一种处理农村生活污水的人工湿地系统的制作方法

本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种处理农村生活污水的人工湿地系统。

背景技术：

随着我国农村经济和农村生活方式的发展变化，造成了农村生活污水排放量越来越多，农村污水引起的环境污染日趋加重。我国农村生活污水的基本特征表现为：量小且分散，排放系数低；水中悬浮物、氨氮和总磷等污染物的浓度低；成分复杂，可生化性强；间歇排放，具有规律性；重金属等有毒有害物质少等。

结合我国国情，我国大多数农村生活污水大都采用先将污水进行预处理(发酵处理)，经过预处理后的污水，采用人工湿地、生物接触氧化法、生物浮岛、土地渗滤和稳定塘等技术处理，这些组合工艺的运用在国内比较多。其中，由于建设和运行成本低、维护简便、脱氮除磷效果好并兼具美学价值等优势，人工湿地受到广泛的关注和研究。

按照污水水流方向的不同，人工湿地可分为地表流湿地、潜流湿地和垂直流湿地，这几种型式的人工湿地能够高效的去除农村生活污水中大有机物、氮、磷等。但是，表流人工湿地主要依赖水生植物的根茎拦截及跟根茎上生物膜的降解作用来实现污染物去除，一般水位较浅，因而水力负荷较大、净化能力有限、卫生条件较差，当前很少采用；潜流人工湿地与垂直潜流人工湿地出水水质较好，但构造较为复杂，占地面积较大，尤其是容易受到季节影响，且在污水进水前需设置预处理装置，否则极易堵塞。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种处理农村生活污水的人工湿地系统。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种处理农村生活污水的人工湿地系统，包括微生物燃料电池湿地模块，所述微生物燃料电池湿地模块由下至上依次包括防渗底层、污水分布层、阳极层、绝缘填料层、气体分布层、阴极层和种植基质层；

所述阳极层包括上层、夹心层和下层，所述阳极层的上层和下层均为具有网孔的板状阳极材料，所述阳极层的上层和下层电连接，所述夹心层为活性微生物层，所述夹心层填充在所述阳极层的上层和下层之间；

所述阴极层包括具有网孔的板状材料；

所述气体分布层分布的气体中含有氧气；

所述阳极层和所述阴极层通过导线连接外电路构成闭合电路。

上述的处理农村生活污水的人工湿地系统结合湿地种植基质层的吸附作用和构成的微生物燃料电池，可以将污水中的化学能转化为电能，并且同时去除污水中的有机物、氮、磷，既实现了生活污水的处理，而且具有节能降耗的目的，上述的处理农村生活污水的人工湿地系统对有机物、氮、磷的去除率高，处理后的水质好，电能的转化率高，并且可以用于农村生活污水的处理，建设成本低。

优选地，所述阴极层由呈矩形螺旋线型或由上而下的之字形排列的具有网孔的板状材料组成。

上述的处理农村生活污水的人工湿地系统的阴极层的具有网孔的板状材料呈矩形螺旋线型或由上而下的之字形排列提高了处理农村生活污水的人工湿地系统对污水中的有机物、氮、磷的去除率，提高了电能转化率。

优选地，所述由呈矩形螺旋线型或由上而下的之字形排列的具有网孔的板状材料之间的间距为20～50cm。

优选地，所述矩形螺旋线型或由上而下的之字形排列的具有网孔的板状材料之间填充有粒径为10～16mm的砂砾。

优选地，所述气体分布层中设置有气体管路，所述气体管路设置有位于所述气体分布层中均匀分布的气体出口，所述气体管路还连通有通气管，所述通气管设置有进气口，所述进气口与大气连通。

上述的处理农村生活污水的人工湿地系统可以由阴极层直接利用大气中的氧气，降低了气体的供应成本。

优选地，所述进通气管设置有与所述进气口投影相对的通气帽。

所述通气帽可以避免杂物和水进入通气管。

优选地，所述污水分布层包括粗砂填料和污水分布管，所述污水分布管埋设在所述粗砂填料中，所述污水分布管均匀设置有污水出口，所述污水出口位于所述污水分布层中，所述粗砂填料的粒径为50～60mm。

上述的处理农村生活污水的人工湿地系统使得污水能够均匀的分布在阳极层的下方，并且不断的通过阳极层到达阴极层，提高了对污水中的有机物、氮、磷的去除率，提高了电能转化率。

优选地，所述微生物燃料电池湿地模块设置有进水口和出水口，所述微生物燃料电池湿地模块的进水口与所述污水分布管连通，所述微生物燃料电池湿地模块的出水口设置在所述阴极层上方。

优选地，所述绝缘填料层的填料为20～40mm的砂砾。

基质粒径越小其微生物丰富性和均匀性越好，所以cod、硝酸盐氮去除率高，但是基质粒径较大的系统的产电菌数量更多，所以产电性能更好，发明人经过研究发现，上述的处理农村生活污水的人工湿地系统选取基质尺寸的大小使得上述处理农村生活污水的人工湿地系统更好的平衡了cod、硝酸盐氮去除率和产电性能。

优选地，所述微生物燃料电池湿地模块还包括侧面防渗层，所述侧面防渗层与所述防渗底层一体成型将所述微生物燃料电池湿地模块的底面和侧面包围。

上述的处理农村生活污水的人工湿地系统避免了污水的泄露而渗透入地下，而是依次通过阳极层、绝缘填料层、气体分布层、阴极层和种植基质层，提高了处理效率。

优选地，所述阳极层的上层和下层的材料为石墨毡、mno2改性石墨毡或者纳米零价铁改性石墨毡；

所述阴极层为不锈钢网；

所述种植基质层上种植有湿地植物；

所述阳极层的夹心层的活性微生物为厌氧微生物或者电活性微生物。

上述的处理农村生活污水的人工湿地系统的湿地植物除了能够从待处理污水中吸收无机磷、氮及重金属等多种污染物作为自身生长所需的营养源外，湿地植物的根际效应所提供的氧气和分泌物为人工湿地微生物的生长提供了必要的营养物质与能量，对根际微生物活性、种群结构及空间分布产生影响，进而影响有机污染物、重金属以及营养元素等污染物的降解和去除效果，厌氧条件下完全氧化有机物成co2，然后把氧化过程中产生的电子通过电子传递链传递到电极上产生电流的微生物，同时微生物在电子传递过程中获得能量支持生长。如产甲烷微生物)。

优选地，所述湿地植物为旱伞草、菖蒲、水烛或者芦竹。

上述的处理农村生活污水的人工湿地系统的选用的湿地植物具有以下优点，根际生物膜最大，对水的阻力大且促进吸附磷的微生物的生长；根际效应更好，根际效应能够为电化学活性菌的生长提供更多的有机物；电化学活性菌更多，可通过电化学活性菌产生更多的生物电；更多的生物量能够降低内阻，从而促进生物电的生产。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种处理农村生活污水的人工湿地系统，本发明的处理农村生活污水的人工湿地系统结合湿地种植基质层的吸附作用和构成的微生物燃料电池，可以将污水中的化学能转化为电能，并且同时去除污水中的有机物、氮、磷，既实现了生活污水的处理，而且具有节能降耗的目的，上述的处理农村生活污水的人工湿地系统对有机物、氮、磷的去除率高，处理后的水质好，电能的转化率高，并且可以用于农村生活污水的处理，建设成本低。

附图说明

图1为本发明实施例的处理农村生活污水的人工湿地系统的示意图。

图2为本发明实施例的处理农村生活污水的人工湿地系统的阳极层的示意图。

图3为本发明实施例的处理农村生活污水的人工湿地系统的阳极层、阴极层和外电路的示意图。

图4为本发明实施例的处理农村生活污水的人工湿地系统的阳极层、阴极层和外电路的示意图。

其中，1、防渗底层，2、污水分布层，3、阳极层，4、绝缘填料层，5、气体分布层，6、阴极层，7、种植基质层，8、微生物燃料电池湿地模块的进水口，9、污水分布管，10、污水分布管的污水出口，11、微生物燃料电池湿地模块的进水口，12、湿地植物，13、通气管，14、进气口，15、外电路，16、侧面防渗层，17、阳极层的上层，18、阳极层的下层，19、阳极层的夹心层，20、导线。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，作为本发明实施例的一种处理农村生活污水的人工湿地系统，包括微生物燃料电池湿地模块，微生物燃料电池湿地模块由下至上依次包括防渗底层1、污水分布层2、阳极层3、绝缘填料层4、气体分布层5、阴极层6和种植基质层7；

如图2所示，阳极层包括上层17、夹心层19和下层18，上层17和下层18均为具有网孔的板状阳极材料，阳极层的上层17和下层18的材料为石墨毡，阳极层的上层17和下层18电连接，夹心层19为活性微生物层，夹心层19填充在上层17和下层18之间，夹心层19的活性微生物为厌氧产电微生物；

如图3所示，阴极层6包括具有网孔的板状材料，具有网孔的板状材料为不锈钢网，阴极层6的具有网孔的板状材料呈由上而下的之字形排列，由上而下的之字形排列的具有网孔的板状材料之间的距离为30cm，阴极层的具有网孔的板状材料依次电连接，由上而下的之字形排列的具有网孔的板状材料之间填充有粒径为10～16mm的砂砾；

如图1所示，气体分布层5中设置有气体管路，气体管路设置有位于气体分布层5中均匀分布的气体出口，气体管路还连通有通气管13，通气管设置有进气口14，进气口与大气连通，通气管13设置有与进气口14投影相对的通气帽；

污水分布层2包括粗砂填料和污水分布管9，污水分布管9埋设在粗砂填料中，污水分布管9均匀设置有污水出口10，污水出口10位于污水分布层中，粗砂填料的粒径为50～60mm；

微生物燃料电池湿地模块设置有进水口8和出水口11，微生物燃料电池湿地模块的进水口8与污水分布管9连通，微生物燃料电池湿地模块的出水口11设置在阴极层6上方；

绝缘填料层4的填料为20～40mm的砂砾；

微生物燃料电池湿地模块还包括侧面防渗层16，侧面防渗层16与防渗底层1一体成型将微生物燃料电池湿地模块的底面和侧面包围；

种植基质层7上种植有湿地植物12；

阳极层3和阴极层6通过导线20连接外电路15构成闭合电路。

实施例2

如图1、图2、图4所示，作为本发明实施例的一种处理农村生活污水的人工湿地系统，本实施例与实施例1的唯一区别为：阴极层6的具有网孔的板状材料呈矩形螺旋线型排列，且矩形螺旋线型的最外层的形成闭合的口字型，且矩形螺旋线型的最内层的形成闭合的口字型。

对比例1

作为本发明对比例的一种处理农村生活污水的人工湿地系统，本对比例与实施例1的唯一区别为：阳极层由负载层和活性微生物层组成，活性微生物层覆在负载层的一侧，负载层为具有网孔的板状阳极材料，阳极层的负载层的材料为石墨毡。

对比例2

作为本发明对比例的一种处理农村生活污水的人工湿地系统，本对比例与实施例1的唯一区别为：阳极层由上层和下层组成，上层和下层均为具有网孔的板状阳极材料，阳极层的上层和下层的材料为石墨毡。

对比例3

作为本发明对比例的一种处理农村生活污水的人工湿地系统，本对比例与实施例1的唯一区别为：阴极层由6片具有网孔的板状材料由上而下平行排列组成，6片具有网孔的板状材料依次通过导线电连接构成阴极层。

效果例1

1、污水处理

应用如实施例1-2和对比例1-3的处理农村生活污水的人工湿地系统处理生活污水，通过在微生物燃料电池湿地模块的出水口监测出水的cod值、nh4⁺-n含量、磷含量和ss来考察处理农村生活污水的人工湿地系统对污水的净化效率。根据《人工湿地污水处理工程技术规范》hj2005-2010，人工湿地内污水停留时间(hrt)一般在33h左右，为小试方便，取进水后36h后测定)，结果如表1所示：

表1实施例1-2和对比例1-3的处理农村生活污水的人工湿地系统处理生活污水的效率

2、电化学分析

实施例1-2和对比例1-3的处理农村生活污水的人工湿地系统在处理生活污水过程中，在处理农村生活污水的人工湿地系统的外电路设置电能表，检测外电路的电压和电流，分析电化学。

电压采集：由数据采集卡采集电压信息，连接电脑实现在线时实监测，采样频率为30min一次，已知外电路电阻的情况下，由欧姆定律计算出电路中的电流，依据电池阳极区有效体积，计算体积比功率密度，即功率密度(mw/m²)，采用功率密度曲线斜率法获得内阻。由于库伦效率(coulombicefficiency,ce)代表电池实际产电量与利用有机物理论产电量的比值，而未被转化为电能的化学能被认为是底物损失，因此可用来评价微生物燃料电池的产电性能。

表2实施例1-2和对比例1-3的处理农村生活污水的人工湿地系统的电能转化效果

通过比较实施例1和对比例1以及对比2发现，阳极层包括上层17、夹心层19和下层18时，具有更好的生活污水的cod值、nh4⁺-n含量、磷含量和ss的去除效率，化学能转化为电能的效率更高。

通过比较实施例1、实施例2与对比例3发现，阴极层由呈矩形螺旋线型或由上而下的之字形排列的具有网孔的板状材料组成具有更好的生活污水的cod值、nh4⁺-n含量、磷含量和ss的去除效率，化学能转化为电能的效率更高。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。