专利名称：人工湿地耦合mfc系统及其提高有机物去除效能的方法
技术领域：
本发明属于能源与水处理领域，具体涉及适用于污水处理回收电能并提高有机物去除能效的人工湿地耦合MFC (Microbial Fuel Cell，微生物燃料电池)产能水质处理方法。
背景技术：
随着经济的不断发展，能源和环境问题日益突出。联合国环境署的报告表明，整个地球的环境正在全面恶化，环境问题是一个全球性问题。如果能源和环境问题得不到有效解决，不仅人类社会可持续发展的目标难以实现，而且人类的生存环境和生活质量也会受到严重影响。因此，世界各国在能源战略和政策上更加强调能源与环境的关系，更加注意环境保护的重要性。在这种国际形势下，可再生能源以其独特的优势受到世界各国的重视，开发和利用可再生能源己经成为世界能源可持续发展战略的重要组成部分，成为大多数发达国家和部分发展中国家21世纪能源发展战略的基本选择。在各种可再生能源中，生物质能是独特的，它不仅是贮存的太阳能，更是唯一一种可再生的碳源。生物质能可以从多种废弃物中获得，可作为废物资源化的一种方式，实现资源利用的可持续发展。在污水处理领域，随着近年来生物技术的不断发展，污水的生物处理不但成为该领域的主要技术，而且在实现污水处理的同时实现了污水的资源化利用。MFC是利用酶或者微生物的催化活性，通过其代谢作用将有机物氧化产生电能的装置。它属于生物质能利用技术中的生物化学转化技术，将生物质转化为电能。将MFC应用到废水处理领域，在处理有机废水的同时获得电能，是缓解当前能源危机和解决环境问题的有效途径，也是环境能源领域的热点研究课题之一。人工湿地不仅氮、磷去除能力强、建设运行成本低、管理维护方便，而且具有好氧 /厌氧兼备的内部环境、基质的高比表面积、较长的水力停留时间和植物根圈效应等优点， 使得人工湿地对有机物尤其是难降解有机物的去除具有较高的潜能，也受到了广泛关注。 Adria (阿德里亚)等人证明三氯苯通过微生物的还原作用脱氯而转化为单氯苯。微生物降解六氯苯全氯乙烯或多氯联苯的过程则是通过还原脱卤作用，得到的产物，再通过好氧条件下的生物降解过程进一步降解。综合MFC和人工湿地的优势，在人工湿地中弓I入MFC技术，将人工湿地下层厌氧环境的高比表面积基质经过改性后作为MFC的阳极，将人工湿地的表层基质作为MFC的空气阴极，构建人工湿地-MFC，通过湿地系统中种类及数量丰富的微生物，形成电极-微生物生物电极效应，植物_微生物根际效应，基质_微生物生物膜效应，并通过产电微生物促进各种污染物质的降解，同时收集产生的电能。人工湿地耦合MFC方法，作为一种复合功能的生物修复方法，不仅具有其独特的生态系统，能够多途径地净化污染物质，促进有机物尤其是难降解有机污染物的降解，而且能够回收所产生的电能，实现能源的回收利用和资源的最大化利用，其研究具有非常显著的现实意义。
目前MFC应用在人工湿地中的研究国内外尚未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种人工湿地耦合微生物燃料电池的系统，还在于提供人工湿地耦合微生物燃料电池提高有机物去除效能的方法。为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案
一种人工湿地耦合MFC系统，其特征在于所述系统由人工湿地加载MFC构成，系统自下至上布有粗沙砾层、活性炭层、绝缘沙砾层、顶层导电材料层以及植物，活性炭层构成MFC 的阳极，顶层导电材料层构成MFC的阴极，阴、阳极电极分别由导线导出与外接电路连接。一种人工湿地耦合MFC提高有机物去除效能的方法，其特征在于，首先，废水经进水区进入人工湿地，由底部均勻布水后，沿粗沙砾层呈推流式上升，其中有机物因粗沙砾表面大量微生物生长形成的生物膜吸附、截留、分解而被初步的降解；然后，初步降解的废水进入活性炭层，该层处于严格的厌氧环境中，并具有高表面积，通过活性炭自身的吸附作用及其上附着微生物的厌氧消化过程，将有机物进行去除，并通过产电菌的活性促成电流的产生，促进了有机物尤其是难降解有机物的降解；接着，废水流经绝缘沙砾层，此层为厌氧和好氧过渡区，剩余污染物被细沙砾表面附着的生物膜吸附、降解；最后，废水流入顶层导电材料层，该层一部分浸没在水中，一部分暴露在空气中，其间种植植物，空气中氧的溶解以及植物根系对氧的传递释放使得该层为好氧区域，剩余污染物进一步通过微生物的增殖、异化以及植物的吸收、根际效应而去除；同时活性炭层构成MFC的阳极，顶层导电材料层构成MFC的阴极，阳极富集的产电菌降解有机物产生质子和电子，电子被导出产电菌胞夕卜，经电极和外接电路导至阴极，质子随反应器内溶液上流至阴极，在氧气的参与下，发生电极反应生成水，完成了产电功能的全过程。本发明在人工湿地中耦合MFC技术，将人工湿地下层厌氧环境的高比表面积基质经过改性后作为MFC的阳极，将人工湿地的表层基质作为MFC的空气阴极，构建单室无膜 MFC型人工湿地，综合了 MFC和人工湿地的性能优势。一方面，MFC阳极的有利环境为有机物尤其是难降解有机物的去除提供了基本工作环境。同时，利用MFC系统内部的电子流通， 强化了有机物电子的供给，促进了有机物的降解。另一方面，植物根系和基质表面富集大量微生物，并生长形成生物膜，强化吸附分解水中污染物，而根系分泌的小分子化合物和酶帮助提高了微生物活性，进一步促进污染物的降解。整个系统不仅拓展了有机物降解的途径， 大幅度提高了有机物尤其是难降解性有机物的去除效能，同时提高了 MFC的产电性能，在促进废水降解的同时获得了电能，是缓解当前能源危机和解决环境问题的有效途径，具有不可估量的发展潜力。
图1是本发明人工湿地耦合MFC系统的结构示意图。其中，1-进水区；2-粗沙砾层；3_活性炭层；4-绝缘沙砾层；5-顶层导电材料层；6-植物；7-植物根系；8-外接电路； 9-外接电路负载；10-出水区。
图2是本发明人工湿地耦合MFC系统的实际应用概念图。其中，1-进水区；2-粗沙砾层；3-活性炭层；4-绝缘沙砾层；5-顶层导电材料层；6-植物；7-植物根系；8-外接电路；9-外接电路负载；10-出水区。
具体实施方式
如图1和图2所示，人工湿地耦合MFC系统由人工湿地加载MFC构成，系统自下至上布有粗沙砾层、活性炭层、绝缘沙砾层、顶层导电材料层以及植物，活性炭层构成MFC的阳极，顶层导电材料层构成MFC的阴极，阴、阳极电极分别由导线导出与外接电路连接。人工湿地耦合MFC能大大提高废水中有机物去除效能，方法及过程如下首先，废水经进水区进入人工湿地，由底部均勻布水后，沿粗沙砾层呈推流式上升，其中有机物因粗沙砾表面大量微生物生长形成的生物膜吸附、截留、分解而被初步的降解；然后，初步降解的废水进入活性炭层，该层处于严格的厌氧环境中，并具有高表面积，通过活性炭自身的吸附作用及其上附着微生物的厌氧消化过程，将有机物进行去除，并通过产电菌的活性促成电流的产生，促进了有机物尤其是难降解有机物的降解；接着，废水流经绝缘沙砾层，此层为厌氧和好氧过渡区，剩余污染物被细沙砾表面附着的生物膜吸附、降解；最后废水流入顶层导电材料层，该层一部分浸没在水中，一部分暴露在空气中，其间种植植物，空气中氧的溶解以及植物根系对氧的传递释放使得该层为好氧区域，剩余污染物进一步通过微生物的增殖、异化以及植物的吸收、根际效应而去除。在上述过程中，具有导电特性的活性炭层构成了 MFC 的阳极，顶层导电材料层则构成了 MFC的阴极，阴、阳极电极分别由导线导出与外接电路连接，阳极富集的产电菌降解有机物产生质子和电子，电子被导出产电菌胞外，经电极和外接电路导至阴极，质子随反应器内溶液上流至阴极，在氧气的参与下，发生电极反应生成水， 完成了产电功能的全过程。为了进一步提高系统的净化效能和产电效能，其中，活性炭层可以采用直径为 3_5mm的活性炭颗粒，填充密度为0. 45-0. 55g/cm3 ；绝缘沙砾层的沙砾可以选用直径为 6-8mm表面光滑的砂石材料，以避免增加水流阻力，而影响质子传递，进而增大MFC系统内阻；顶层导电材料层的导电材料可以采用颗粒活性炭、不锈钢材质、碳布、石墨颗粒或石墨毡等，并可以进行催化处理；导线最好采用钛导线，也可采用铜导线，并进行连接点的绝缘密封处理，以避免溶液对导线的腐蚀；植物根部最好能穿透阳极层区，即活性炭层区。本实施例的产能型人工湿地耦合MFC水质处理技术运行原理是这样的，污染废水由底部进入，经均勻分配后沿粗沙砾层缓慢上升，在阳极活性炭层通过基质以及其上附着的生物膜对污染物进行吸附、净化，降解过程中产生了电子和质子，电子经阳极、外电路到达阴极，而质子经上部绝缘沙砾层到达阴极，阴极以氧气作为电子受体，同质子与氧气发生电极反应生成水，形成回路并产生电流，回路中电流的产生强化了有机物电子的供给，促进了有机物的降解。同时湿地植物利用植物根际效应，对湿地中的污染物进行去除、转化和固持，植物根部分泌的酶也促进了污染物的降解。此外根毛细胞分泌的乙酸盐等简单化合物， 以及根际微生物降解污染物后的小分子化合物，对于产电菌来说更易吸收与降解，因而能够提高产电菌的生物活性。整个系统的协同耦合作用，加强了系统中的物质与能量流通，促进了其净化效能，也强化了产能效能。
权利要求
1.一种人工湿地耦合MFC系统，其特征在于所述系统由人工湿地加载MFC构成，系统自下至上布有粗沙砾层、活性炭层、绝缘沙砾层、顶层导电材料层以及植物，活性炭层构成MFC 的阳极，顶层导电材料层构成MFC的阴极，阴、阳极电极分别由导线导出与外接电路连接。
2.按权利要求1所述的人工湿地耦合MFC系统，其特征在于所述活性炭层的活性炭颗粒直径为3-5mm，填充密度为0. 45-0. 55g/cm3。
3.按权利要求1所述的人工湿地耦合MFC系统，其特征在于所述绝缘沙砾层的沙砾选用直径为6-8mm表面光滑的砂石材料。
4.按权利要求1所述的人工湿地耦合MFC系统，其特征在于所述顶层导电材料层的导电材料采用颗粒活性炭、不锈钢材质、碳布、石墨颗粒或石墨毡。
5.按权利要求1所述的人工湿地耦合MFC系统，其特征在于所述导线采用钛导线或铜导线。
6.一种人工湿地耦合MFC提高有机物去除效能的方法，其特征在于，首先，废水经进水区进入人工湿地，由底部均勻布水后，沿粗沙砾层呈推流式上升，其中有机物因粗沙砾表面大量微生物生长形成的生物膜吸附、截留、分解而被初步的降解；然后，初步降解的废水进入活性炭层，该层处于严格的厌氧环境中，并具有高表面积，通过活性炭自身的吸附作用及其上附着微生物的厌氧消化过程，将有机物进行去除，并通过产电菌的活性促成电流的产生，促进了有机物尤其是难降解有机物的降解；接着，废水流经绝缘沙砾层，此层为厌氧和好氧过渡区，剩余污染物被细沙砾表面附着的生物膜吸附、降解；最后，废水流入顶层导电材料层，该层一部分浸没在水中，一部分暴露在空气中，其间种植植物，空气中氧的溶解以及植物根系对氧的传递释放使得该层为好氧区域，剩余污染物进一步通过微生物的增殖、 异化以及植物的吸收、根际效应而去除；同时活性炭层构成MFC的阳极，顶层导电材料层构成MFC的阴极，阳极富集的产电菌降解有机物产生质子和电子，电子被导出产电菌胞外，经电极和外接电路导至阴极，质子随反应器内溶液上流至阴极，在氧气的参与下，发生电极反应生成水，完成了产电功能的全过程。
7.按权利要求6所述的人工湿地耦合MFC提高有机物去除效能的方法，其特征在于所述活性炭层的活性炭颗粒直径为3-5mm，填充密度为0. 45-0. 55g/cm3。
8.按权利要求6所述的人工湿地耦合MFC提高有机物去除效能的方法，其特征在于所述绝缘沙砾层的沙砾选用直径为6-8mm表面光滑的砂石材料。
9.按权利要求6所述的人工湿地耦合MFC提高有机物去除效能的方法，其特征在于所述顶层导电材料层的导电材料采用颗粒活性炭、不锈钢材质、碳布、石墨颗粒或石墨毡。
10.按权利要求6所述的人工湿地耦合MFC提高有机物去除效能的方法，其特征在于所述植物根部穿透阳极层区
全文摘要
本发明公开一种人工湿地耦合MFC的系统，其特征在于所述系统由人工湿地加载MFC构成，系统自下至上布有粗沙砾层、活性炭层、绝缘沙砾层、顶层导电材料层以及植物，活性炭层构成MFC的阳极，顶层导电材料层构成MFC的阴极，阴、阳极电极分别由导线导出与外接电路连接。本发明公开了人工湿地耦合MFC提高有机物去除效能的方法。人工湿地耦合MFC不仅拓展了有机物降解的途径，大幅度提高了有机物尤其是难降解性有机物的去除效能，同时提高了MFC的产电性能，在促进废水降解的同时获得了电能，是缓解当前能源危机和解决环境问题的有效途径，具有不可估量的发展潜力。
文档编号C02F9/14GK102351387SQ20111027437
公开日2012年2月15日 申请日期2011年9月16日 优先权日2011年9月16日
发明者吴磊, 宋海亮, 李先宁, 项文力 申请人:东南大学