[發明專利]一種微生物燃料電池耦合人工濕地的污水脫氮系統及方法

在審

• 申請號: 201810725478.9
• 申請日: 2018-07-04
• 公開（公告）號: CN110683648A
• 公開（公告）日: 2020-01-14
• 發明（設計）人: 鐘非;劉威;劉暢;殷文亮;孫卿;鄧自發
• 申請（專利權）人: 南通大學
• 主分類號: C02F3/32
• 分類號: C02F3/32;C02F3/34;H01M8/16;C02F101/30
• 代理公司: 31233 上海泰能知識產權代理事務所
• 代理人: 宋纓;孫健

本發明涉及一種微生物燃料電池耦合人工濕地污水脫氮系統及方法，包括并排豎向布置的上行流單元和下行流單元，上行流單元包括由下至上依次布置的進水口、布水區、填料層、上行流陽極和上行流陰極，下行流單元包括由上至下依次布置的配水區、下行流陰極、填料層、下行流陽極、集水區和出水口，上行流單元和下行流單元的頂部之間通過連通管相連，上行流陰極和下行流陰極中均種植有濕生挺水植物，兩個陽極之間通過金屬鈦絲相連，并分別與上行流陰極和下行流陰極以及外接的電阻形成兩條回路。本發明促進人工濕地與微生物燃料電池兩項技術的深度耦合，同步實現有機物去除、脫氮與生物產電，有望同時解決環境污染和能源危機雙重問題。

技術領域

本發明涉及環境工程領域，特別是涉及一種微生物燃料電池耦合人工濕地的污水脫氮系統及方法。

背景技術

微生物燃料電池(MFC)是一種利用產電微生物將有機物的化學能轉化為電能的新興技術。MFC首先通過微生物在低電勢的陽極催化有機物分解，產生電子和質子，然后，電子通過外電路到達高電勢陰極并與電子受體(O₂、NO₂^-和NO₃^-等)和來自陽極的質子相結合，實現污染物降解并產生電能。隨著MFC研究的擴展，出現了與膜生物反應器(MBR)、膜曝氣生物反應器(MABR)、厭氧-缺氧-好氧工藝(A2/O)及人工濕地(CW)等組成的耦合系統。

其中，CW由基質、植物與微生物三大要素組成，可通過物理、化學和生物三重協同作用凈化污水，具有建造及運行費用低、維護簡單、景觀良好等優點，已被廣泛應用于市政及工農業廢水的處理。不過，為保障凈化效果，CW水力停留一般較長，需要占用較大面積土地；為提高脫氮效率，解決反硝化階段碳源不足問題，需要額外投加有機物碳源。受制于上述問題，目前CW的大規模推廣應用遇到了瓶頸。由于CW可形成下部缺氧、上部好氧的狀態，能為MFC提供所需的氧化還原梯度，而MFC有助于CW突破瓶頸，人工濕地-微生物燃料電池耦合系統(CW-MFC)已受到國內外廣泛關注，具有極大的研究價值和應用潛力。

對于CW-MFC，如能充分發揮濕地植物根際效應、促進產電細菌與污染物降解細菌的富集與配合，并強化MFC兩極與CW三要素間的協同作用，將有利于CW與MFC兩項技術的深度耦合，同步實現有機物去除、脫氮與生物產電，有望同時解決環境污染和能源危機雙重問題。

如專利公開號為CN105540860A的名稱為一種微生物燃料電池人工濕地產電原位利用水體凈化方法的發明專利公開了一種垂直流CW-MFC裝置，選用導電顆粒作為系統陰、陽極，降低了兩級間距，提升了有機物凈化性能，然而所采用的上行流運行模式不利于反硝化脫氮。

如專利公開號為CN103708622B的名稱為一種高效處理有機污水的微生物燃料電池人工濕地的發明專利公開了一種水平流CW-MFC裝置，分別在陰極區與陽極區設置了若干曝氣管與排氣管，該發明污水處理效果較好，然而需要人工曝氣充氧，增加了系統能耗。

再如專利公開號為CN105836894A的名稱為一種潮汐流人工濕地耦合微生物燃料電池的污水處理系統及方法的發明專利公開了一種潮汐流CW-MFC裝置，通過水流運行方式的控制，提高了氧傳遞效率，無需在陰極曝氣也能保持較高凈化效率，然而系統運行方式過于復雜，難以放大。

由此可見，雖然相對于CW而言，CW-MFC在污水處理效果方面有一定提升，而且實現了產電，但是上述問題的存在使得CW-MFC系統設計仍然有待進一步改進。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種微生物燃料電池耦合人工濕地的污水脫氮系統及方法，促進人工濕地與微生物燃料電池兩項技術的深度耦合，同步實現有機物去除、脫氮與生物產電，有望同時解決環境污染和能源危機雙重問題。