申請日2015.06.15

　　公開(公告)日2015.11.04

　　IPC分類號H01M8/16; C02F3/32; H01M4/86; H01M8/04

　　摘要

　　本發(fā)明公開了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(tǒng);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(diào)節(jié)的曝氣裝置;所述集電儲能系統(tǒng)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和電能輸出設備組成;該裝置集污水高效處理與產(chǎn)能于一體，成本低，易維護，整個過程不需要外加電壓，所產(chǎn)生的電能可根據(jù)需要應用于系統(tǒng)內(nèi)，從而實現(xiàn)污水處理和資源高效循環(huán)利用，特別適用于城市濕地公園。

　　摘要附圖

 

　　權利要求書

　　1.一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，其特征在于，該裝置包 括微生物燃料電池型濕地主體和集電儲能系統(tǒng);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(diào)節(jié)的曝氣裝置;所述集電儲能系統(tǒng)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和電能輸出設 備組成;利用人工濕地主體下層陽極填料層的厭氧環(huán)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(fā)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(lián)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(lián)，通過控制第一開關和第二開關的開關來實現(xiàn)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(cè)下部設有進水口，另一側(cè)的 頂部設有出水口。

　　2.根據(jù)權利要求1所述的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，其特 征在于，所述陽極材料是打孔石墨板，打孔石墨板的通孔為1-100排，每排通孔1-1500 個，通孔的直徑為10-300mm。

　　3.根據(jù)權利要求2所述的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，其特 征在于，設在陽極填料層的1-1000塊打孔石墨板采用折流方式串接而成。

　　4.根據(jù)權利要求1或2所述的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， 其特征在于，所述陰極電極材料選自活性炭、炭氈、不銹鋼材質(zhì)、碳布、碳刷中的任一 種。

　　5.根據(jù)權利要求1或2所述的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， 其特征在于，所述陰極材料表面通過富錳基氧化物、大環(huán)金屬化合物或者Pt-Au等代Pt 或者低Pt催化劑進行表面修飾。

　　6.根據(jù)權利要求1所述的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，其特 征在于，所述微生物燃料電池型人工濕地主體的陽極填料層、陰極填料層的填料采用礫 石、石墨顆粒、陶粒中的一種，所述絕緣填料層的填料采用礫石、陶粒中的一種。

　　7.根據(jù)權利要求1所述的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，其特 征在于，所述陽極填料層的填料粒徑為15-30mm;所述絕緣填料層的填料粒徑為5-15mm。

　　8.根據(jù)權利要求1所述的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，其特 征在于，所述曝氣裝置為微孔曝氣裝置，安裝在陰極填料層底部的鋪設的進氣管上，微 孔曝氣裝置之間的行距為0.5m-1.0m，微孔曝氣裝置的孔間距為0.3m-0.5m，形成曝氣區(qū)。

　　9.根據(jù)權利要求1所述的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，其特 征在于，超級電容器的額定電壓為2.3V、2.5V、2.7V中的一種，其容量在1F-20F之間。

　　10.根據(jù)權利要求1所述的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，其特 征在于，水生植物選自蘆葦、美人蕉、香蒲或者菖蒲中的一種;外接導線為鈦絲，并且 連接處進行絕緣密封處理。

　　說明書

　　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

　　技術領域：

　　本發(fā)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(zhuǎn)化為電能的裝置，從能源 利用和環(huán)境保護的角度來看，這一技術既可降解有機污染物，凈化環(huán)境，同時又能產(chǎn)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(huán)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(tài)系統(tǒng)，它應用生態(tài)系統(tǒng)中物種共生、物質(zhì)循環(huán)再生原理，遵 循結構與功能協(xié)調(diào)原則，在促進廢水中污染物質(zhì)良性循環(huán)的前提下，充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛 力，防止環(huán)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(wěn)定可靠;具有良好的景觀效應、 經(jīng)濟效益等優(yōu)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(zhuǎn)化水中的有機質(zhì)產(chǎn)生電子、質(zhì)子以及其它的一些有 機物，其中質(zhì)子通過隔膜材料到達陰極，電子經(jīng)過外電路傳遞到陰極，在陰極，電子、質(zhì)子 以及電子受體發(fā)生反應，從而完成電流傳遞過程，即微生物燃料電池的產(chǎn)電過程，在這個過 程中，如果將所產(chǎn)生的電能加以利用，會產(chǎn)生可觀的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。介質(zhì)(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(zhì)上的微生物 處于厭氧狀態(tài)，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(huán)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(tài)保護功能和社會經(jīng)濟功能，隨著城市的發(fā)展,各地紛紛掀起了建 設城市濕地公園的熱潮，為了迎合現(xiàn)代化城市夜間景觀發(fā)展的需要，夜間景觀燈的建設已經(jīng) 成為現(xiàn)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(jīng)濟成本和環(huán)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(huán)境，美化環(huán)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(fā)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(chǎn)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(fā)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(chǎn)生的能量較難實現(xiàn)間歇式操作。

　　此外，人工濕地內(nèi)溶解氧的濃度相對較低，隨著氧的利用離根毛較遠的區(qū)域呈現(xiàn)缺氧狀 態(tài),更遠的區(qū)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(chǎn) 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(chǎn)生能量較難實現(xiàn)間歇式操 作。

　　發(fā)明內(nèi)容：

　　本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)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(chǎn)能于一體，成本低，易維護，整個過程不需 要外加電壓，所產(chǎn)生的電能可根據(jù)需要應用于系統(tǒng)內(nèi)，從而實現(xiàn)污水處理和資源高效循環(huán)利 用，特別適用于城市濕地公園。

　　本發(fā)明是通過以下技術方案予以實現(xiàn)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(tǒng);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(diào)節(jié)的曝氣裝置;所述集電儲能系統(tǒng)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(huán)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(fā)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(lián)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(lián)，通過控制第一開關和第二開關的開關來實現(xiàn)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(cè)下部設有進水口，另一側(cè)的頂部設有出水口。

　　所述陽極材料是打孔石墨板。

　　特別地，打孔石墨板的通孔為1-100排，每排通孔1-1500個，通孔的直徑為10-300mm。

　　設在陽極填料層的1-1000塊打孔石墨板采用折流方式串接而成。

　　所述陰極電極材料選自活性炭、炭氈、不銹鋼材質(zhì)、碳布、碳刷中的任一種。

　　所述陰極材料表面可以通過富錳基氧化物、大環(huán)金屬化合物或者Pt-Au等代Pt或者低Pt 催化劑進行表面修飾。

　　所述微生物燃料電池型人工濕地主體的陽極填料層、陰極填料層的填料采用礫石、石墨 顆粒、陶粒中的一種;所述絕緣填料層的填料采用礫石、陶粒中的一種。

　　所述陽極填料層的填料粒徑優(yōu)選為15-30mm。

　　所述絕緣填料層的填料粒徑優(yōu)選為5-15mm。

　　所述曝氣裝置優(yōu)選為微孔曝氣裝置，安裝在陰極填料層底部的鋪設的進氣管上，微孔曝 氣裝置之間的行距為0.5m-1.0m，微孔曝氣裝置的孔間距為0.3m-0.5m，形成曝氣區(qū)。

　　超級電容器的額定電壓為2.3V、2.5V、2.7V中的一種，其容量在1F-20F之間。

　　水生植物選自蘆葦、美人蕉、香蒲或者菖蒲中的一種。

　　外接導線優(yōu)選為鈦絲，并且連接處要進行絕緣密封處理。

　　本發(fā)明具有以下的優(yōu)點和效益：

　　1)和傳統(tǒng)的濕地相比，微生物燃料電池型濕地對污水的處理效果更好。

　　2)和其它的微生物燃料電池型人工濕地相比，本發(fā)明陽極區(qū)電極由打孔石墨板采用折流 串聯(lián)式構成，這種連接方式可增大陽極的面積，同時還能實現(xiàn)推流式進水，增加污水和電極 的接觸時間，增強處理效果。

　　3)和其它的微生物燃料電池型人工濕地相比，本發(fā)明通過可調(diào)節(jié)的微孔曝氣器裝置，陰 極補氧更充足，反應效率更高.

　　4)LED燈組所需的電能比較低，完全可以利用微生物燃料電池型濕地所產(chǎn)生的電能， 不需要外加電壓，實現(xiàn)污水的資源化利用。

　　5)隨著濕地公園的城市化進程的推進，其夜間景觀建設的投入力度不斷加大，本發(fā)明利 用體系本身所產(chǎn)生電能，并用于濕地公園景觀建設，在實現(xiàn)廢水生態(tài)凈化的同時將其內(nèi)部蘊 涵的能量轉(zhuǎn)化為電能，并加以儲存利用，實現(xiàn)污水處理概念的創(chuàng)新，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/P>