[發明專利]一種人工濕地—微生物燃料電池耦合處理系統及應用方法

在審

• 申請號: 202011509159.8
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112777724A
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 成水平;吳雪;鐘非;吳娟;陳月
• 申請（專利權）人: 同濟大學;河北建設集團安裝工程有限公司
• 主分類號: C02F3/00
• 分類號: C02F3/00;C02F3/32;C02F101/16;C02F101/30;C02F101/38
• 代理公司: 北京挺立專利事務所(普通合伙) 11265
• 代理人: 余瑩

本發明涉及一種強化脫氮的人工濕地—微生物燃料電池耦合處理系統及應用方法，包括污水收集裝置、軸對稱的兩個人工濕地—微生物燃料電池主體、外電路和集水池；人工濕地—微生物燃料電池主體由下而上依次包括底層區、陽極區、中間區、陰極區和濕生挺水植物；在人工濕地—微生物燃料電池主體下部設有進水口，進水口通過泵和污水管道與污水收集裝置連通；在人工濕地—微生物燃料電池主體的另一側頂部設有出水口，出水口通過出水管道與集水區一側上部的進水口連通。本發明將微生物燃料電池嵌入到人工濕地中構建耦合系統，在凈化水質的同時，將有機底物轉化為電能，并以此來強化其他污染物的去除，這可以為緩解能源危機、控制環境污染提供新的思路。

技術領域

本發明屬于環境工程技術領域，特別是涉及一種強化脫氮的人工濕地—微生物燃料電池耦合處理系統及應用方法。

背景技術

人工濕地(CW)技術用于污水處理由來已久，其應用領域也十分寬泛：從城市的生活污水到制革、采礦等工業廢水，以及處理暴雨徑流的面源污染和用于污泥處理等。基建、運行和維護等方面低廉的價格使得人工濕地在最近二十年應用越來越廣泛。

微生物燃料電池(MFC)通常包括一個陽極、一個陰極、質子交換膜和外電路。陽極區需要維持一個厭氧的環境，在有機物被微生物氧化分解過程中，有機物釋放的電子可以通過細菌傳遞給陽極，陽極充當電子受體并將電子從外電路導向陰極；與此同時有機物降解釋放的質子通過水流運動或者質子交換膜擴散到達陰極。陰極區的氧化還原電位較高，最終的電子受體(氧氣或者高價含氧酸鹽)在陰極表面結合溶液中的質子和外電路中的電子發生還原反應，進而整個系統形成回路。

人工濕地—微生物燃料電池耦合系統，也稱產電型人工濕地，是一種新興的污水處理復合工藝。CW與MFC之所以能夠耦合在一起，是因為二者有著很多共通之處。除了二者都是生物系統、并且都用于降解有機物之外，更重要的是人工濕地可以提供給微生物燃料電池所需的氧化還原條件。濕地的底部是厭氧環境，而表面是好氧的。這種自然形成的氧化還原環境正好可以滿足微生物燃料電池所需的厭氧陽極區和好氧陰極區的要求。好氧微生物在陰極表面附著形成生物陰極，生物陰極另一面與空氣相通以使氧氣滲透到陰極電解液為生物陰極提高電子供體。陽極微生物分解代謝有機物產生電子，電子通過外電路移動到生物陰極；在微生物的作用下氧氣或者高價含氧酸鹽與電子以及從陽極透過的質子反應生成水，同時產生電能。

能源危機與環境污染是制約我國經濟發展的兩大問題，污染物能源化研究是同時解決上述兩大問題的重要途徑。將微生物燃料電池嵌入人工濕地構建耦合處理系統，在實現水質凈化的同時，以污水中有機污染物作為微生物燃料電池反應底物收獲一部分清潔能源，并以電化學作用強化人工濕地脫氮過程。這可以為緩解能源危機、控制環境污染提供新的思路。

發明內容

本發明針對上述缺陷，提供一種能夠強化生活污水或富營養化地表水等污水脫氮的人工濕地—微生物燃料電池耦合處理系統及其應用方法，利用人工濕地中天然存在的不同區域的厭氧與好氧條件，在其中構建微生物燃料電池形成耦合處理系統，強化人工濕地的脫氮效果，并回收一部分電能，有望推動此處理方法向市場轉化并盡早應用于污水處理與能源化。

本發明提供如下技術方案：一種人工濕地—微生物燃料電池耦合處理系統，其特征在于，包括污水收集裝置、左側與右側軸對稱的第一人工濕地—微生物燃料電池主體和第二人工濕地—微生物燃料電池主體、連接所述人工濕地—微生物燃料電池主體進水口的污水管道以及設置在所述污水管道分叉口前部的泵，所述進水口包括所述第一人工濕地—微生物燃料電池主體的第一進水口和所述第二人工濕地—微生物燃料電池主體的第二進水口；