[發明專利]一種處理污水并用于濕地供電的微生物燃料電池人工濕地裝置

在審

• 申請號: 201510329987.6
• 申請日: 2015-06-15
• 公開（公告）號: CN105024089A
• 公開（公告）日: 2015-11-04
• 發明（設計）人: 袁振宏;楊改秀;李連華;李志兵;孫永明;呂鵬梅;孔曉英;劉姝娜;羅文;王治元;楊玲梅
• 申請（專利權）人: 中國科學院廣州能源研究所
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16;H01M8/04;H01M4/86;C02F3/32
• 代理公司: 廣州科粵專利商標代理有限公司 44001
• 代理人: 蔣歡妹;莫瑤江

技術領域：

本發明涉及污水處理和清潔能源領域，具體涉及一種處理污水并用于濕地供電的微生物燃料電池人工濕地裝置。

背景技術：

微生物燃料電池是利用微生物作為生物催化劑將化學能直接轉化為電能的裝置，從能源利用和環境保護的角度來看，這一技術既可降解有機污染物，凈化環境，同時又能產生清潔電能，因此是一項具有廣闊應用前景的綠色能源技術。該技術在廢水處理、環境修復、地下水處理方面具有廣闊的應用前景。

人工濕地是一個綜合的生態系統，它應用生態系統中物種共生、物質循環再生原理，遵循結構與功能協調原則，在促進廢水中污染物質良性循環的前提下，充分發揮資源的生產潛力，防止環境的再污染，獲得污水處理與資源化的最佳效益，具有投資費用低，建設、運行成本低，運行管理簡單；處理過程能耗低；污水處理效果穩定可靠；具有良好的景觀效應、經濟效益等優點，而被廣泛應用于污水處理領域。

微生物燃料電池陽極室的微生物通過轉化水中的有機質產生電子、質子以及其它的一些有機物，其中質子通過隔膜材料到達陰極，電子經過外電路傳遞到陰極，在陰極，電子、質子以及電子受體發生反應，從而完成電流傳遞過程，即微生物燃料電池的產電過程，在這個過程中，如果將所產生的電能加以利用，會產生可觀的環境效益和經濟效益。介質(如礫石、陶粒等)、水生植物和微生物是人工濕地的基本構成，人工濕地下層附著在介質上的微生物處于厭氧狀態，會影響濕地污水的處理效果，但這恰恰為微生物燃料電池陽極厭氧環境提供了得天獨厚的條件，此外，人工濕地上部植物根系的泌氧作用為微生物燃料電池陰極的構造也提供了便利條件。

城市濕地具有強大的生態保護功能和社會經濟功能，隨著城市的發展,各地紛紛掀起了建設城市濕地公園的熱潮，為了迎合現代化城市夜間景觀發展的需要，夜間景觀燈的建設已經成為現代濕地公園投入的一部分，而且投入力度還在不斷加大，這無疑會增加濕地公園建設的經濟成本和環境成本。

將微生物燃料電池與人工濕地有機融合，可達到保護環境，美化環境的雙重效果。夏世斌等(夏世斌、吳振斌、潘蓉,一種人工濕地水生植物電極的微生物燃料電池裝置,201110187473.3)發明了一種低成本的人工濕地水生植物電極，采用陰陽極錯落排列的方式，但是，這種方式濕地利用效率不高，單位面積電池產電效果有很大的提高空間，宋新山等(宋新山，王俊峰，王宇暉,王蘇艷,嚴登明,何媛,王瑋,丁怡,一種高效處理有機污水的微生物燃料電池人工濕地,CN?103708622?B)開發了一種高效處理污水的微生物燃料電池人工濕地裝置。相對于人工濕地而言，以上技術雖然能夠提高處理污水效果，但是，處理效果還有很大提升空間，而且電池輸出功率低，所產生的能量較難實現間歇式操作。

此外，人工濕地內溶解氧的濃度相對較低，隨著氧的利用離根毛較遠的區域呈現缺氧狀態,更遠的區域則完全厭氧(吳建強,阮曉紅,王雪，人工濕地中水生植物的作用和選擇，水資源保護，2005，2(1)：1-6)而溶氧微生物燃料電池受溶氧濃度的影響較大，整個體系的產電功率也會受到影響。此外微生物燃料電池輸出功率低，而且所產生能量較難實現間歇式操作。

發明內容：

本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種處理污水并用于濕地供電的微生物燃料電池人工濕地裝置。該裝置集污水高效處理與產能于一體，成本低，易維護，整個過程不需要外加電壓，所產生的電能可根據需要應用于系統內，從而實現污水處理和資源高效循環利用，特別適用于城市濕地公園。

本發明是通過以下技術方案予以實現的：

一種處理污水并用于濕地供電的微生物燃料電池人工濕地裝置，該裝置包括微生物燃料電池型濕地主體和集電儲能系統；所述微生物燃料電池型人工濕地主體由下而上依次包括：防滲層、陽極填料層、絕緣填料層、陰極填料層和水生植物；所述陰極填料層底部鋪設有曝氣量可調節的曝氣裝置；所述集電儲能系統由陽極電極、陰極電極以及連接陽極電極、陰極電極的外接導線、外接導線上串接的儲能裝置(如超級電容器)和電能輸出設備(如LED燈組)組成；利用人工濕地主體下層陽極填料層的厭氧環境，并加入微生物燃料電池陽極材料形成陽極電極；利用水生植物發達的根系泌氧功能結合微孔曝氣裝置的曝氣并加入陰極電極材料形成陰極電極；所述電能輸出設備串聯有第一開關，然后電能輸出設備跟第一開關組成的整體再跟第二開關并聯，通過控制第一開關和第二開關的開關來實現對超級電容器充放電的控制；微生物燃料電池型濕地主體的一側下部設有進水口，另一側的頂部設有出水口。

所述陽極材料是打孔石墨板。