申請日2013.09.29
公開(公告)日2014.04.02
IPC分類號C02F3/32; H01M8/16; C02F3/34
摘要
本實用新型公開了一種用于污水凈化和同步持續(xù)產(chǎn)電的裝置，下行流池與上行流池通過濕地內(nèi)部隔墻分隔成兩個區(qū)間，下行流池和上行流池的底部通過下、上行流池連通，污水進(jìn)水管與污水布配水管連接，陽極集電極一端埋入植物根系間，出水集水管位于上行流池導(dǎo)電填料層表面，穿過上行流池，上行流池密封蓋位于出水集水管上部，陰極集電極一端埋入上行流池導(dǎo)電填料層中，另一端穿過上行流池密封蓋，陽極集電極穿出下行流池導(dǎo)電填料層與導(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)載位于陽極集電極和陰極集電極之間，兩端分別連接導(dǎo)線。實現(xiàn)污水的凈化，通過產(chǎn)電微生物將太陽能轉(zhuǎn)化為電能后加以回收利用;成為再生能源發(fā)電的一種模式。
權(quán)利要求書
1.一種用于污水凈化和同步持續(xù)產(chǎn)電的裝置，它包括下行流池(1)、上行流池(2)、濕地植物A(5)、下行流池導(dǎo)電填料層(7)、下行流池普通填料層(8)、上行流池普通填料層(12)、上行流池導(dǎo)電填料層(13)、陰極集電極(16)、陽極集電極(21)，其特征在于：下行流池(1)與上行流池(2)通過濕地內(nèi)部隔墻(11)分隔成兩個區(qū)間，下行流池(1)和上行流池(2)的底部通過下、上行流池底部連通層(9)連通，下行流池(1)內(nèi)自上而下分別為濕地植物A(5)和濕地植物B(6)、污水布配水管(4)、下行流池導(dǎo)電填料層(7)、下行流池普通填料層(8)、下、上行流池底部連通層(9)，濕地植物A(5)和濕地植物B(6)栽種在下行流池導(dǎo)電填料層(7)中，濕地植物根系(10)分布于下行流池導(dǎo)電填料層(7)中，污水進(jìn)水管(3)與污水布配水管(4)連接，陽極集電極(21)一端埋入植物根系(10)間，陽極集電極(21)另一端穿過下行流池導(dǎo)電填料層(7)，上行流池(2)內(nèi)自下而上分別為下、上行流池底部連通層(9)、上行流池普通填料層(12)、上行流池導(dǎo)電填料層(13)、出水集水管(14)、密封蓋(18)，出水集水管(14)位于上行流池導(dǎo)電填料層(13)表面，并穿過上行流池(2)外墻壁，密封蓋(18)位于出水集水管(14)上部，密封蓋(18)上有兩個對稱的氣孔(15)，陰極集電極(16)一端埋入上行流池導(dǎo)電填料層(13)中，上行流池導(dǎo)電填料層(13)另一端穿過密封蓋(18)，并用密封塞(17)密封，陽極集電極(21)穿出下行流池導(dǎo)電填料層(7)的一端與導(dǎo)線(19)相連，陰極集電極(16)穿過密封蓋(18)的一端與導(dǎo)線(19)相連，負(fù)載(20)位于陽極集電極(21)和陰極集電極(16)之間，兩端分別連接導(dǎo)線(19)。
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、鳶尾中的任意一種。
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)電的裝置，其特征在于：所述的陽極集電極(21)和陰極集電極(16)的材質(zhì)為碳棒或石墨棒。
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)電的裝置，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。
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)電的裝置，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)底層的下、上行流池底部連通層(9)填充粒徑為0.5-1cm的礫石，厚度為10cm;下行流池(1)中層的下行流池普通填料層(8)填充粒徑為3-5mm的砂，厚度為15cm;下行流池(1)上層的下行流池導(dǎo)電填料層(7)填充粒徑為0.5-2mm的顆�；钚蕴�，厚度為30cm，填充密度為0.45-0.55g/cm3。
6.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：上行流池(2)為0.5m×1.0m×0.8m的水泥池，上行流池(2)底層的下、上行流池底部連通層(9)填充粒徑為0.5-1cm的礫石，厚度為10cm;上行流池(2)中層的上行流池普通填料層(12)填充粒徑為3-5mm的砂，厚度為15cm;上行流池(2)上層的上行流池導(dǎo)電填料層(13)填充粒徑為0.5-2mm的顆�；钚蕴�，厚度為20cm，填充密度為0.45-0.55g/cm3。
說明書
一種用于污水凈化并同步持續(xù)產(chǎn)電的裝置
技術(shù)領(lǐng)域
本實用新型屬于水處理技術(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)在凈化污水的同時通過濕地中的植物和微生物將太陽能、 化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的應(yīng)用。
背景技術(shù)
能源危機和環(huán)境污染以及由此產(chǎn)生的社會、氣候問題等已經(jīng)成為全世界關(guān)注的焦點。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，是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友 好型社會和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。開發(fā)、利用以太陽能、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，解決能源危機的必然選擇，也是我國未來能源發(fā)展的戰(zhàn)略要求。
微生物太陽能電池作為一種將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)是最近幾年發(fā)展起來的，通 過高等植物或光合微生物在太陽光照射下進(jìn)行光合作用，產(chǎn)生的有機物質(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，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，已經(jīng)建造與運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(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：ZL00114693.9)采用獨特的下行、水平、 上行結(jié)構(gòu)，以低廉的投資運行成本、較高的N、P去除率、簡單的管理維護(hù)、較好的生態(tài)環(huán) 境效益等諸多優(yōu)勢廣泛應(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能電池可通過濕地植物、微生物、基質(zhì)、電極實現(xiàn)一體化結(jié)合， 形成濕地-微生物太陽能電池(CW-MSC)耦合系統(tǒng)，可利用濕地植物光合作用將太陽能直接 轉(zhuǎn)化為電能，在污水凈化同時回收電能，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
本實用新型的目的是在于提供了一種用于污水凈化和同步持續(xù)產(chǎn)電的裝置，該裝置可實 現(xiàn)污水的凈化，并以污水中的有機物以及濕地植物根系分泌的有機物作為營養(yǎng)，通過產(chǎn)電微 生物將太陽能轉(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)電的一種模式。
為了實現(xiàn)上述的目的，本實用新型采用以下技術(shù)措施：
技術(shù)方案：本實用新型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 微生物燃料電池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，實現(xiàn)凈化污水與產(chǎn)電同步進(jìn)行。
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 兩個相對獨立的區(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 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;陽極集電極一端埋入植物根系間，陽極集電極另一端穿過下行流 池導(dǎo)電填料層(陽極區(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對稱的氣孔。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。陽極集電極穿出下行流池導(dǎo)電填料層(陽極區(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)載位于陽極集電極和陰極集電極之間，兩端分別連 接導(dǎo)線。
所述的下行流池為1.5m×1.0m×0.8m(長×寬×高)的水泥池。
所述的上行流池為0.5m×1.0m×0.8m(長×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、鳶尾中的兩種或多種。
所述的陽極集電極為碳棒或石墨，一端埋入下行流池導(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，一端埋入上行流池中間的導(dǎo)電填料層里，另一端穿過 上行流池密封蓋，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)線的一端連接到陽極集電極伸出填料的一端，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穿出上行流池 密封蓋的一端相連接。這些導(dǎo)線和負(fù)載將陽極集電極與陰極集電極連接起來形成的有電流、 電壓的電路即為外接電路。
本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和效果：
1、本裝置將復(fù)合垂直流人工濕地的下行流池導(dǎo)電填料層用作陽極區(qū)，上行流池導(dǎo)電填 料層用作陰極區(qū)，在復(fù)合垂直流人工濕地內(nèi)隔墻的作用下形成了陽極區(qū)和陰極區(qū)的自然分 隔。陰極區(qū)和陽極區(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)入陰極而造成的陽極區(qū) 酸化、陰極區(qū)堿化的問題。進(jìn)一步使得陽極區(qū)種植的植物不會因為陽極酸化而死亡，保證 了裝置持續(xù)產(chǎn)電的性能。
2、本裝置突破了傳統(tǒng)微生物燃料電池結(jié)構(gòu)上的陽極厭氧、陰極好氧設(shè)置，而是采用陽 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)生物反硝化菌對硝酸鹽的 還原提高脫氮能力，可實現(xiàn)微生物在低碳源或無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)致庫倫效率的下降。
3、本裝置在下行流池導(dǎo)電填料層(陽極區(qū))內(nèi)種植高等水生植物，植物根際分泌的有 機沉積物可作為電子供體，在陽極區(qū)電化學(xué)活性菌催化下，產(chǎn)生電子。采用半連續(xù)運行方 式，可充分利用太陽能和生物質(zhì)能。即白天有陽光時，采用分次間歇進(jìn)水方式，充分利用 植物的光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化成有機物的化學(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，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。對于具備分散難收集，水質(zhì)水量波動大等特點的農(nóng)村生活污 水，此種運行方式尤其適用，可實現(xiàn)分散處理并部分回收電能。
4、本裝置可在污水凈化同時持續(xù)產(chǎn)生并回收電能。人工濕地作為植物的溫床，與MSC 結(jié)合后在實現(xiàn)將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能的同時，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。
5、本裝置可實現(xiàn)生物質(zhì)產(chǎn)電，卻不產(chǎn)生大量的溫室氣體CO2排放，因為系統(tǒng)中排放 的CO2又可被濕地植物重新利用于光合作用。真正實現(xiàn)了綠色能源的可再生、可持續(xù)和環(huán) 境友好性。
