生质子和电子，电子经外接电缆7、负载8传导至阴极区1〇2，阴极区1〇2中的回流液含有溶解氧和硝态氮，可作为电子受体，硝态氮被还原为氮气，氮污染物被从水中彻底去除，阳极区101产生的质子由质子交换膜18进入阴极区102,产电段人工湿地1完成了产电和脱氮的全功能过程。[0021]本实施例中，污水之后进入曝气段人工湿地2,启动鼓风机17,鼓风机17通过曝气管I6向污水中充氧，活性炭层12上附着的微生物利用溶解氧对污水中残余的有机污染物和氨氮进行分解氧化，有机污染物被分解为水和二氧化碳，氨氮被氧化为硝态氮，最后出水进入集水区9,部分外排，部分由回流栗1〇回流至回流液布水管5。[0022]实施例二:外接电缆7上部可包裹保温层，能够防止恶劣天气造成的系统故障。[0023]实施例三:产电段人工湿地1的阴极区1〇2填料可掺混锯末和秸杆中的一种或两种，锯末和秸秆可作为缓释碳源通过微生物的反硝化脱氮作用进一步提高总氮的去除率。[0024]实施例四：产电段人工湿地1的阳极区101填料可掺混钢渣，钢渣中的单质铁既能够为阳极区创造更优的厌氧环境，又能在阴极区释放的Fe2+，起到除磷的作用。[0025]实施例五:曝气段人工湿地2的活性炭层12和砂砾层13可更换为沸石、陶粒、生物炭、火山岩、石英砂、麦饭石、无烟煤中的一种或几种，通过这些填料的离子交换作用提高对氨氮的去除，并为产电段提供更多的电子受体，提高产电量。[0026]实施例六:进水管3和回流液布水管5可串联流量计。[0027]实施例七:相邻隔板6可交替安装阳离子交换膜和阴离子交换膜，阳极区101产生的质子通过阳离子交换膜进入相邻阴极区102,阴极区1〇2产生的〇H_可通过阴离子交换膜进入另一侧阳极区101，用以防止阳极区PH过低。[0028]以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明掲露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种强化脱氮的微生物燃料电池耦合潜流人工湿地系统，包括产电段人工湿地（1、曝气段人工湿地⑵、进水管⑶、回流液布水管⑸和集水区⑼，其特征在于，所述产#段：人工湿地（1的一侧设有曝气段人工湿地2，且产电段人工湿地（1和曝气段人工湿地2的外侧设有集水区（9，产电段人工湿地（1的一侧设置有进水管3，进水管3的—端套接有污水布水管4，产电段人工湿地（1的底部布设有回流液布水管5，产电段人工湿地1和曝气段人工湿地⑵的内部设置有隔板⑹，隔板⑹的两侧分别连接有外接电缆7，外接电缆⑺的上部有线连接有负载⑻，集水区⑼的一侧设置有回流栗（1〇，回流泵（10的吸入端布设在集水区⑼内部，回流栗（10的输出端和回流液布水管5的一端套接，曝气段人工湿地⑵的内部布设有曝气管16，曝气管le的一端法兰连接有鼓风机17。2.根据权利要求1所述的一种强化脱氮的微生物燃料电池耦合潜流人工湿地系统，其特征在于，所述产电段人工湿地（1和曝气段人工湿地（2均包括碎石层（11、活性炭层12、砂砾层（13、上壤层（14和湿地植物（15，且碎石层（11、活性炭层（12、砂砾层13、土壤层（14和湿地植物（15自下而上依次布设。3.根据权利要求1或2所述的一种强化脱氮的微生物燃料电池耦合潜流人工湿地系统，其特征在于，所述污水布水管4的一端延伸至产电段人工湿地（1的底部，且污水布水管4的一端布设在碎石层（11的底部，回流液布水管5的一端布设在碎石层11的底部。4.根据权利要求1所述的一种强化脱氮的微生物燃料电池耦合潜流人工湿地系统，其特征在于，所述产电段人工湿地（1包括阳极区（101和阴极区（102，且阳极区（101和阴极区（102交替布置，隔板⑹安装在阳极区（101和阴极区（102之间，外接电缆⑺的两端分别连接相邻的阳极区（101和阴极区（102，污水布水管4的一端布设在阳极区（101，回流液布水管⑸的一端布设在阴极区（102。5.根据权利要求1或2所述的一种强化脱氮的微生物燃料电池耦合潜流人工湿地系统，其特征在于，所述曝气管（16铺设在活性炭层（12的底部，且曝气管（16的上部开有曝气孔，曝气孔的开口向下，曝气管16的管壁包裹有纱网。6.根据权利要求1或2或4所述的一种强化脱氮的微生物燃料电池耦合潜流人工湿地系统，其特征在于，所述且隔板6包括板体61、隔板框架62和筛孔63，且板体61的上部开有筛孔63，筛孔63开设在活性炭层12，板体61的外侧套设有隔板框架62，板体61的数量为两块，两块板体61之间安装有质子交换膜（18，质子交换膜（18将筛孔63封闭，质子交换膜18将阳极区（101和阴极区（102隔离。

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