本發(fā)明涉及污水處理與綠色能源領(lǐng)域，具體涉及一種污水處理并用于對外供電的排陣型微生物燃料電池人工濕地污水處理系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

微生物燃料電池(Microbial fuel cells,簡稱MFC)是一種利用產(chǎn)電微生物將有機(jī)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的新興技術(shù)。微生物在低電勢的陽極催化有機(jī)物分解，產(chǎn)生電子和質(zhì)子，電子通過外電路到達(dá)高電勢陰極并與最終的電子受體(通常為O₂)和來自陽極的質(zhì)子相結(jié)合，實現(xiàn)污染物降解并同時回收電能。

人工濕地(CW)通過物理、化學(xué)及微生物三重協(xié)同作用實現(xiàn)污水的凈化，同時是一種處理效果較好、投資節(jié)省、具有景觀功能的生態(tài)污水處理技術(shù)，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用于市政及工農(nóng)業(yè)廢水的處理。但是其由于水力停留時間長、占地面積大同時由于處理污水負(fù)荷相對較低而受到一定的限制。

研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整人工濕地的流態(tài)和濕地的深度可以獲得微生物燃料電池所需要的氧化還原梯度從而將兩者結(jié)合構(gòu)建微生物燃料電池型人工濕地(MFC-CW)，可以充分將兩種污水處理技術(shù)的優(yōu)勢相結(jié)合。但傳統(tǒng)的微生物燃料電池型人工濕地都存在內(nèi)阻較大，輸出電壓和功率較低的問題，從而限制了其實際應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明提供了一種排陣型微生物燃料電池人工濕地污水處理系統(tǒng)，可解決傳統(tǒng)的微生物燃料電池型人工濕地存在內(nèi)阻較大，輸出電壓和功率較低的問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：一種排陣型微生物燃料電池人工濕地污水處理系統(tǒng)，包括污水收集裝置、布水區(qū)、排陣型微生物燃料電池人工濕地主體區(qū)、集水區(qū)以及集電儲能裝置；

所述排陣型微生物燃料電池型人工濕地主體區(qū)包括若干個相對獨(dú)立的小型濕地微生物燃料電池，將所有小型濕地微生物燃料電池通過陣列方式布置成x排y列，x為正偶數(shù)，y為正整數(shù)，每排小型濕地微生物燃料電池均通過并聯(lián)的方式組成一個微生物燃料電池組，各個微生物燃料電池組采用依次串聯(lián)的方式與集電儲能裝置連接；

在排陣型微生物燃料電池型人工濕地主體區(qū)的一側(cè)設(shè)置布水區(qū)，布水區(qū)填充有濾料一，污水收集裝置連通布水區(qū)，在排陣型微生物燃料電池型人工濕地主體區(qū)的另一側(cè)設(shè)置集水區(qū)，集水區(qū)填充有濾料二，最終排放管路連通集水區(qū)；

將排陣型微生物燃料電池人工濕地主體區(qū)分成至少兩個流路區(qū)域，每個流路區(qū)域含有一條污水處理流路，污水處理流路依次通過流路區(qū)域內(nèi)的各個小型濕地微生物燃料電池；

所述布水區(qū)與排陣型微生物燃料電池人工濕地主體區(qū)之間設(shè)置第一隔板，第一隔板上設(shè)置進(jìn)水孔，集水區(qū)與排陣型微生物燃料電池人工濕地主體區(qū)之間設(shè)置第二隔板，第二隔板上設(shè)置出水孔，進(jìn)水孔、出水孔與污水處理流路的數(shù)量相同，并且一一對應(yīng)，污水處理流路的一端與進(jìn)水口連通，污水處理流路的另一端與出水口連通，同一污水處理流路上相鄰兩個小型濕地微生物燃料電池之間均設(shè)有集水槽，集水槽上設(shè)置導(dǎo)水孔。

進(jìn)一步的，2≤x≤6，2≤y≤4。

進(jìn)一步的，每個小型濕地微生物燃料電池包括從下到上依次設(shè)置的防滲層、承托層、陽極填料層、承托層、陰極填料層、濕地植物層，陽極填料層與陰極填料層通過導(dǎo)線接入電路中；第一隔板的進(jìn)水孔設(shè)置在與陽極填料層相對應(yīng)的位置，第二隔板的出水孔設(shè)置在與陰極填料層相對應(yīng)的位置，集水槽的導(dǎo)水孔分別設(shè)置在與陽極填料層、陰極填料層相對應(yīng)的位置。

進(jìn)一步的，所述集水區(qū)通過回流管路連通布水區(qū)，回流管上設(shè)置有流量調(diào)節(jié)閥，流量調(diào)節(jié)閥可以根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)的變化靈活調(diào)節(jié)回流量。

進(jìn)一步的，所述防滲層為高密度聚乙烯膜，所述承托層為黃沙；所述陽極填料層和陰極填料層均填充有活性碳；所述濕地植物層種植有水雍菜和水芹菜。

進(jìn)一步的，所述陽極填料層和陰極填料層的活性碳粒徑在10～20mm之間；所述黃沙粒徑在0.5～3mm之間；所述濕地植物層的植物種植密度在25～30株/m²之間。

進(jìn)一步的，所述濾料一為鵝卵石和礫石，所述濾料二為石英砂和活性碳。

進(jìn)一步的，所述鵝卵石和礫石的粒徑在20～30mm之間；所述石英砂和活性碳的填充比例為1：1。

本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效益：

(1)與傳統(tǒng)的人工濕地相比，排陣型微生物燃料電池型人工濕地對污水的處理效果更好，輸出電壓大幅增加，處理效率通過多級處理大幅提高；

(2)通過布水區(qū)和集水區(qū)的設(shè)計可以更好地增加系統(tǒng)的處理效果，并且減少了進(jìn)水水質(zhì)的波動，同時由于布水區(qū)中填充濾料作用可以有效去除水體中的大顆粒懸浮物質(zhì)，有效減少了排陣型人工濕地的堵塞；

(3)回流管路的設(shè)置可以靈活方便的調(diào)節(jié)進(jìn)水有機(jī)物濃度，當(dāng)進(jìn)水有機(jī)物濃度變高時增大回流用以稀釋進(jìn)水，當(dāng)進(jìn)水有機(jī)物濃度低時減少回流；

(4)排陣型微生物燃料電池人工濕地，微生物燃料電池陣列布置情況可以根據(jù)進(jìn)水有機(jī)物濃度靈活設(shè)置，方便實用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為排陣型微生物燃料電池人工濕地主體區(qū)的進(jìn)水流向示意圖；

圖3為排陣型微生物燃料電池人工濕地主體區(qū)的電路連接示意圖

圖4為排陣型微生物燃料電池人工濕地主體區(qū)的進(jìn)水孔、出水孔以及導(dǎo)水孔的布置示意圖。

圖中：1-污水管道，2-集水箱，3-進(jìn)水調(diào)節(jié)閥，4-流量計，5-布水區(qū)，6-濾料一，7-防滲層，8-陽極填料層，9-承托層，10-陰極填料層，11-濕地植物層，12-集水區(qū)，13-濾料二，14-排放管路，15-第一隔板，16-進(jìn)水口，17-第二隔板，18-出水口，19-集水槽，20-導(dǎo)水孔，21-回流管路，22-回水調(diào)節(jié)閥，23-集電儲能裝置。

S1-第一流路區(qū)域，L1-第一污水處理流路，S2-第二流路區(qū)域，L2-第二污水處理流路。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。

如圖1所示，本發(fā)明的一種排陣型微生物燃料電池人工濕地污水處理系統(tǒng)，包括污水收集裝置、布水區(qū)5、排陣型微生物燃料電池人工濕地主體區(qū)、集水區(qū)12以及集電儲能裝置。

所述排陣型微生物燃料電池型人工濕地主體區(qū)包括若干個相對獨(dú)立的小型濕地微生物燃料電池。每個小型濕地微生物燃料電池包括從下到上依次設(shè)置的防滲層、承托層、陽極填料層、承托層、陰極填料層、濕地植物層。所述防滲層為高密度聚乙烯膜；所述陽極填料層和陰極填料層均填充有活性碳，活性碳粒徑在10～20mm之間；所述承托層為黃沙，黃沙粒徑在0.5mm～3mm之間；所述濕地植物層種植有水雍菜和水芹菜，植物種植密度在25～30株/m²之間。陽極填料層與陰極填料層通過外部銅導(dǎo)線接入電路中并進(jìn)行絕緣處理，陽極填料層作為小型濕地微生物燃料電池正極，陰極填料層作為小型濕地微生物燃料電池負(fù)極。

將所有小型濕地微生物燃料電池通過陣列方式布置成x排y列，x為正偶數(shù)，y為正整數(shù)，優(yōu)選的，2≤x≤6，2≤y≤4。每排小型濕地微生物燃料電池均通過并聯(lián)的方式組成一個微生物燃料電池組，各個微生物燃料電池組通過依次串聯(lián)的方式與集電儲能裝置連接。所述集電儲能裝置選用電容器的額定電壓為2.5V，容量為10F。污水中有機(jī)物在陽極填料層降解過程中產(chǎn)生的電子通過外導(dǎo)線達(dá)到陰極填料層區(qū)產(chǎn)生電流，再通過導(dǎo)線與所述電能儲存裝置相連為其充電。

如圖2和3所示，本實施例中，排陣型微生物燃料電池型人工濕地主體區(qū)包括二十四個小型濕地微生物燃料電池A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3、C4、D1、D2、D3、D4、E1、E2、E3、E4、F1、F2、F3、F4，所有小型濕地微生物燃料電池通過陣列方式布置成六排四列，小型濕地微生物燃料電池A1～A4的正、負(fù)極分別并聯(lián)組成微生物燃料電池組A，小型濕地微生物燃料電池B1～B4的正、負(fù)極分別并聯(lián)組成微生物燃料電池組B，小型濕地微生物燃料電池C1～C4的正、負(fù)極分別并聯(lián)組成微生物燃料電池組C，小型濕地微生物燃料電池D1～D4的正、負(fù)極分別并聯(lián)組成微生物燃料電池組D，小型濕地微生物燃料電池E1～E4的正、負(fù)極分別并聯(lián)組成微生物燃料電池組E，小型濕地微生物燃料電池F1～F4的正、負(fù)極分別并聯(lián)組成微生物燃料電池組F，微生物燃料電池組A正極連接集電儲能裝置電容器負(fù)極，微生物燃料電池組A負(fù)極連接微生物燃料電池組C正極，微生物燃料電池組C負(fù)極連接微生物燃料電池組E正極，微生物燃料電池組E負(fù)極連接微生物燃料電池組F正極，微生物燃料電池組F負(fù)極連接微生物燃料電池組D正極，微生物燃料電池組D負(fù)極連接微生物燃料電池組B正極，微生物燃料電池組B負(fù)極連接集電儲能裝置電容器正極。通過將同排小型濕地微生物燃料電池并聯(lián)形成電池組，非同排電池組之間依次串接，可以增大排陣型微生物燃料電池人工濕地主體區(qū)的輸出電壓，并防止短路。排陣型微生物燃料電池人工濕地主體區(qū)設(shè)計進(jìn)水水力停留時間為24-36h。

在排陣型微生物燃料電池型人工濕地主體區(qū)靠近排頭的一側(cè)設(shè)置布水區(qū)，布水區(qū)填充有濾料一6，所述濾料一6為鵝卵石和礫石，粒徑在20～30mm之間，濾料一一方面過濾進(jìn)水中大顆粒懸浮物，另一方面起到均勻布水的作用。

污水收集裝置包括DN100的污水管道1，污水管道1通過進(jìn)水調(diào)節(jié)閥3進(jìn)入集水箱2，集水箱中2儲存的污水沿進(jìn)水管道通入布水區(qū)，進(jìn)水管道安裝有流量計4，用于檢測進(jìn)水流量。

在排陣型微生物燃料電池型人工濕地主體區(qū)靠近排尾的另一側(cè)設(shè)置集水區(qū)，集水區(qū)填充有濾料二16，所述濾料二16為石英砂和活性碳，所述石英砂和活性碳的填充比例為1：1，出水通過集水區(qū)進(jìn)一步過濾，對出水進(jìn)行深層凈化。

排放管路連通集水區(qū)，流出集水區(qū)的水達(dá)標(biāo)排放。

另外，所述集水區(qū)12通過回流管路21連通布水區(qū)5，將出水回流至布水區(qū)?；亓鞴苈?1上設(shè)有回水調(diào)節(jié)閥22，可以靈活調(diào)節(jié)回流流量的大小，當(dāng)進(jìn)水有機(jī)物濃度高時適當(dāng)增大回流，進(jìn)水有機(jī)物濃度低較低時減小回流，從而使進(jìn)水有機(jī)物含量保持穩(wěn)定。最終出水通過14達(dá)標(biāo)排放。

將排陣型微生物燃料電池人工濕地主體區(qū)分成至少兩個流路區(qū)域，每個流路區(qū)域含有一條污水處理流路，污水處理流路依次通過流路區(qū)域內(nèi)的各個小型濕地微生物燃料電池。

如圖1、2和4所示，所述布水區(qū)與排陣型微生物燃料電池人工濕地主體區(qū)之間設(shè)置第一隔板，第一隔板上與陽極填料層相對應(yīng)的位置設(shè)置進(jìn)水孔，集水區(qū)與排陣型微生物燃料電池人工濕地主體區(qū)之間設(shè)置第二隔板，第二隔板上與陰極填料層相對應(yīng)的位置設(shè)置出水孔，進(jìn)水孔、出水孔與污水處理流路的數(shù)量相同，并且一一對應(yīng)，污水處理流路的一端與進(jìn)水口連通，污水處理流路的另一端與出水口連通，同一污水處理流路上相鄰兩個小型濕地微生物燃料電池之間均設(shè)有集水槽，集水槽上與陽極填料層、陰極填料層相對應(yīng)的位置分別設(shè)置導(dǎo)水孔。

如圖2所示，本實施例中，將排陣型微生物燃料電池人工濕地主體區(qū)分成第一流路區(qū)域和第二流路區(qū)域，小型濕地微生物燃料電池A1、A2、A3、A4、B4、B3、B2、B1、C1、C2、C3、C4位于第一流路區(qū)域，小型濕地微生物燃料電池F1、F2、F3、F4、E4、E3、E2、E1、D1、D2、D3、D4位于第二流路區(qū)域，第一流路區(qū)域含有第一污水處理流路，第一污水處理流路依次通過第一流路區(qū)域內(nèi)的小型濕地微生物燃料電池A1、A2、A3、A4、B4、B3、B2、B1、C1、C2、C3、C4，第二流路區(qū)域含有第二污水處理流路，第二污水處理流路依次通過第二流路區(qū)域內(nèi)的小型濕地微生物燃料電池F1、F2、F3、F4、E4、E3、E2、E1、D1、D2、D3、D4。在第一隔板與小型濕地微生物燃料電池A1、F1陽極填料層相對應(yīng)的位置分別設(shè)有一個進(jìn)水孔，在第二隔板與小型濕地微生物燃料電池C4、D4陰極填料層相對應(yīng)的位置分別設(shè)有一個出水孔，在第一污水處理流路上，小型濕地微生物燃料電池A1與A2、A2與A3、A3與A4、A4與B4、B4與B3、B3與B2、B2與B1、B1與C1、C1與C2、C2與C3、C3與C4之間均設(shè)有集水槽，在第二污水處理流路上，小型濕地微生物燃料電池F1與F2、F2與F3、F3與F4、F4與E4、E4與E3、E3與E2、E2與E1、E1與D1、D1與D2、D2與D3、D3與D4之間均設(shè)有集水槽。這樣，污水進(jìn)入排陣型微生物燃料電池人工濕地主體區(qū)后，分組兩股水流，分別沿圖2中所示兩條污水處理流路依次流經(jīng)小型濕地微生物燃料電池。

系統(tǒng)工作時，打開進(jìn)水調(diào)節(jié)閥，污水通過污水管道進(jìn)入集水箱，集水箱中的污水依靠重力作用自流進(jìn)入布水區(qū)，通過流量計的讀數(shù)確定污水流量的變化，通過調(diào)節(jié)污水管道上進(jìn)水調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)節(jié)污水流量的大??；污水中大顆粒懸浮物質(zhì)以及一些不溶性的COD通過布水區(qū)的濾料一的過濾吸附作用沉淀下來，然后通過進(jìn)水口進(jìn)入排陣型微生物燃料電池型人工濕地主體區(qū)，水流進(jìn)入后分別沿圖2中箭頭所示路徑依次流經(jīng)小型濕地微生物燃料電池進(jìn)行降解處理，有機(jī)物在降解的過程中同步產(chǎn)生電能，然后通過導(dǎo)線為所述電能儲存裝置進(jìn)行充電，從而實現(xiàn)能源的循環(huán)利用，實現(xiàn)污水的高效資源化利用，處理后凈水通過出水口進(jìn)入集水區(qū)；集水區(qū)填料二對出水起到深層凈化的作用；集水區(qū)的上層凈化水通過排放管路達(dá)標(biāo)排放，下層污水通過回流管路回流至布水區(qū)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。