[發明專利]一種以鋼渣為陽極的同步產電與污水凈化的裝置

有效

• 申請號: 201610063284.8
• 申請日: 2016-01-31
• 公開（公告）號: CN105502673B
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發明（設計）人: 吳振斌;肖恩榮;周銀;許丹;武俊梅;徐棟;賀鋒;周巧紅;張義
• 申請（專利權）人: 中國科學院水生生物研究所
• 主分類號: C02F3/32
• 分類號: C02F3/32;C02F3/30;H01M8/16;C02F101/16;C02F101/10
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所42001
• 代理人: 王敏鋒

技術領域

本發明屬于污水處理領域，具體涉及一種以鋼渣為陽極的同步產電和污水凈化的裝置，通過復合垂直流人工濕地與微生物燃料電池耦合實現產電和污水凈化。

背景技術

能源危機和環境污染以及由此產生的社會、氣候問題等已經成為全世界關注的焦點。以“減量化、資源化和再利用”為原則發展清潔能源和循環經濟，是建設資源節約型、環境友好型社會和實現可持續發展的重要途徑。開發、利用以太陽能、核能、風能、生物質能為主的清潔能源是替代傳統能源，解決能源危機的必然選擇，也是我國未來能源發展的戰略要求。

復合垂直流人工濕地處理系統( Integrated Vertical Flow Constructed wetland , IVCW) 是在“九五”期間由中科院水生生物研究所與德國科隆大學、奧地利維也納農業大學等共同承擔的歐盟國際合作項目中首先提出的。該工藝獨特的下行流-上行流水流方式有效地解決了其他類型濕地易出現的“短路”現象，而且形成了下行流池部分區域好氧、下行流池部分厭氧的復合凈水結構，促進了硝化和反硝化作用，明顯提高了系統的脫氮效果（吳振斌，復合垂直流人工濕地，科學出版社，北京，2008）。

微生物燃料電池（Microbial fuel cell，MFC）是利用微生物催化氧化有機物及無機物并且產生電能的裝置，可以用于廢水處理，且耗能低，近年來成為環境領域的研究熱點。

復合垂直流人工濕地與微生物燃料電池可通過濕地植物、微生物、基質、電極實現一體化的結合，形成復合垂直流人工濕地-微生物燃料電池（IVCW-MFC）的耦合系統，利用濕地植物光合作用轉化太陽能為電能，可在凈化污水的同時回收電能，將成為分散式持續可再生能源發電的一種新模式，具有良好的發展前景。

目前，關于IVCW-MFC耦合系統的研究剛剛起步，其中電極的研究對于降低運行成本、提高功率密度及水質凈化效能有著重要的意義。良好的電極構型需要為微生物提供盡量大的附著面積，同時實現有效的電子收集。現在已使用在IVCW-MFC系統中的電極材料主要有石墨氈、石墨板、顆粒活性炭（GAC）、不銹鋼網及碳布。其中GAC被認為最適宜作為植物產電系統的陽極材料，其粒徑小，表面粗糙，產電及污水凈化性能較優（Arends J B A, londeel V, Tennison S R, Boon N, and Verstraete W, Suitability of granular carbon as an anode material for sediment microbial fuel cells, in J. Soils Sediment, 2012, pp.1197-1206.），但是，這種材料的價格相對較高，實用性不高。

鋼渣，一種工業固體廢物，排出量約為粗鋼產量的15~20%。鋼渣主要由鈣、鐵、硅、鎂和少量鋁、錳、磷等的氧化物組成。主要的礦物相為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鈣鎂橄欖石、鈣鎂薔薇輝石、鐵鋁酸鈣以及硅、鎂、鐵、錳、磷的氧化物形成的固熔體，還含有少量游離氧化鈣以及金屬鐵、氟磷灰石等，在理論上具備較大的磷吸附容量。目前鋼渣用作IVCW-MFC系統陽極材料的研究國內外尚無報道。

發明內容

本發明的目的在于提供一種以鋼渣為陽極的同步產電和污水凈化的裝置，將鋼渣電極填埋到微生物燃料電池陽極同時與復合垂直流人工濕地相耦合，實現同步產電和污水凈化的雙重效用，提高陽極電子傳輸效率，降低電池內阻，提高了產電性能。

為實現上述目的，本發明采用以下技術措施：

技術方案：本發明的核心是以復合垂直流人工濕地結構為基礎，通過填埋鋼渣陽極層、生物陰極層，形成了微生物燃料電池和人工濕地相耦合的新型結構方法，該方法通過以鋼渣作為電池陽極，提高陽極電子傳輸效率，降低電池內阻，從而提高了IVCW-MFC系統的產電性能；另一方面，通過鋼渣對污水中磷的吸附，以及基質與植物根系對其他污染物的凈化作用，可以強化IVCW-MFC系統的污水凈化能力。