一种生物电极的制作方法

[0001]
本实用新型涉及一种生物电极及其在人工湿地中的应用。


背景技术：

[0002]
人工湿地是模拟自然湿地原理，人工建设和控制运行的生态污水处理系统，通过湿地植物、人工填料及其表面附着微生物的协同作用实现污水的净化，对主要污染物cod、氨氮、总磷等的去除率可达到98％以上，对微量有机物、硫酸盐、重金属等污染物也具有良好的去除效果，同时具有运行费用低、运维简单等优点。然而，人工湿地对有机物的去除主要是通过湿地上层好氧区微生物氧化反应实现，下层厌氧区有机物分解缓慢，致使人工湿地单位面积污染负荷偏低、占地面积过大，过量有机物积累还会引起湿地填料堵塞无法长期稳定运行，极大地限制了人工湿地在污水处理领域的推广应用。
[0003]
微生物燃料电池是一类利用电活性微生物分解有机物完成自身代谢，同时将化学能转换为电能的装置。用于污水处理时，可作为厌氧生物处理的替代工艺使用，具有有机物去除效率高、运行能耗低以及污泥产生少等优点。实验室研究表明，用平板微生物燃料电池在处理生活污水，水力停留时间为2h和4h时，cod的去除率分别可达到58％和79％。典型的微生物燃料电池由质子交换膜分隔的好氧阴极室和厌氧阳极室构成，两极间通过导线连通并接入负载电阻。微生物燃料电池对污水中有机物的去除，主要是通过电活性微生物在厌氧阳极室催化有机物分解来完成的，在此过程中释放的电子经由阳极电子受体和外电路负载移动至阴极并产生电流，质子则通过扩散作用穿过质子交换膜抵达好氧的阴极室，与阴极电子受体和电子发生反应。
[0004]
人工湿地耦合微生物燃料电池技术是提升湿地污水处理能力的有效方法。人工湿地和微生物燃料电池具有相似的厌氧区和好氧区结构，利用该结构构建微生物电化学系统，通过提升湿地厌氧区有机物降解效率，能够达到提高湿地有机物处理负荷、缩小建设占地，缓解填料堵塞的目的。但此项技术的应用还停留在实验室规模。应用规模人工湿地中由于难以形成闭合系统，内部氧化还原电位梯度优势不明显以及电池内阻高等问题，对微生物燃料电池的有机物降解效率和产电效能均会产生不利影响，需要通过专用生物电极装置进行优化和提升。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术中存在的上述技术问题，本实用新型的实施例提供了一种生物电极及其在人工湿地中的应用。
[0006]
为解决上述技术问题，本实用新型的实施例采用的技术方案是：
[0007]
一种生物电极，包括：
[0008]
管体；
[0009]
阴极；
[0010]
阳极；
[0011]
陶土盆，其设置于所述管体上端，所述阴极绕过所述陶土盆中伸入所述管体中，所述阳极伸入所述陶土盆；
[0012]
保护罩，其设置于管体的上端并位于所述陶土盆的上方。
[0013]
优选地，位于所述管体的外部还具有直流电源，所述阴极和所述阳极电连接至所述可调直流电源。
[0014]
优选地，所述管体为圆管，所述管体由硬塑料网围成。
[0015]
优选地，所述阴极和所述阳极上均具有碳纤维刷。
[0016]
优选地，所述管体和所述陶土盆中填充有颗粒状导电基质。
[0017]
优选地，所述颗粒状导电基质由铁基材料、锰基材料、碳基材料中的一种或两种制成。
[0018]
与现有技术相比，本实用新型公开的一种生物电极的有益效果是：
[0019]
1、提高人工湿地耦合微生物燃料电池的污染去除效率和运行稳定性、电池内阻低。本实用新型的生物电极缩短了阳极和阴极间距，中间设置陶土盆作为隔层，在连通内电路的同时提高氧化还原电位梯度优势，通过降低微生物燃料电池内阻，实现阳极厌氧区对有机物的长期高效降解。用于人工湿地污水处理时，cod表面负荷可提高30％以上。
[0020]
2、湿地空间利用率高、构型更合理。通过外接电源将电极装置之间连通，使湿地上层好氧区和下层厌氧区形成连通的阴极室和阳极室，充分利用湿地空间提升微生物电化学效应。
[0021]
3、电活性微生物启动快、可快速达到稳定。本生物电极通过外电路供电，刺激阳极接种的电活性微生物快速增值成膜，系统启动时间可由14～7d缩短到2d～12h。(3)运行费用低、系统能耗小。采用可调电压的直流电源供电，电压范围为0～3v，在运行前期设定合适的电压，诱导电活性微生物在阳极上富集并生长，系统启动后无需供电。
[0022]
4、电子调配功能。电子从阳极向阴极移动形成电场，可使污水中重金属离子在电场定向移动并富集于阴极，防止随出水渗漏和植物吸收。
[0023]
5、湿地应急调理功能。湿地有机物积累发生堵塞时，可通过断开微生物燃料电池的外电路，接通外接电源，并设定合适的电压，使系统转为微生物电解池，增强原微生物燃料电池阳极局部有机物降解，从而防止湿地堵塞。
[0024]
本实用新型中描述的技术的各种实现或示例的概述，并不是所公开技术的全部范围或所有特征的全面公开。
附图说明
[0025]
在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有字母后缀或不同字母后缀的相同附图标记可以表示相似部件的不同实例。附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所实用新型的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。
[0026]
图1为本实用新型的实施例所提供的生物电极的结构示意图。
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附图标记：
[0028]
1-阴极；2-阳极；3-保护罩；4-陶土盆；5-碳纤维刷；6-密封圈；7-管体；8-碳纤维刷；9-可调直流电源。
具体实施方式
[0029]
除非另外定义，本实用新型使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
[0030]
为了保持本实用新型实施例的以下说明清楚且简明，本实用新型省略了已知功能和已知部件的详细说明。
[0031]
如图1所示，本实用新型的实施例公开了一种生物电极为管结构，由管体7、保护罩3、阴极1、阳极2、陶土盆4、以及外接可调电压直流电源9等部件构成。管体7为硬塑料网，且为圆管，陶土盆4设置于管体7的上端，保护罩3位于陶土盆4的上方，陶土盆4与管体7之间具有密封圈6，管体7的长度为50cm，内径为3cm，外径为5mm。阴极1上具有碳纤维刷5，阳极2具有碳纤维刷8，管体7内部和陶土盆4中填满生物源锰氧化物颗粒，粒径8-12mm。优选地，碳纤维刷5，8上接种电活性微生物菌剂，由希瓦氏菌、芽孢杆菌、柠檬酸杆菌中的两种及以上制成。
[0032]
安装时将电极按照1m的间距垂直布置于人工湿地内，阳极端位于距离湿地表面60-70cm处，阴极端位于距离湿地表面10-20cm区域，布置完毕后将阳极和阴极通过导线连通，四周和顶部用人工湿地填料填充固定。以直流可调电压装置作为外接电源9，与电极之间通过串联方式连通。外接电源9接通时，系统为微生物电解池，外接电源9断开时，接入负载电阻，系统为微生物燃料电池。
[0033]
人工湿地植入本实用新型生物电极装置具有以下有益效果：(1)提高人工湿地耦合微生物燃料电池的污染去除效率和运行稳定性、电池内阻低。本实用新型的生物电极缩短了阳极和阴极间距，中间设置陶土盆隔层4，在连通内电路的同时提高氧化还原电位梯度优势，通过降低微生物燃料电池内阻，实现阳极厌氧区对有机物的长期高效降解。用于人工湿地污水处理时，cod表面负荷可提高30％以上。(2)湿地空间利用率高、构型更合理。通过外接电源9将电极装置之间连通，使湿地上层好氧区和下层厌氧区形成连通的阴极室和阳极室，充分利用湿地空间提升微生物电化学效应。(3)电活性微生物启动快、可快速达到稳定。本生物电极通过外电路供电，刺激阳极接种的电活性微生物快速增值成膜，系统启动时间可由14～7d缩短到2d～12h。(3)运行费用低、系统能耗小。采用可调电压的直流电源供电，电压范围为0～3v，在运行前期设定合适的电压，诱导电活性微生物在阳极上富集并生长，系统启动后无需供电。(4)电子调配功能。电子从阳极向阴极移动形成电场，可使污水中重金属离子在电场定向移动并富集于阴极，防止随出水渗漏和植物吸收。(5)湿地应急调理功能。湿地有机物积累发生堵塞时，可通过断开微生物燃料电池的外电路，接通外接电源9，
并设定合适的电压，使系统转为微生物电解池，增强原微生物燃料电池阳极局部有机物降解，从而防止湿地堵塞。
[0034]
此外，尽管已经在本实用新型中描述了示例性实施例，其范围包括任何和所有基于本实用新型的具有等同元件、修改、省略、组合(例如，各种实施例交叉的方案)、改编或改变的实施例。权利要求书中的元件将被基于权利要求中采用的语言宽泛地解释，并不限于在本说明书中或本申请的实施期间所描述的示例，其示例将被解释为非排他性的。因此，本说明书和示例旨在仅被认为是示例，真正的范围和精神由以下权利要求以及其等同物的全部范围所指示。
[0035]
以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如，上述示例(或其一个或更多方案)可以彼此组合使用。例如本领域普通技术人员在阅读上述描述时可以使用其它实施例。另外，在上述具体实施方式中，各种特征可以被分组在一起以简单化本实用新型。这不应解释为一种不要求保护的公开的特征对于任一权利要求是必要的意图。相反，本实用新型的主题可以少于特定的公开的实施例的全部特征。从而，以下权利要求书作为示例或实施例在此并入具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本实用新型的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求赋权的等同形式的全部范围来确定。
[0036]
以上实施例仅为本实用新型的示例性实施例，不用于限制本实用新型，本实用新型的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本实用新型的实质和保护范围内，对本实用新型做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本实用新型的保护范围内。