專利名稱：人工濕地耦合mfc系統(tǒng)及其提高有機物去除效能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于能源與水處理領(lǐng)域，具體涉及適用于污水處理回收電能并提高有機物去除能效的人工濕地耦合MFC (Microbial Fuel Cell，微生物燃料電池)產(chǎn)能水質(zhì)處理方法。

背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，能源和環(huán)境問題日益突出。聯(lián)合國環(huán)境署的報告表明，整個地球的環(huán)境正在全面惡化，環(huán)境問題是一個全球性問題。如果能源和環(huán)境問題得不到有效解決，不僅人類社會可持續(xù)發(fā)展的目標難以實現(xiàn)，而且人類的生存環(huán)境和生活質(zhì)量也會受到嚴重影響。因此，世界各國在能源戰(zhàn)略和政策上更加強調(diào)能源與環(huán)境的關(guān)系，更加注意環(huán)境保護的重要性。在這種國際形勢下，可再生能源以其獨特的優(yōu)勢受到世界各國的重視，開發(fā)和利用可再生能源己經(jīng)成為世界能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，成為大多數(shù)發(fā)達國家和部分發(fā)展中國家21世紀能源發(fā)展戰(zhàn)略的基本選擇。在各種可再生能源中，生物質(zhì)能是獨特的，它不僅是貯存的太陽能，更是唯一一種可再生的碳源。生物質(zhì)能可以從多種廢棄物中獲得，可作為廢物資源化的一種方式，實現(xiàn)資源利用的可持續(xù)發(fā)展。在污水處理領(lǐng)域，隨著近年來生物技術(shù)的不斷發(fā)展，污水的生物處理不但成為該領(lǐng)域的主要技術(shù)，而且在實現(xiàn)污水處理的同時實現(xiàn)了污水的資源化利用。MFC是利用酶或者微生物的催化活性，通過其代謝作用將有機物氧化產(chǎn)生電能的裝置。它屬于生物質(zhì)能利用技術(shù)中的生物化學轉(zhuǎn)化技術(shù)，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為電能。將MFC應用到廢水處理領(lǐng)域，在處理有機廢水的同時獲得電能，是緩解當前能源危機和解決環(huán)境問題的有效途徑，也是環(huán)境能源領(lǐng)域的熱點研究課題之一。人工濕地不僅氮、磷去除能力強、建設(shè)運行成本低、管理維護方便，而且具有好氧 /厭氧兼?zhèn)涞膬?nèi)部環(huán)境、基質(zhì)的高比表面積、較長的水力停留時間和植物根圈效應等優(yōu)點， 使得人工濕地對有機物尤其是難降解有機物的去除具有較高的潛能，也受到了廣泛關(guān)注。 Adria (阿德里亞)等人證明三氯苯通過微生物的還原作用脫氯而轉(zhuǎn)化為單氯苯。微生物降解六氯苯全氯乙烯或多氯聯(lián)苯的過程則是通過還原脫鹵作用，得到的產(chǎn)物，再通過好氧條件下的生物降解過程進一步降解。綜合MFC和人工濕地的優(yōu)勢，在人工濕地中弓I入MFC技術(shù)，將人工濕地下層厭氧環(huán)境的高比表面積基質(zhì)經(jīng)過改性后作為MFC的陽極，將人工濕地的表層基質(zhì)作為MFC的空氣陰極，構(gòu)建人工濕地-MFC，通過濕地系統(tǒng)中種類及數(shù)量豐富的微生物，形成電極-微生物生物電極效應，植物_微生物根際效應，基質(zhì)_微生物生物膜效應，并通過產(chǎn)電微生物促進各種污染物質(zhì)的降解，同時收集產(chǎn)生的電能。人工濕地耦合MFC方法，作為一種復合功能的生物修復方法，不僅具有其獨特的生態(tài)系統(tǒng)，能夠多途徑地凈化污染物質(zhì)，促進有機物尤其是難降解有機污染物的降解，而且能夠回收所產(chǎn)生的電能，實現(xiàn)能源的回收利用和資源的最大化利用，其研究具有非常顯著的現(xiàn)實意義。
目前MFC應用在人工濕地中的研究國內(nèi)外尚未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種人工濕地耦合微生物燃料電池的系統(tǒng)，還在于提供人工濕地耦合微生物燃料電池提高有機物去除效能的方法。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種人工濕地耦合MFC系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)由人工濕地加載MFC構(gòu)成，系統(tǒng)自下至上布有粗沙礫層、活性炭層、絕緣沙礫層、頂層導電材料層以及植物，活性炭層構(gòu)成MFC 的陽極，頂層導電材料層構(gòu)成MFC的陰極，陰、陽極電極分別由導線導出與外接電路連接。一種人工濕地耦合MFC提高有機物去除效能的方法，其特征在于，首先，廢水經(jīng)進水區(qū)進入人工濕地，由底部均勻布水后，沿粗沙礫層呈推流式上升，其中有機物因粗沙礫表面大量微生物生長形成的生物膜吸附、截留、分解而被初步的降解；然后，初步降解的廢水進入活性炭層，該層處于嚴格的厭氧環(huán)境中，并具有高表面積，通過活性炭自身的吸附作用及其上附著微生物的厭氧消化過程，將有機物進行去除，并通過產(chǎn)電菌的活性促成電流的產(chǎn)生，促進了有機物尤其是難降解有機物的降解；接著，廢水流經(jīng)絕緣沙礫層，此層為厭氧和好氧過渡區(qū)，剩余污染物被細沙礫表面附著的生物膜吸附、降解；最后，廢水流入頂層導電材料層，該層一部分浸沒在水中，一部分暴露在空氣中，其間種植植物，空氣中氧的溶解以及植物根系對氧的傳遞釋放使得該層為好氧區(qū)域，剩余污染物進一步通過微生物的增殖、異化以及植物的吸收、根際效應而去除；同時活性炭層構(gòu)成MFC的陽極，頂層導電材料層構(gòu)成MFC的陰極，陽極富集的產(chǎn)電菌降解有機物產(chǎn)生質(zhì)子和電子，電子被導出產(chǎn)電菌胞夕卜，經(jīng)電極和外接電路導至陰極，質(zhì)子隨反應器內(nèi)溶液上流至陰極，在氧氣的參與下，發(fā)生電極反應生成水，完成了產(chǎn)電功能的全過程。本發(fā)明在人工濕地中耦合MFC技術(shù)，將人工濕地下層厭氧環(huán)境的高比表面積基質(zhì)經(jīng)過改性后作為MFC的陽極，將人工濕地的表層基質(zhì)作為MFC的空氣陰極，構(gòu)建單室無膜 MFC型人工濕地，綜合了 MFC和人工濕地的性能優(yōu)勢。一方面，MFC陽極的有利環(huán)境為有機物尤其是難降解有機物的去除提供了基本工作環(huán)境。同時，利用MFC系統(tǒng)內(nèi)部的電子流通， 強化了有機物電子的供給，促進了有機物的降解。另一方面，植物根系和基質(zhì)表面富集大量微生物，并生長形成生物膜，強化吸附分解水中污染物，而根系分泌的小分子化合物和酶幫助提高了微生物活性，進一步促進污染物的降解。整個系統(tǒng)不僅拓展了有機物降解的途徑， 大幅度提高了有機物尤其是難降解性有機物的去除效能，同時提高了 MFC的產(chǎn)電性能，在促進廢水降解的同時獲得了電能，是緩解當前能源危機和解決環(huán)境問題的有效途徑，具有不可估量的發(fā)展?jié)摿Α?br>

圖1是本發(fā)明人工濕地耦合MFC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1-進水區(qū)；2-粗沙礫層；3_活性炭層；4-絕緣沙礫層；5-頂層導電材料層；6-植物；7-植物根系；8-外接電路； 9-外接電路負載；10-出水區(qū)。
圖2是本發(fā)明人工濕地耦合MFC系統(tǒng)的實際應用概念圖。其中，1-進水區(qū)；2-粗沙礫層；3-活性炭層；4-絕緣沙礫層；5-頂層導電材料層；6-植物；7-植物根系；8-外接電路；9-外接電路負載；10-出水區(qū)。
具體實施方式
如圖1和圖2所示，人工濕地耦合MFC系統(tǒng)由人工濕地加載MFC構(gòu)成，系統(tǒng)自下至上布有粗沙礫層、活性炭層、絕緣沙礫層、頂層導電材料層以及植物，活性炭層構(gòu)成MFC的陽極，頂層導電材料層構(gòu)成MFC的陰極，陰、陽極電極分別由導線導出與外接電路連接。人工濕地耦合MFC能大大提高廢水中有機物去除效能，方法及過程如下首先，廢水經(jīng)進水區(qū)進入人工濕地，由底部均勻布水后，沿粗沙礫層呈推流式上升，其中有機物因粗沙礫表面大量微生物生長形成的生物膜吸附、截留、分解而被初步的降解；然后，初步降解的廢水進入活性炭層，該層處于嚴格的厭氧環(huán)境中，并具有高表面積，通過活性炭自身的吸附作用及其上附著微生物的厭氧消化過程，將有機物進行去除，并通過產(chǎn)電菌的活性促成電流的產(chǎn)生，促進了有機物尤其是難降解有機物的降解；接著，廢水流經(jīng)絕緣沙礫層，此層為厭氧和好氧過渡區(qū)，剩余污染物被細沙礫表面附著的生物膜吸附、降解；最后廢水流入頂層導電材料層，該層一部分浸沒在水中，一部分暴露在空氣中，其間種植植物，空氣中氧的溶解以及植物根系對氧的傳遞釋放使得該層為好氧區(qū)域，剩余污染物進一步通過微生物的增殖、異化以及植物的吸收、根際效應而去除。在上述過程中，具有導電特性的活性炭層構(gòu)成了 MFC 的陽極，頂層導電材料層則構(gòu)成了 MFC的陰極，陰、陽極電極分別由導線導出與外接電路連接，陽極富集的產(chǎn)電菌降解有機物產(chǎn)生質(zhì)子和電子，電子被導出產(chǎn)電菌胞外，經(jīng)電極和外接電路導至陰極，質(zhì)子隨反應器內(nèi)溶液上流至陰極，在氧氣的參與下，發(fā)生電極反應生成水， 完成了產(chǎn)電功能的全過程。為了進一步提高系統(tǒng)的凈化效能和產(chǎn)電效能，其中，活性炭層可以采用直徑為 3_5mm的活性炭顆粒，填充密度為0. 45-0. 55g/cm3 ；絕緣沙礫層的沙礫可以選用直徑為 6-8mm表面光滑的砂石材料，以避免增加水流阻力，而影響質(zhì)子傳遞，進而增大MFC系統(tǒng)內(nèi)阻；頂層導電材料層的導電材料可以采用顆粒活性炭、不銹鋼材質(zhì)、碳布、石墨顆?；蚴珰值?，并可以進行催化處理；導線最好采用鈦導線，也可采用銅導線，并進行連接點的絕緣密封處理，以避免溶液對導線的腐蝕；植物根部最好能穿透陽極層區(qū)，即活性炭層區(qū)。本實施例的產(chǎn)能型人工濕地耦合MFC水質(zhì)處理技術(shù)運行原理是這樣的，污染廢水由底部進入，經(jīng)均勻分配后沿粗沙礫層緩慢上升，在陽極活性炭層通過基質(zhì)以及其上附著的生物膜對污染物進行吸附、凈化，降解過程中產(chǎn)生了電子和質(zhì)子，電子經(jīng)陽極、外電路到達陰極，而質(zhì)子經(jīng)上部絕緣沙礫層到達陰極，陰極以氧氣作為電子受體，同質(zhì)子與氧氣發(fā)生電極反應生成水，形成回路并產(chǎn)生電流，回路中電流的產(chǎn)生強化了有機物電子的供給，促進了有機物的降解。同時濕地植物利用植物根際效應，對濕地中的污染物進行去除、轉(zhuǎn)化和固持，植物根部分泌的酶也促進了污染物的降解。此外根毛細胞分泌的乙酸鹽等簡單化合物， 以及根際微生物降解污染物后的小分子化合物，對于產(chǎn)電菌來說更易吸收與降解，因而能夠提高產(chǎn)電菌的生物活性。整個系統(tǒng)的協(xié)同耦合作用，加強了系統(tǒng)中的物質(zhì)與能量流通，促進了其凈化效能，也強化了產(chǎn)能效能。
權(quán)利要求
1.一種人工濕地耦合MFC系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)由人工濕地加載MFC構(gòu)成，系統(tǒng)自下至上布有粗沙礫層、活性炭層、絕緣沙礫層、頂層導電材料層以及植物，活性炭層構(gòu)成MFC 的陽極，頂層導電材料層構(gòu)成MFC的陰極，陰、陽極電極分別由導線導出與外接電路連接。
2.按權(quán)利要求1所述的人工濕地耦合MFC系統(tǒng)，其特征在于所述活性炭層的活性炭顆粒直徑為3-5mm，填充密度為0. 45-0. 55g/cm3。
3.按權(quán)利要求1所述的人工濕地耦合MFC系統(tǒng)，其特征在于所述絕緣沙礫層的沙礫選用直徑為6-8mm表面光滑的砂石材料。
4.按權(quán)利要求1所述的人工濕地耦合MFC系統(tǒng)，其特征在于所述頂層導電材料層的導電材料采用顆?；钚蕴?、不銹鋼材質(zhì)、碳布、石墨顆粒或石墨氈。
5.按權(quán)利要求1所述的人工濕地耦合MFC系統(tǒng)，其特征在于所述導線采用鈦導線或銅導線。
6.一種人工濕地耦合MFC提高有機物去除效能的方法，其特征在于，首先，廢水經(jīng)進水區(qū)進入人工濕地，由底部均勻布水后，沿粗沙礫層呈推流式上升，其中有機物因粗沙礫表面大量微生物生長形成的生物膜吸附、截留、分解而被初步的降解；然后，初步降解的廢水進入活性炭層，該層處于嚴格的厭氧環(huán)境中，并具有高表面積，通過活性炭自身的吸附作用及其上附著微生物的厭氧消化過程，將有機物進行去除，并通過產(chǎn)電菌的活性促成電流的產(chǎn)生，促進了有機物尤其是難降解有機物的降解；接著，廢水流經(jīng)絕緣沙礫層，此層為厭氧和好氧過渡區(qū)，剩余污染物被細沙礫表面附著的生物膜吸附、降解；最后，廢水流入頂層導電材料層，該層一部分浸沒在水中，一部分暴露在空氣中，其間種植植物，空氣中氧的溶解以及植物根系對氧的傳遞釋放使得該層為好氧區(qū)域，剩余污染物進一步通過微生物的增殖、 異化以及植物的吸收、根際效應而去除；同時活性炭層構(gòu)成MFC的陽極，頂層導電材料層構(gòu)成MFC的陰極，陽極富集的產(chǎn)電菌降解有機物產(chǎn)生質(zhì)子和電子，電子被導出產(chǎn)電菌胞外，經(jīng)電極和外接電路導至陰極，質(zhì)子隨反應器內(nèi)溶液上流至陰極，在氧氣的參與下，發(fā)生電極反應生成水，完成了產(chǎn)電功能的全過程。
7.按權(quán)利要求6所述的人工濕地耦合MFC提高有機物去除效能的方法，其特征在于所述活性炭層的活性炭顆粒直徑為3-5mm，填充密度為0. 45-0. 55g/cm3。
8.按權(quán)利要求6所述的人工濕地耦合MFC提高有機物去除效能的方法，其特征在于所述絕緣沙礫層的沙礫選用直徑為6-8mm表面光滑的砂石材料。
9.按權(quán)利要求6所述的人工濕地耦合MFC提高有機物去除效能的方法，其特征在于所述頂層導電材料層的導電材料采用顆?；钚蕴俊⒉讳P鋼材質(zhì)、碳布、石墨顆粒或石墨氈。
10.按權(quán)利要求6所述的人工濕地耦合MFC提高有機物去除效能的方法，其特征在于所述植物根部穿透陽極層區(qū)
全文摘要
本發(fā)明公開一種人工濕地耦合MFC的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)由人工濕地加載MFC構(gòu)成，系統(tǒng)自下至上布有粗沙礫層、活性炭層、絕緣沙礫層、頂層導電材料層以及植物，活性炭層構(gòu)成MFC的陽極，頂層導電材料層構(gòu)成MFC的陰極，陰、陽極電極分別由導線導出與外接電路連接。本發(fā)明公開了人工濕地耦合MFC提高有機物去除效能的方法。人工濕地耦合MFC不僅拓展了有機物降解的途徑，大幅度提高了有機物尤其是難降解性有機物的去除效能，同時提高了MFC的產(chǎn)電性能，在促進廢水降解的同時獲得了電能，是緩解當前能源危機和解決環(huán)境問題的有效途徑，具有不可估量的發(fā)展?jié)摿Α?br> 文檔編號C02F9/14GK102351387SQ20111027437
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月16日
發(fā)明者吳磊, 宋海亮, 李先寧, 項文力 申請人:東南大學