源动力‑‑景观用水除藻及藻类能源利用系统的制作方法

本实用新型涉及一套利用微生物燃料电池技术以藻类为底物进行发电的系统，对公园景观用水水质的处理和净化并利用水中的藻类发电以供系统的能耗，属于水处理及能源利用技术领域。

背景技术：

目前景观用水的处理方法主要有曝气充氧、混凝沉淀、生物接触氧化法。曝气充氧是指对水体进行人工曝气复氧以提高水中的溶解氧含量，使其保持好氧状态，防止水体黑臭现象的发生。曝气充氧的方式有瀑布、跌水、喷水3种，这3种方法的能耗都很高，并且，仅依靠水的曝气充氧只能局部提高水体中的溶解氧含量，而很难保证整个水体的好氧环境。混凝沉淀法的处理对象是水中的悬浮物和胶体杂质，沉淀或澄清构筑物的类型很多，可除藻率却不相同。生物接触氧化法处理是使微生物和原、后生动物一类的微型动物附着在填料或某些载体上生长繁育，形成膜状生物污泥，污水与生物膜接触时，污水中的营养物质被生物膜上的微生物所摄取，使微污染水得到净化。可见，目前景观用水的处理方法都需要能耗，但是每一种方法自身都无法产生能量来为处理水质持续供能，若要保证景观用水的水质要求，则会增加景观用水的处理成本。

微生物燃料电池(MFC)技术是一种产生电能的新方式，MFC技术应用于污水处理方面的研究始于上个世纪末。1911年植物学家Potter用酵母和大肠杆菌进行试验，发现微生物也可以产生电流，从此，开创了生物燃料电池的研究。至今，在空间科学研究过程中,已开发出几种可用于空间飞行器的生物燃料电池，用飞行器中的生活垃圾作电池的燃料，可以说是真正意义上的环保新能源。从上世纪末开始，直接的生物燃料电池开始成为研究重点。生物燃料电池不仅在理论上具有很高的能量转化效率，同时它还有着一些自身的特点：原料来源广泛、电池的操作条件较温和、生物相溶性好。但是，生物燃料电池作为一种新能源的实际应用还比较遥远，主要是因为它的输出功率密度远不能满足要求。按照科学家们提出的理论，电子传递速率是由电势差、重组能和电子供体与受体之间的距离决定的，决定生物燃料电池输出功率密度的主要因素是相关的电子传递过程，也就是说，生物体系缓慢的电子传递速率是生物燃料电池发展的瓶颈。理论和实验都表明，随着电子传递途径距离的增加，电子传递速率呈指数下降的趋势。然而，通过借鉴生物电化学领域的直接电子传递的研究成果，在生物燃料电池中实现直接的电子传递，从而提高输出功率。

技术实现要素：

为了解决公园景观用水处理过程中成本高且无法连续净化水质的问题，本实用新型设计了一套收集藻类、净化水质并且利用水中收集的藻类发电的系统。该系统不仅解决了景观用水的污染问题，而且还利用水中藻类发电为系统提供部分能源，降低了处理景观用水的成本，做到了节能减排。

本实用新型设计了一套净化景观用水水质并利用景观用水中的藻类物质发电的能源再利用系统，系统分为三个部分：藻类收集系统、水质处理系统以及能源再利用系统；

藻类收集系统包括水泵(1)、藻类收集装置(5)；能源再利用系统包括微生物燃料电池(11)和蓄电池；

水泵(1)经由压力表(2)、液体流量计(3)、第一止回阀(4)与藻类收集装置(5)相连，藻类收集装置(5)运用物理方法分离藻类杂质和水流，藻类收集装置(5)的底面为下坡，在藻类收集装置(5)内部还设有一竖直挡板(6)，竖直挡板(6)上设有孔能够截留藻类杂质，同时使水流过；竖直挡板(6)前面的底面上设有孔洞，孔洞上设有重力感应挡板(8)；藻类收集装置(5)中竖直挡板(6)收集的水一侧与水质处理系统(9)连接，水质处理系统(9)通过出水泵(10)和第二止回阀(4’)与后面进一步的水处理连接或用水连接；藻类收集装置(5)底面上的孔洞与微生物燃料电池(11)的阳极室连接，MFC反应器由质子交换膜分隔的阳极室和阴极室两室组成，阳极室中的阳极通过导线与蓄电池(12)的正极连接，阴极室中的阴极通过导线与蓄电池的正极连接。

微生物燃料电池(11)的阴极室设有曝气装置，蓄电池(12)分别与曝气装置和水泵(1)、出水泵(10)连接，用于供电。

水质处理系统(9)作用是初步净化水质，是絮凝沉降的固液分离装置，其工作原理是利用目前水处理技术重要的方法之一的絮凝沉降方法进行固液分离。本装置向通过分离后的水流中加入聚合氯化铝作为絮凝剂，使没有被截留的残余微小的藻类絮凝沉淀，净化了水质。

本实用新型源动力--景观用水除藻及藻类能源利用系统的应用方式，其特征在于，水泵将景观用水输送至藻类收集装置(5)，在藻类收集装置(5)中，原水流入藻类收集装置(5)，遇到一个下坡，下坡上设有的挡板，把水中的藻类杂质截留下来；每工作一段时间，藻类积累到一定程度，底面下坡孔洞的重力感应挡板会转动，将藻类通过孔洞撒落进微生物燃料电池(11)的阳极室中；微生物燃料电池(11)的阳极室还装有活性污泥，微生物燃料电池(11)以藻类作为底物，阳极室中的有机物藻类在厌氧条件下通过微生物新陈代谢作用氧化为代谢产物，同时产生电子和质子，电子由微生物通过直接和电极接触、中间介体或者纳米导线的方式传递到阳极表面，再由阳极经外电路传导到阴极，同时质子通过质子交换膜也到达阴极室。在阴极室中，电子、质子和电子受体(通常为空气或溶解氧)发生还原反应，产生H₂0。阳极室中产生的电子被不断的传递、消耗，从而形成闭合回路产生续电流；将生物能转化为电能，从而供给水泵和曝气装置的耗能；这样就同时实现了有机物的去除和电流的产生，在产生电能后，MFC反应器中的底物即藻类，可以用作堆肥，作为肥料供公园中的植物生长。

为了提高MFC反应器产能的效率，向反应器添加不同的生物试剂能够不同程度地提高产电效率，其中，加入浓度为3.41mg/mL的大肠杆菌能使电压提高0.64倍；加入浓度为300mg/L的活性炭并控制溶液PH在7-7.5之间能提高0.86倍；加入浓度为0.33g/L的葡萄糖溶液能提高电压0.3倍。通过对比，往反应器里加入一定体积的活性炭能够提高反应器的产电效率。

所述系统的取水方式为泵向湖里抽水，在泵的作用下原水经管道流向藻类分离装置的凹槽，水从凹槽流过，遇到一个下坡，下坡上的挡板把水中的藻类截留下来，挡板上的藻类积累到一定重量的时候会触发重力感应装置，此时原水停止流动，并将藻类输送到能源再利用装置。能源再利用装置分为阴阳两室，中间由质子交换膜隔开。阳极室有活性污泥，有藻类作为底物，阴极室有曝气装置。阳极与蓄电池的负极连接，阴极与正极连接。阳极的藻类在厌氧条件下通过微生物新陈代谢作用氧化为代谢产物，同时产生电子和质子。质子通过质子交换膜传递到阴极室并与水中的溶解氧发生还原反应产生H₂O。在此过程中产生的电能由蓄电池储存以供系统的耗能用。原水经过初步分离藻类后还有残余的藻类和杂质，在水质处理装置里面，通过添加絮凝剂使水中的藻类和杂质凝聚并沉淀下来，经过进一步处理的水达到了公园用水水质的要求，可直接排放到公园的景观用水里。

本实用新型的有益效果是，在净化景观用水水质的同时，利用水中的藻类发电，供给系统消耗的能量，不仅解决了景观用水污染严重的问题，还达到了节能减排的效果。

附图说明：

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是MFC反应器实验装置原理图

包括：1-进水泵，2-压力表，3-液体流量计，4-第一止回阀，4’-第二止回阀5-藻类收集装置，6-挡板，7-出藻口，8-重力感应挡板，9-水质处理系统，10-出水泵，11-微生物燃料电池，12-蓄电池，13-阴极室，14-阳极室，15-阴极，16-质子交换膜，17-阳极，18-导线，19-负极，20-正极。

图3为实验过程中所得电压折线图。

具体实施方式：

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型的实施例中的技术方案进行详细地说明，但如下实施例以及附图仅是用于理解本实用新型，而不能限制本实用新型，本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

实施例1

附图1是本实用新型在的MFC反应器实验装置原理图，MFC反应装置(8x8x16cm的有机玻璃材质长方体)包括阴极室13(8x8x8cm)，质子交换膜16(8x8cm)，阳极室14(8x8x8cm)。阴极室13放入曝气装置和少量景观用水，阳极室14放入1/3体积的活性污泥和500g的藻类(取自朝阳公园景观用水),同时加入浓度为300mg/L的活性炭并控制溶液PH在7-7.5之间，阴极室13通过曝气装置使其中充满氧气，阳极室14在大气环境下，以藻类作为底物，促进微生物新陈代谢，同时产生电子和质子(反应式：有机物+H₂O→CO₂+H⁺+e-)。电子由微生物通过直接和电极接触、中间介体的方式传递到阳极表面，再从阳极出发经过蓄电池12传导到阴极，同时质子通过质子交换膜14也到达阴极室13；在阴极室13中，电子、质子和电子受体(通常为空气或溶解氧)发生还原反应产生H₂0(反应式：O₂+4H⁺+4e-→2H₂O)。阳极室中产生的电子被不断的传递、消耗，从而形成闭合回路产生续电流，这样就同时实现了藻类的利用和持续电流的产生。在实验过程中记录的原始电压数据见附图3。

实际运行中，我们以朝阳公园为例，假设朝阳公园景观湖面积100m²，以附图2示例，管道直径为100mm，进水泵1，压力表2，液体流量计3，第一止回阀4依次安装在管道上。藻类收集装置5从外观上看是一个用水泥砌成的1x1x1m的上端全封闭式立体结构，景观湖中的水在泵1的作用下从进水管进入到达藻类收集系装置5，藻类收集装置5中间处安装有一个挡板6(或格栅),将藻类截留，当藻类积累到一定程度时，触发重力感应挡板8，被截留的藻类通过出藻口7进入微生物燃料电池11的阳极室14，完成藻类收集后，实现一次净化的水流继续通过管道进入水质处理系统9，水质处理系统9从外观上看是一个用水泥砌成的1x1x1m的上端开放式立体结构，向水质处理系统9中添加絮凝剂，絮凝沉淀景观用水中没有被截留的残余微小的藻类及其他胶体杂质，完成此项处理过程的景观用水再经管道排入景观湖中，实现循环。