申請(qǐng)日2013.09.29
公開(公告)日2014.01.01
IPC分類號(hào)C02F3/32; H01M8/16; C02F3/34
摘要
本發(fā)明公開了一種用于污水凈化并同步持續(xù)產(chǎn)電的方法及裝置，步驟：A、在復(fù)合垂直流人工濕地填充填料;B、在復(fù)合垂直流人工濕地下行流池種植濕地植物;C、在下行流池濕地植物根系間埋入陽(yáng)極集電極，與導(dǎo)線相連;D、將外陽(yáng)極集電極的導(dǎo)線與陰極集電極的導(dǎo)線通過負(fù)載連接;E、在下行流池中接種污水處理廠回流池中的活性污泥;F、得到的出水為凈化后的水，而帶動(dòng)負(fù)載的電量即為產(chǎn)生和回收的電能。裝置包括上下行流池、進(jìn)水管、布配水管、下行流池導(dǎo)電填料層、下行流池普通填料層、上行流池普通填料層、上行流池導(dǎo)電填料層、陰極集電極、密封塞、密封蓋、連接導(dǎo)線、負(fù)載。方法簡(jiǎn)單易行，操作簡(jiǎn)便，在實(shí)現(xiàn)污水的凈化的同時(shí)同步持續(xù)回收電能。
權(quán)利要求書
1.一種用于污水凈化并同步持續(xù)產(chǎn)電的方法，其步驟是：
A、在復(fù)合垂直流人工濕地下行流池(1)和上行流池(2)中按上、中、下三層分別填充填料;在下行流池(1)和上行流池(2)的上層填充導(dǎo)電材質(zhì)的填料，使得下行流池導(dǎo)電填料層(陽(yáng)極區(qū))(7)厚度28-32cm，上行流池導(dǎo)電填料層(陰極區(qū))(13)厚度18-22cm;在下行流池(1)和上行流池(2)的中層填充非導(dǎo)電材質(zhì)填料，厚度13-17cm;在下行流池(1)和上行流池(2)的下層填充為非導(dǎo)電材質(zhì)的填料，厚度8-12cm;
B、在下行流池電填料層(陽(yáng)極區(qū))(7)中種濕地植物A(5)和濕地植物B(6)，濕地植物A(5)和濕地植物B(6)為千屈菜、茭白、美人蕉、水田茅、大米草、野古草、菖蒲、蘆葦、象草、花葉蘆荻、鳶尾其中的任意兩種，植物根系(10)在導(dǎo)電填料層(7)中;
C、在下行流池(1)濕地植物根系(10)間埋入陽(yáng)極集電極(21)的一端，陽(yáng)極集電極(21)的另一端穿出下行流池導(dǎo)電填料層(陽(yáng)極區(qū))(7)，并與導(dǎo)線(19)相連;在上行流池導(dǎo)電填料層(陰極區(qū))(13)中埋入陰極集電極(16)的一端，陰極集電極(16)的另一端穿過密封蓋(18)，并與導(dǎo)線(19)相連，陰極集電極(16)穿出密封蓋(18)的部分用密封塞(17)密封;
D、將與陽(yáng)極集電極穿出下行流池導(dǎo)電填料層的一端相連的導(dǎo)線與陰極集電極一端的導(dǎo)線通過負(fù)載連接;
E、在下行流池中接種污水處理廠回流池中的活性污泥，并泵入污水馴化10-14天;
F、在白天，污水分四次進(jìn)入，兩次間隔3-4小時(shí);在晚上，污水連續(xù)泵入;
G、按上述步驟得到的出水為凈化后的水，同時(shí)帶動(dòng)負(fù)載(20)的電量即為產(chǎn)生和回收的電能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于污水凈化和同步持續(xù)產(chǎn)電的裝置，其特征在于：所述的陽(yáng)極集電極(21)、陰極集電極(16)的材質(zhì)為碳棒或石墨棒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于污水凈化和同步持續(xù)產(chǎn)電的方法，其特征在于：所述的密封蓋(18)置于上行流池(2)頂部，距離出水集水管(14)上方5-8cm高。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于污水凈化和同步持續(xù)產(chǎn)電的方法，其特征在于：所述的下行流池(1)為1.5m×1.0m×0.8m的水泥池，下行流池(1)底層為下、上行流池連通層(9)，所填充的非導(dǎo)電材質(zhì)的填料為0.5-1cm粒徑的礫石，下行流池(1)中層為下行流池普通填料層(8)，所填充的非導(dǎo)電材質(zhì)的填料為3-5mm粒徑的砂，下行流池(1)上層為下行流池導(dǎo)電填料層(陽(yáng)極區(qū))(7)，所填充的可導(dǎo)電材質(zhì)的填料是0.5-2mm粒徑的顆�；钚蕴浚畛涿芏葹�0.45-0.55g/cm3，或者是1-4mm粒徑的顆粒石墨，填充密度為1.8-2.0g/cm3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于污水凈化和同步持續(xù)產(chǎn)電的方法，其特征在于：上行流池(2)為0.5m×1.0m×0.8m的水泥池，上行流池(2)底層為下、上行流池連通層(9)，所填充的非導(dǎo)電材質(zhì)的填料為0.5-1cm粒徑的礫石;上行流池(2)中層為上行流池普通填料層(12)，所填充的非導(dǎo)電材質(zhì)的填料為3-5mm粒徑的砂;上行流池(2)上層為上行流池導(dǎo)電填料層(陰極區(qū))(13)，所填充的可導(dǎo)電材質(zhì)的填料是0.5-2mm粒徑的顆�；钚蕴�，填充密度為0.45-0.55g/cm3，或者是1-4mm粒徑的顆粒石墨，填充密度為1.8-2.0g/cm3。
說(shuō)明書
一種用于污水凈化并同步持續(xù)產(chǎn)電的方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于水處理技術(shù)和新能源領(lǐng)域，具體涉及一種用于污水凈化并同步持續(xù)產(chǎn)電的方 法，同時(shí)還涉及一種污水凈化并同步持續(xù)產(chǎn)電的裝置，尤其涉及人工濕地生態(tài)工程技術(shù)在凈 化污水的同時(shí)通過濕地中的植物和微生物將太陽(yáng)能、化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的應(yīng)用。
背景技術(shù)
能源危機(jī)和環(huán)境污染以及由此產(chǎn)生的社會(huì)、氣候問題等已經(jīng)成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。以 “減量化、資源化和再利用”為原則發(fā)展清潔能源和循環(huán)經(jīng)濟(jì)，是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友 好型社會(huì)和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。開發(fā)、利用以太陽(yáng)能、核能、風(fēng)能、生物質(zhì)能為主 的清潔能源是替代傳統(tǒng)能源，解決能源危機(jī)的必然選擇，也是我國(guó)未來(lái)能源發(fā)展的戰(zhàn)略要求。
微生物太陽(yáng)能電池作為一種將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)是最近幾年發(fā)展起來(lái)的，通 過高等植物或光合微生物在太陽(yáng)光照射下進(jìn)行光合作用，產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)一步被微生物燃 料電池轉(zhuǎn)化成電能(D.P.B.T.B.Strik,H.V.M.Hamelers,and C.J.N.Buisman,Solar Energy Powered Microbial Fuel Cell with a Reversible Bioelectrode,in Environmental Science& Technology,2010,pp.532-537;D.P.B.T.B.Strik,R.A.Timmers,M.Helder,K.J.J.Steinbusch, H.V.M.Hamelers,and C.J.N.Buisman,Microbial solar cells:applying photosynthetic and electrochemically active organisms,in Trends in Biotechnology,2011,pp.41-49.)。
人工濕地是模仿自然生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)上的強(qiáng)化和改造，利用不同自然條件下水生生物多樣 性進(jìn)行群落時(shí)空優(yōu)化的污水凈化系統(tǒng)，是最接近自然的人工生態(tài)系統(tǒng)之一，是植物的溫床(吳 振斌,復(fù)合垂直流人工濕地,科學(xué)出版社,北京,2008.)。根據(jù)最新的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，截止到2010 年，在歐洲至少有1200座處理城市污水的人工濕地，北美地區(qū)有超過1500座處理城市污水 和多種工業(yè)廢水的濕地系統(tǒng)(Knight R L,and K.R.H,Constructed treatment wetlands-a global technology,in water21,2000,pp.57-58;J.Vymazal,Constructed Wetlands for Wastewater Treatment:Five Decades of Experience,in Environmental Science&Technology,2011,pp. 61-69.);在我國(guó)，已經(jīng)建造與運(yùn)行的各類人工濕地約有700例，而且處理規(guī)模和數(shù)量均呈現(xiàn) 逐年上升趨勢(shì)(T.Zhang,D.Xu,F.He,Y.Zhang,and Z.Wu,Application of constructed wetland for water pollution control in China during1990-2010,in Ecological Engineering,2012,pp. 189-197.)。復(fù)合垂直流人工濕地(IVCW)(專利號(hào)：ZL00114693.9)采用獨(dú)特的下行、水平、 上行結(jié)構(gòu)，以低廉的投資運(yùn)行成本、較高的N、P去除率、簡(jiǎn)單的管理維護(hù)、較好的生態(tài)環(huán) 境效益等諸多優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于污水的處理或受污染水體的修復(fù)中。
人工濕地與微生物太陽(yáng)能電池可通過濕地植物、微生物、基質(zhì)、電極實(shí)現(xiàn)一體化結(jié)合， 形成濕地-微生物太陽(yáng)能電池(CW-MSC)耦合系統(tǒng)，可利用濕地植物光合作用將太陽(yáng)能直接 轉(zhuǎn)化為電能，在污水凈化同時(shí)回收電能，將成為分散式持續(xù)可再生能源發(fā)電的一種新模式， 具有良好的發(fā)展前景。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提供了一種用于污水凈化并同步持續(xù)產(chǎn)電的方法，該方法簡(jiǎn)單易行， 操作簡(jiǎn)便，在實(shí)現(xiàn)污水的凈化的同時(shí)同步持續(xù)回收電能。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是在于提供了一種用于污水凈化和同步產(chǎn)電的裝置，該裝置可實(shí)現(xiàn) 污水的凈化，并以污水中的有機(jī)物以及濕地植物根系分泌的有機(jī)物作為營(yíng)養(yǎng)，通過產(chǎn)電微生 物將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能后加以回收利用;可成為分散式持續(xù)可再生能源發(fā)電的一種新模式。
為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)措施：
技術(shù)方案：本發(fā)明的核心由一種垂直流人工濕地(IVCW)與電極、外接負(fù)載電路等組件 通過一定方式組合，形成IVCW-MSC耦合系統(tǒng)。通過結(jié)構(gòu)和工藝的優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)凈化污 水與持續(xù)產(chǎn)電同步進(jìn)行。
一種用于污水凈化并同步持續(xù)產(chǎn)電的方法，其步驟是：
1、在復(fù)合垂直流人工濕地下行流池和上行流池中分上、中、下三層分別填充填料。其 中，上層填料為可導(dǎo)電材質(zhì)的顆�；钚蕴炕蛘呤�，下行流池上層導(dǎo)電填料層厚度 28-32cm，上行流池上層導(dǎo)電填料層厚度18-22cm;若填充顆�；钚蕴浚淞綖� 0.5-2mm，填充密度為0.45-0.55g/cm3，若填充顆粒石墨，其粒度為1-4mm，填充 密度為1.8-2.0g/cm3。中層填料為非導(dǎo)電材質(zhì)的河砂，厚度13-17cm，粒徑為3-5mm。 下層填料為非導(dǎo)電材質(zhì)的礫石，厚度8-12cm，粒徑為0.5-1cm。
2、在復(fù)合垂直流人工濕地下行流池導(dǎo)電填料層中種植濕地植物，濕地植物為千屈菜、 茭白、美人蕉、水田茅、大米草、野古草、菖蒲、蘆葦、象草、花葉蘆荻、鳶尾其 中的任意兩種。并保證植物根系大部分在下行流池導(dǎo)電填料層中。
3、在下行流池濕地植物根系間埋入陽(yáng)極集電極的一端，陽(yáng)極集電極的另一端穿出下行 流池導(dǎo)電填料層，并與導(dǎo)線相連;在上行流池導(dǎo)電填料層中埋入陰極集電極的一端， 陰極集電極的另一端穿過上行流池密封蓋，并與導(dǎo)線相連，陰極集電極穿出上行流 池密封蓋的部分用密封塞密封。
4、將與陽(yáng)極集電極穿出下行流池導(dǎo)電填料層的一端相連的導(dǎo)線與陰極集電極一端的導(dǎo) 線通過負(fù)載連接。
5、裝置外陽(yáng)極集電極一端的導(dǎo)線與陰極集電極一端的導(dǎo)線通過負(fù)載連接。
6、在下行流池中接種污水處理廠回流池中的活性污泥，并泵入污水馴化10-14天。
7、在白天，污水分四次進(jìn)入，兩次間隔3-4小時(shí);在晚上，污水連續(xù)泵入。
8、按上述步驟得到的出水為凈化后的水，同時(shí)帶動(dòng)負(fù)載的電量即為產(chǎn)生和回收的電能。
一種用于污水凈化和同步持續(xù)產(chǎn)電的裝置，它由下行流池、上行流池、污水進(jìn)水管、污 水布配水管、濕地植物A、濕地植物B、下行流池導(dǎo)電填料層(陽(yáng)極區(qū))、下行流池普通填 料層、下、上行流池底部連通層、濕地植物根系、濕地內(nèi)部隔墻、上行流池普通填料層、上 行流池導(dǎo)電填料層(陰極區(qū))、出水集水管、氣孔、陰極集電極、密封塞、密封蓋、連接導(dǎo) 線、負(fù)載、陽(yáng)極集電極組成。其連接關(guān)系是：下行流池與上行流池通過濕地內(nèi)部隔墻分隔成 兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的區(qū)間，下行流池和上行流池的底部通過下、上行流池底部連通層連通。下行 流池內(nèi)自上而下分別為濕地植物A和濕地植物B、污水布配水管、下行流池導(dǎo)電填料層(陽(yáng) 極區(qū))、下行流池普通填料層、下、上行流池底部連通層;濕地植物A和濕地植物B栽種在 下行流池導(dǎo)電填料層中，并且濕地植物根系主要生長(zhǎng)分布于下行流池導(dǎo)電填料層中;污水進(jìn) 水管與污水布配水管連接;陽(yáng)極集電極一端埋入植物根系間，陽(yáng)極集電極另一端穿過下行流 池導(dǎo)電填料層(陽(yáng)極區(qū))。上行流池內(nèi)自下而上分別為下、上行流池底部連通層、上行流池 普通填料層、上行流池導(dǎo)電填料層(陰極區(qū))、出水集水管、上行流池密封蓋;出水集水管 位于上行流池導(dǎo)電填料層(陰極區(qū))表面，并穿過上行流池外墻壁;上行流池密封蓋位于出 水集水管上部一定位置處，上行流池密封蓋上有兩個(gè)對(duì)稱的氣孔。陰極集電極一端埋入上行 流池導(dǎo)電填料層(陰極區(qū))中，上行流池導(dǎo)電填料層另一端穿過上行流池密封蓋，并用密封 塞密封。陽(yáng)極集電極穿出下行流池導(dǎo)電填料層(陽(yáng)極區(qū))的一端與導(dǎo)線相連，陰極集電極穿 過上行流池密封蓋的一端與導(dǎo)線相連，負(fù)載位于陽(yáng)極集電極和陰極集電極之間，兩端分別連 接導(dǎo)線。
在上述方法和裝置中：
所述的下行流池為1.5m×1.0m×0.8m(長(zhǎng)×寬×高)的水泥池。
所述的上行流池為0.5m×1.0m×0.8m(長(zhǎng)×寬×高)的水泥池。
所述的下行流池底層為連通層，深10cm，填充粒徑為0.5-1cm的礫石。
所述的下行流池中層為普通填料層，深15cm，填充粒徑為3-5mm的砂。
所述的下行流池上層為導(dǎo)電填料層，深30cm，填充粒徑為0.5-2mm的顆粒活性炭，填 充密度為0.45-0.55g/cm3，或者填充粒徑為1-4mm的顆粒石墨，填充密度為1.8-2.0g/cm3。
所述的上行流池底層為連通層，深10cm，填充粒徑為0.5-1cm的礫石。
所述的上行流池中層為普通填料層，深15cm，填充粒徑為3-5mm的砂。
所述的上行流池上層為導(dǎo)電填料層，深20cm，填充粒徑為0.5-2mm的顆粒活性炭，填 充密度為0.45-0.55g/cm3，或者填充粒徑為1-4mm的顆粒石墨，填充密度為1.8-2.0g/cm3。
所述的下行流池中種植的濕地植物為千屈菜、茭白、美人蕉、水田茅、大米草、野古草、 菖蒲、蘆葦、象草、花葉蘆荻、鳶尾中的兩種或兩種至十一種任意組合。
所述的陽(yáng)極集電極為碳棒或石墨棒，一端埋入下行流池中間的導(dǎo)電填料層里，另一端穿 出下行流池導(dǎo)電填料層。
所述的陰極集電極為碳棒或石墨棒，一端埋入上行流池中間的導(dǎo)電填料層里，另一端穿 過密封蓋，用密封塞密封。
所述的上行流池密封蓋置于上行流池頂部，距離出水集水管上方5-8cm。以避免上行流 池表面填料與大氣接觸，保證上行流池的缺氧、厭氧性。
所述的上行流池密封塞為圓柱體，內(nèi)部開孔，包裹住陰極集電極棒，材質(zhì)可為橡膠、木 質(zhì)。
所述氣孔對(duì)稱開在上行流池密封蓋上，帶孔帽。
所述的外接電路是用一根導(dǎo)線的一端連接到陽(yáng)極集電碳棒伸出填料的一端，導(dǎo)線的另一 端連接負(fù)載，負(fù)載的另一端連接另外一根導(dǎo)線，這根導(dǎo)線的另一端與陰極集電極棒穿出密封 蓋的一端相連接。這些導(dǎo)線和負(fù)載將陽(yáng)極集電碳棒與陰極集電碳棒連接起來(lái)形成的有電流、 電壓的電路即為外接電路。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果：
1、將人工濕地與微生物太陽(yáng)能電池有機(jī)結(jié)合，利用人工濕地中濕地植物的光合作用將 太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，存儲(chǔ)在植物體中;濕地植物根系分泌的有機(jī)物以及污水中的有機(jī)物 進(jìn)一步被產(chǎn)電活性菌利用并轉(zhuǎn)換為電能加以回收利用。沒有引入微生物太陽(yáng)能電池時(shí)，污 水在濕地植物、基質(zhì)、微生物的綜合作用下得到凈化。引入微生物太陽(yáng)能電池后，人工濕 地系統(tǒng)中增加了產(chǎn)電活性菌，污水中的有機(jī)物可被產(chǎn)電活性菌利用將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔? 系統(tǒng)中的硝酸鹽除了被反硝化菌異氧反硝化外，還可以被自養(yǎng)型電化學(xué)生物反硝化菌還原。
2、將復(fù)合垂直流人工濕地的下行流池導(dǎo)電填料層用作陽(yáng)極區(qū)，上行流池導(dǎo)電填料層用 作陰極區(qū)的方法，使得在復(fù)合垂直流人工濕地內(nèi)隔墻的作用下形成了陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)的自 然分隔。陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)不設(shè)置離子交換膜，利用復(fù)合垂直流人工濕地下行流池和上行流 池底部的連通層實(shí)現(xiàn)質(zhì)子和其他離子隨水流到達(dá)陰極區(qū)，避免了通常雙室結(jié)構(gòu)中因氫離子 (H+)以外的陽(yáng)離子或氫氧根離子(OH-)以外的陰離子透過離子交換膜進(jìn)入陰極而形成的 陽(yáng)極區(qū)酸化、陰極區(qū)堿化的問題。進(jìn)一步使得陽(yáng)極區(qū)種植的植物不會(huì)因?yàn)殛?yáng)極酸化而死亡， 保證了裝置持續(xù)產(chǎn)電的性能。
3、突破了傳統(tǒng)微生物燃料電池結(jié)構(gòu)上的陽(yáng)極厭氧、陰極好氧設(shè)置，而是采用陽(yáng)極區(qū)種 植植物形成敞開式好氧、局部缺氧、厭氧的環(huán)境;陰極區(qū)不種植物，形成封閉的厭氧環(huán)境。 非厭氧生物陽(yáng)極以及厭氧生物陰極的設(shè)置不但可以利用植物根系沉積物作為電子來(lái)源，還 可通過陰極區(qū)硝酸鹽代替氧作為電子受體，通過電化學(xué)生物反硝化菌對(duì)硝酸鹽的還原提高 脫氮能力，可實(shí)現(xiàn)微生物在低碳源或無(wú)碳源條件下的硝酸鹽去除。并且形成的厭氧生物陰 極可以避免由于氧氣消耗電子導(dǎo)致庫(kù)倫效率的下降。
4、在下行流池導(dǎo)電填料層(陽(yáng)極區(qū))內(nèi)種植高等水生植物，植物根際分泌的有機(jī)沉積 物可作為電子供體，在陽(yáng)極區(qū)電化學(xué)活性菌催化下，產(chǎn)生電子。采用半連續(xù)運(yùn)行方式，可 充分利用太陽(yáng)能和生物質(zhì)能。即白天有陽(yáng)光時(shí)，采用分次間歇進(jìn)水方式，充分利用植物的 光合作用，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成有機(jī)物的化學(xué)能，通過產(chǎn)電菌群將濕地植物根系分泌的有機(jī)物 (電子供體)氧化，產(chǎn)生電子。夜晚植物不進(jìn)行光合作用時(shí)，采用連續(xù)進(jìn)水方式，有利于 產(chǎn)電量的持續(xù)與穩(wěn)定。對(duì)于具備分散難收集，水質(zhì)水量波動(dòng)大等特點(diǎn)的農(nóng)村生活污水，此 種運(yùn)行方式尤其適用，可實(shí)現(xiàn)分散處理并部分回收電能。
5、可在污水凈化同時(shí)持續(xù)產(chǎn)生并回收電能。人工濕地作為植物的溫床，與微生物太陽(yáng) 能電池(MSC)結(jié)合后在實(shí)現(xiàn)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能的同時(shí)，可不占用農(nóng)用耕地，還具 有一定的生產(chǎn)能力和景觀美化性。該裝置將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能后加以回收利用，可成為分 散式持續(xù)可再生能源發(fā)電的一種新模式，具有良好的應(yīng)用前景.
