一种以钢渣为阳极的同步产电和污水净化的装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于污水处理领域，具体涉及一种以钢渣为阳极的同步产电和污水净化的装置，通过垂直流人工湿地与微生物燃料电池耦合实现产电和污水净化。
【背景技术】
[0002]能源危机和环境污染以及由此产生的社会、气候问题等已经成为全世界关注的焦点。以“减量化、资源化和再利用”为原则发展清洁能源和循环经济，是建设资源节约型、环境友好型社会和实现可持续发展的重要途径。开发、利用以太阳能、核能、风能、生物质能为主的清洁能源是替代传统能源，解决能源危机的必然选择，也是我国未来能源发展的战略要求。
[0003]人工湿地(Constructed Wetland，CW)是模仿自然生态系统基础上的强化和改造，利用不同自然条件下水生生物多样性进行群落时空优化的污水净化系统，是最接近自然的人工生态系统之一(吴振斌，复合垂直流人工湿地，科学出版社，北京，2008)。具有效率高、成本低、运行管理简单等特点，已广泛应用于生活污水、农村面源污染及湖泊污染防治。
[0004]微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)是利用微生物催化氧化有机物及无机物并且产生电能的装置，可以用于废水处理，且耗能低，近年来成为环境领域的研究热点。
[0005]人工湿地与微生物燃料电池可通过湿地植物、微生物、基质、电极实现一体化的结合，形成人工湿地-微生物燃料电池(CW-MFC)的耦合系统，利用湿地植物光合作用转化太阳能为电能，可在净化污水的同时回收电能，将成为分散式持续可再生能源发电的一种新模式，具有良好的发展前景。
[0006]目前，关于CW-MFC耦合系统的研究刚刚起步，其中电极的研究对于降低运行成本、提高功率密度及水质净化效能有着重要的意义。良好的电极构型需要为微生物提供尽量大的附着面积，同时实现有效的电子收集。现在已使用在CW-MFC系统中的电极材料主要有石墨毡、石墨板、颗粒活性炭(GAC)、不锈钢格网及碳纤维布。其中GAC被认为最适宜作为植物产电系统的阳极材料，其粒径小，表面粗糙，产电及污水净化性能较优(Arends J.B.A.，1ndeel V., Tennison S.R., Boon N., Verstraete ff., Suitability of granularcarbon as an anode material for sediment microbial fuel cells, in Journal ofSoils and Sediment, 2012, pp.1197-1206.)，但是，这种材料的价格相对较高，实用性不尚O
[0007]钢渣，一种工业固体废物，排出量约为粗钢产量的15%_20%。钢渣主要由I丐、铁、娃、镁和少量铝、锰、磷等的氧化物组成。主要的矿物相为硅酸三钙、硅酸二钙、钙镁橄榄石、钙镁蔷薇辉石、铁铝酸钙以及硅、镁、铁、锰、磷的氧化物形成的固熔体，还含有少量游离氧化钙以及金属铁、氟磷灰石等，在理论上具备较大的磷吸附容量。目前钢渣用作CW-MFC系统阳极材料的研究国内外尚无报道。
【发明内容】
[0008]本实用新型的目的是在于提供了一种以钢渣为阳极的同步产电和污水净化的装置，将钢渣电极填埋到微生物燃料电池阳极同时与垂直流人工湿地相耦合，实现同步产电和污水净化的双重效用，提高阳极电子传输效率，降低电池内阻，提高了产电性能。
[0009]为实现上述目的，本实用新型采用以下技术措施:
[0010]技术方案:本实用新型的核心是以垂直流人工湿地结构为基础，通过填埋钢渣阳极层、生物阴极层，形成了微生物燃料电池和人工湿地相耦合的新型结构方法，该方法通过以钢渣作为电池阳极，提高阳极电子传输效率，降低电池内阻，从而提高了 CW-MFC系统的产电性能;另一方面，通过钢渣对污水中磷的吸附，以及基质、微生物、植物根系对其他污染物的净化作用，可以强化CW-MFC系统的污水净化能力。
[0011]—种以钢渣为阳极的同步产电和污水净化的装置，包括底部非导电填料层、钢渣阳极层、电流收集器、上部非导电填料层、阴极层、导线、电阻箱及湿地植物，在垂直流人工湿地中从下至上依次设置底部非导电填料层、钢渣阳极层、上部非导电填料层和阴极层，钢渣阳极层中埋设电流收集器，电流收集器与阴极层分别通过导线与电阻箱连接组成闭合回路，湿地植物穿过阴极层种植在上部非导电填料层中，所述的底部非导电填料层厚度为3-20cm；钢渣阳极层厚度为5-25cm；上部非导电填料层厚度为10_30cm；阴极层厚度为3_15cm，所述的钢渣阳极层内电流收集器为不锈钢格网或石墨碳棒。
[0012]所述的底部非导电填料层及上部非导电填料层内填料为砾石、沸石、无烟煤、生物陶粒和石英砂中的I种或2至5种的任意组合，粒径为0.5-10_。
[0013]所述的湿地植物为千屈菜、风车草、茭白、美人蕉、水甜茅、大米草、野古草、菖蒲、芦苇、象草、花叶芦荻和鸢尾中的I种或2至12种的任意组合。
[0014]所述的钢渣阳极层内填料为废弃的钢渣，为转炉渣、平炉渣、电炉渣中任一种；钢渣粒径为1-8mm，填充密度为0.35-0.65g/cm3。
[0015]所述的阴极层内导电材料为石墨颗粒、活性炭颗粒、石墨毡、不锈钢中任一种，其中以石墨颗粒或活性炭颗粒为阴极填料时，粒径为1_5_，同时要插入电流收集器不锈钢网或石墨碳棒。
[0016]以钢渣为阳极的同步产电和污水净化水的过程为:
[0017]A、污水首先在底部均匀布水(包括微污染地表水、受污染地下水及生活污水)，并沿底部非导电填料层呈推流式上升，由于基质的吸附、截留作用，以及基质中微生物的代谢作用，污水中部分有机物以及悬浮物被有效地去除，TN与TP也部分被截留；
[0018]B、经过步骤A的污水向上流过钢渣阳极层，污水中的有机物及植物根系分泌的有机物被附着在钢渣上的产电菌利用，释放电子，钢渣中金属氧化物作为中介体，帮助电子快速有效地传递到阳极表面被电流收集器收集起来，传递到外电路上，最后通过外接电阻箱到达阴极层形成闭合回路，产生电能。在这个过程中，污水中有机物被大量消耗，磷由于钢渣的物理吸附、化学吸附以及沉淀作用含量大大降低，氨氮由于与钢渣中金属阳离子发生阳离子交换作用，也被部分去除；
[0019]C、经过步骤B的污水流入上部非导电填料层，湿地植物的根系分散在该基质层。此过程中由于植物根系的吸收、吸附等作用，基质的吸附、截留作用，以及基质中微生物的代谢作用，污染物中有机物、TN、TP得到进一步地去除；
[0020]D、经过步骤C的污水最终流入上部阴极层，由于采用的是空气生物阴极，在阴极与附着在阴极周围的微生物的共同作用下，污水中剩余的有机物与氮、磷进一步被去除，净化后污水经出水管流出装置。
[0021]本实用新型与现有的技术相比，具有以下的优点和效果:
[0022](I)废弃钢渣再利用。本实用新型中采用钢渣作为电池阳极填料，使废弃钢渣得到有效利用。
[0023](2)降低成本。本实用新型中CW-MFC耦合系统在实现同步产电和污水处理的基础上，与传统的CW-MFC系统常用的颗粒活性炭(GAC)等电极相比，大大降低了电池的成本。与人工湿地的常用填料砂石、无烟煤等相比，也大大降低了系统的运行成本。
[0024](3)强化产电菌群传输效率，提高产电效能。MFC阳极的电化学活性微生物主要由异化金属还原菌构成。金属氧化物与异化金属还原菌的胞外细胞色素C具有高度亲和性，能够作为电子受体而被还原，以金属离子或其氧化物(Mn2+、Ni2+、Fe304、Ni2+等)对电极进行修饰，可以明显提高电极的工作效率，钢渣本身具有较强的导电性，粒径较小，表面粗糙，且钢渣中富含铁、锰等金属氧化物，Fe3O4等金属氧化物可以作为中介体，提高电子从产电菌到阳极表面的传输效率，降低阳极的欧姆内阻和极化内阻，从而提高CW-MFC系统的产电效能。
[0025](4)对磷的吸附性能较好。钢渣作为人工湿地的填充基质，对磷的去除效果较好，平均去除率可以高达91.9%，钢渣除了自身对磷素存在物理吸附外，自身矿物组成成分中的钙离子、铝离子等金属离子会与污水中磷酸盐发生化学反应，进一步发生沉淀作用。
[0026](5)钢渣本身作为一种潜在的湿地填料存在出水容易呈强碱性的问题，而MFC运行过程中，随着电子经外电路转移到阴极，为了维持阳极和阴极的离子浓度，只有H+迀移到阴极，或者0H—向相反方向运动，而除H+以外的阳离子或者0H—以外的阴离子的迀移会导致积累致浓度梯度增大，使得阳极室PH下降，出现酸化问题，将钢渣用作CW-MFC系统阳极填料，钢渣中富含的阳离子恰好可以减小阴阳极浓度梯度，解决上述问题。
【附图说明】
[0027]图1为一种以钢渣为阳极的同步产电和污水净化的装置结构示意图。
[0028]其中，1-底部非导电填料层;2-钢渣阳极层;3-电流收集器;4-上部非导电填料层；5-湿地植物;6-阴极层;7-导线;8-电阻箱。
【具体实施方式】
[0029]以下结合附图1对实用新型的具体实施例进行解释和说明，并不构成对本实用新型的限制。
[0030]实施例1:
[0031]如图1所示，一种以钢渣为阳极的同步产电和污水净化的装置，以圆柱形的PVC管(H=70Cm，D=15Cm)作为上行垂直流人工湿地，上行垂直流人工湿地中包括底部非导电填料层1、钢渣阳极层2、电流收集器3、上部非导电填料层4、阴极层6、导线7、电阻箱8及湿地植物5，在垂直流人工湿地中从下至上依次设置底部非导电填料层1、钢渣阳极层2、上部非导电填料层4和阴极层6，钢渣阳极层2中埋设电流收集器3，电流收集器3与阴极层6分别通过导线7与电阻箱8连接组成闭合回路，湿地植物5穿过阴极层6种植在上部非导电填料层4中。进水管设置在底部非导电填料层I下端，出水管设置在顶部阴极层6处。
[0032]底部非导电填料层I中填充砾石，铺设厚度H=20cm，砾石粒径为5-10mm;钢渣阳极层2中填充取自武汉某钢铁厂的钢渣，铺设厚度H=1cm,钢渣粒径为l-8mm，填充密度为
0.45g/cm3;钢渣中插入不锈钢网作为电流收集3;上部非导电填料层4中填充石英砂，铺设厚度H=30cm，石英砂粒径为0.5-lmm;湿地植物5为美人蕉(3株)；阴极层6高度H=3cm，以石墨毡为电极材料平铺在石英砂上，使进水污水没过石墨毡，石墨毡厚度D=6mm;电阻箱8设置为1000 欧。
[0033]其中进水为实验室自配的生活污水，该污水特征为:C0D=500-600mg/L，TN=30-40mg/L，T