一种微生物燃料电池耦合人工湿地装置及作业方法

本发明涉及污水处理，尤其涉及一种微生物燃料电池耦合人工湿地装置及作业方法。

背景技术：

1、人工湿地(cw)由于其操作简单，易于维护而广泛应用于废水处理，但传统人工湿地在运行过程中会产生大量温室气体。而温室气体所引起的全球变暖已成为日益严重的环境问题。因此减少cw运行过程中产生的温室气体具有重要意义。

2、微生物燃料电池(mfc)可以利用微生物降解营养物的同时产生电能，被视为一种潜力巨大的绿色能源技术。mfc阴/阳极所需环境与cw内部环境相似，与cw结合使用不仅能强化污染物去除效果，还能减少人工湿地温室气体释放。

3、目前发现将mfc与cw结合使用，湿地ch4和n2o排放分别减少了17.9-36.9％和7.2-38.7％。mfc强化污染物去除和减少温室气体排放可能是由于外电路连接强化了生物电子传递过程。因此有研究通过在阴极增加曝气，增强阴阳极氧化还原电位差，以进一步强化温室气体减排效果。

4、然而现有关于mfc-cw减少湿地温室气体释放的研究多为单室反应器，曝气增加的溶解氧(do)会纵向扩散，直接影响阳极电位。双室mfc支持严格的好氧区和厌氧区，可以保证阳/阴极良好且合适的氧气环境，保证mfc电极互不影响。综上，mfc-cw的气体减排技术很难达到令人满意的效果，因此在探究mfc控制cw温室气体减排策略时，有必要研究mfc-cw结构变化对温室气体释放的影响。

技术实现思路

1、本发明的目的是：构建微生物燃料电池耦合人工湿地系统评估不同构造对去除污染物和温室气体排放通量的影响作用来实现温室气体的减排及产电性能的提高。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种微生物燃料电池耦合人工湿地装置，包括：厌氧区箱体和好氧区箱体，厌氧区箱体和好氧区箱体分别接种厌氧污泥与好氧污泥，厌氧区箱体内部从下至上依次设置有厌氧区配水层、活性炭阳极层和厌氧区砾石层，好氧区箱体内部从下至上依次设置有好氧区砾石层、活性炭阴极层、好氧区配水层和湿地植物。

3、两个独立设置的厌氧区箱体和好氧区箱体形成分体式反应器，分体式的设计促进了对污染物的去除，cod平均去除率均在80％左右，相较于一体式，分体式同时提高了nh4+-n、tn的去除率，而且分体式的设计可减少温室气体排放，其中n2o、ch4、co2排放速量分别为0.108、2.16、102mg/d，相比一体式了减少n2o、ch4、co2的释放量。

4、优选的，所述厌氧区箱体和好氧区箱体形状相同，均匀圆柱形，直径均为16cm，容积在3-5l。

5、厌氧区箱体和好氧区箱体采用本领域内市面上现有的结构，故不再赘述。

6、优选的，所述厌氧区配水层和好氧区配水层的粒径为1-2cm；

7、活性炭阳极层和活性炭阴极层的粒径为2-4cm；

8、厌氧区砾石层和好氧区砾石层的粒径为0.3-0.9cm。

9、整个装置的空隙率为40％。

10、优选的，所述活性炭阳极层和活性炭阴极层由碳毡包裹不锈钢网制成。

11、优选的，所述活性炭阳极层和活性炭阴极层对应一侧预设有阳极接线孔和阴极接线孔，阴极接线孔经外部电路和阳极接线孔连接。

12、阴极接线孔经外部电路和活性炭阳极层接线孔连接，同时通过钛线与多通道数据采集模块连接以测定输出电压，外部电阻为70kω。

13、优选的，所述水流通道包括厌氧区水流通道和好氧区水流通道；

14、厌氧区水流通道包括厌氧区进水口和厌氧区出水口；

15、厌氧区进水口设置在厌氧区箱体远离好氧区箱体一侧，

16、厌氧区出水口设置在厌氧区箱体靠近好氧区箱体一侧；

17、好氧区水流通道包括好氧区进水口和好氧区出水口；

18、好氧区进水口设置在好氧区箱体靠近厌氧区箱体一侧；

19、好氧区出水口设置在好氧区箱体远离厌氧区箱体一侧。

20、厌氧区出水口与好氧区进水口之间通过管线相连。

21、优选的，所述曝气装置设置在好氧区箱体底部，且设置有一个以上。

22、曝气装置采用本领域内市面上现有的结构，曝气装置的作用是提供充足的溶解氧，曝气装置通过增加水中的氧气含量，增强阴阳极氧化还原电位差，强化温室气体减排效果。

23、还提供了一种微生物燃料电池耦合人工湿地作业方法，包括以下步骤：

24、s1:将污水从厌氧区进水口泵入厌氧区箱体；

25、s2：污水在厌氧区箱体内部依次通过厌氧区配水层、活性炭阳极层和厌氧区砾石层进行初步处理；

26、s3:初步处理完成后的污水通过厌氧区出水口在好氧区进水口的作用下进入好氧区箱体；

27、s4：污水在好氧区箱体内部依次通过好氧区砾石层、活性炭阴极层和好氧区配水层进行进一步的处理，同时通过曝气装置进行曝气；

28、s5：处理后的污水经好氧区出水口排出。

29、在上述作业方法中，用蠕动泵连续进水，进入系统的化学需氧量(cod)浓度为492.61±40.84mg/l、氨氮(nh4+-n):39.83±1.30mg/l、硝态氮(no3--n)浓度为0.91±0.28mg/l、总氮(tn)浓度为40.21±1.51mg/l、总磷(tp)浓度为4.60±0.32mg/l，水力停留时间为2天，400％的出水被送回进水端，水力停留时间为2d，400％的出水被送回进水端。

30、在上述作业方法中，所有曝气装置设置间歇曝气，其中停曝段为3h，曝气段为24min，循环往复，曝气装置位于好氧区底层，进气量为50ml/min。

31、装置运行时，使用数据模块和电脑每30s监测和采集一次电压数据。

32、装置运行时，检测进水和出水的cod、nh4+-n、no3--n、no2--n和tn等常规水质指标，以及测定出水的溶解氧(do)和ph。

33、采用静态箱法采集试验系统中排放的气体。在停曝段保证反应器的完全封闭，曝气段采样口开放平衡气压，曝气段和停曝段分别有5个采样时间点，分体式厌氧区3个采样时间点，并采用气相色谱仪分析温室气体。

34、装置运行后期对反应器破坏性采样，采集砾石层以下作为厌氧生物样品，砾石层及其以上作为好氧生物样品，对微生物进行采集与分析。

35、本发明的有益效果是：

36、本发明在使用时，两个独立设置的厌氧区箱体和好氧区箱体形成分体式反应器，分体式的设计促进了对污染物的去除，cod平均去除率均在80％左右，相较于一体式，分体式同时提高了nh4+-n、tn的去除率，而且分体式的设计可减少温室气体排放，其中n2o、ch4、co2排放速量分别为0.108、2.16、102mg/d，相比一体式了减少n2o、ch4、co2的释放量，符合现有的环保理念，体现出本装置的环保性，有利于推广使用。

技术特征：

1.一种微生物燃料电池耦合人工湿地装置，包括：厌氧区箱体(1)和好氧区箱体(7)，厌氧区箱体(1)和好氧区箱体(7)分别接种厌氧污泥与好氧污泥，其特征在于，厌氧区箱体(1)内部从下至上依次设置有厌氧区配水层(2)、活性炭阳极层(3)和厌氧区砾石层(4)，好氧区箱体(7)内部从下至上依次设置有好氧区砾石层(8)、活性炭阴极层(9)、好氧区配水层(10)和湿地植物(11)。

2.如权利要求1所述的微生物燃料电池耦合人工湿地装置，其特征在于，所述厌氧区箱体(1)和好氧区箱体(7)形状相同，均匀圆柱形，直径均为16cm，容积在3-5l。

3.如权利要求1所述的微生物燃料电池耦合人工湿地装置，其特征在于，所述厌氧区配水层(2)和好氧区配水层(10)的粒径为1-2cm；

4.如权利要求3所述的微生物燃料电池耦合人工湿地装置，其特征在于，所述活性炭阳极层(3)和活性炭阴极层(9)由碳毡包裹不锈钢网制成。

5.如权利要求3或4任一所述的微生物燃料电池耦合人工湿地装置，其特征在于，所述活性炭阳极层(3)和活性炭阴极层(9)对应一侧预设有阳极接线孔(301)和阴极接线孔(901)，阴极接线孔(901)经外部电路和阳极接线孔(301)连接。

6.如权利要求1所述的微生物燃料电池耦合人工湿地装置，还包括水流通道，其特征在于，所述水流通道包括厌氧区水流分通道和好氧区水流通道；

7.如权利要求1所述的微生物燃料电池耦合人工湿地装置，还包括曝气装置(12)，其特征在于，所述曝气装置(12)设置在好氧区箱体(7)底部，且设置有一个以上。

8.一种微生物燃料电池耦合人工湿地作业方法，包括以下步骤：

9.如根据权利8要求所述的微生物燃料电池耦合人工湿地作业方法，其特征在于：采用蠕动泵连续进水，进入系统的化学需氧量(cod)浓度为492.61±40.84mg/l、氨氮(nh4+-n):39.83±1.30mg/l、硝态氮(no3--n)浓度为0.91±0.28mg/l、总氮(tn)浓度为40.21±1.51mg/l、总磷(tp)浓度为4.60±0.32mg/l；水力停留时间为2天，400％的出水被送回进水端。

10.如根据权利8要求所述的微生物燃料电池耦合人工湿地作业方法，其特征在于：所述曝气装置(12)设置间歇曝气，其中停曝段为3h，曝气段为24min，循环往复，进气量为50ml/min。

技术总结本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种微生物燃料电池耦合人工湿地装置；包括：厌氧区箱体和好氧区箱体，厌氧区箱体内部从下至上依次设置有厌氧区配水层、活性炭阳极层和厌氧区砾石层，好氧区箱体内部从下至上依次设置有好氧区砾石层、活性炭阴极层、好氧区配水层和湿地植物；还涉及一种微生物燃料电池耦合人工湿地作业方法；包括：将污水从厌氧区进水口泵入厌氧区箱体，污水在厌氧区箱体内部依次通过厌氧区配水层、活性炭阳极层和厌氧区砾石层进行初步处理，初步处理完成后的污水进入好氧区箱体，污水在好氧区箱体内部依次通过好氧区砾石层、活性炭阴极层和好氧区配水层进行进一步的处理，处理后的污水经好氧区出水口排出。技术研发人员：梁雅仪,黄磊,王清华,普振斌,唐健康,王帅,肖君,陈玉成受保护的技术使用者：西南大学技术研发日：技术公布日：2024/7/11