一种分体式湿地植物-微生物燃料电池耦合装置的制作方法

本实用新型属于植物微生物燃料电池领域，具体涉及可提高脱氮效果的分体式湿地植物-微生物燃料电池。

背景技术：

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

当今，氨氮已经成为水体污染的重要指标，水体中的氮以有机氮和无机氮的形式存在，工业废水、农业废水和生活污水是这些氮的主要来源。随着人类社会的发展，水体中的氨氮浓度越来越高，水体富营养化加剧，危及水生动物，破坏生态平衡，最终危害人体健康，造成严重的经济损失。

植物-微生物燃料电池(p-mfc)是一种新兴的污水处理工艺,可通过矿化、硝化和反硝化等一系列微生物循环过程完成氮素的降解，并产生电能。目前构建的p-mfc主要有两类,一类是将植物根区作为电池的阳极系统,利用根区分泌物解决mfc的燃料问题；另一类是利用湿地植物构建生物阴极型微生物燃料电池,其实质是利用根系泌氧构建好氧型生物阴极微生物燃料电池，在阴极同步完成硝化和反硝化过程。在阴极中，虽然根系微氧环境会促进硝化作用，但是由于植物产生的o2的氧化还原电位比no3^-高，o2会与no3^-争夺质子和电子，抑制no3^-的反硝化作用，使脱氮率降低。根系泌氧对硝化促进与反硝化抑制的矛盾得不到解决，就无法最大限度地发挥植物泌氧对脱氮的促进作用。

技术实现要素：

为了克服上述问题，本实用新型提供了一种分体式湿地植物-微生物燃料电池耦合装置。通过添加植物的外部阴极硝化反应器可以很好的解决这个问题，将植物与电池阳极、阴极分离，硝化和反硝化在两个不同的地方分前后进行，废水经p-mfc阳极氧化后流出被导向至好氧反应器，利用水体自由氧气及植物根系泌氧完成硝化，随后流入p-mfc的阴极在缺氧条件下进行电化学反硝化，从而避免了氧气对阴极反硝化过程的影响，将植物根系泌氧促进硝化、反硝化的作用最大化。

为实现上述技术目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种分体式湿地植物-微生物燃料电池耦合装置，包括：阳极室、阴极室、外部好氧反应器，所述阳极室与阴极室的一侧通过阳离子交换膜相连，所述阳极室设置有进水口和出水口，所述出水口与外部好氧反应器的进水口相连，所述外部好氧反应器的出水口与阴极室的进水口相连，所述阴极室还设置有出水口，所述阳极室和阴极室皆设置有石墨电极，且两个电极之间设有负载电阻。利用上述分体式结构，可使硝化、反硝化过程分离从而解决根系泌氧对p-mfc脱氮效率的影响。

在一些实施例中，所述阳极室的一侧与外部好氧反应器相贴合，阳极室的出水口高于外部好氧反应器进水口，且位于该贴合的侧壁上。使废水流动的动力来源于其在电极室及好氧反应器之间转移时自身的重力势能，可大大降低对能源的消耗，达到节能效果。

在一些实施例中，所述外部好氧反应器的一侧与阴极室一侧相贴合，外部好氧反应器的出水口高于阴极室的进水口，且位于该贴合的侧壁上。利用两者之间的高度差，使废水流动，降低能耗、减少了不必要的管路连接。

在一些实施例中，所述电极之间设置有电阻。通过电阻有效地限制和调节电流的大小，且在瞬时电流过大时，避免短路现象的发生。

植物发电系统的电流则受系统内部的结构、植物及微生物的生长状态，以及运行条件等多个因素之间共同的制约。不同的植物发电系统，产电电流大小相差较大。因此，在一些实施例中，所述外部好氧反应器为湿生植物，如芦苇、美人蕉、菖蒲等，以提高植物根际微生物活性，促进系统产电性能的提升。

在一些实施例中，阳极室接种城市生活污水处理厂厌氧消化污泥，接种量为50-200mg/l；

在一些实施例中，阴极室接种城市生活污水处理厂二沉池回流污泥，接种量为50-200mg/l，并采用乙酸作为反硝化碳源进行驯化。

本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型构建的新型p-mfc可以实现碳和氮同时去除，且阴极利用硝酸根为电子受体，利用反硝化细菌完成还原反应，可处理cod浓度较低的废水，也可降低阴极曝气所需的运行成本。

(2)本实用新型的阳极室、外部好氧反应器、阴极室之间存在高度差，废水可利用重力势能实现流动，以达到节能的效果。

(3)本实用新型的p-mfc对于植物本身不存在损伤，可以降解污水同时可以产生电能，本实用新型实现植物与电池阳极、阴极的分离，可在不影响产电的前提下进一步促进氮素降解，对缓解能源危机有重大意义，在污水灌溉效率的提升上、对城镇生活污水再利用上、对人工湿地和自然湿地的保护上有广泛的应用前景。

附图说明

构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例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。

图1为实施例1的装置结构图。其中，1.外部好氧反应器、2.进出水口、3.阳极室、4.石墨电极、5.离子交换膜、6.阴极室、7.污水进水口、8.污水出水口。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本实用新型使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，针对根系泌氧对硝化促进与反硝化抑制的矛盾并未得到解决，无法最大限度地发挥水稻泌氧的对脱氮促进作用的问题。因此，本实用新型提出一种分体式湿地植物-微生物燃料电池。构建的分体式湿地植物-微生物燃料电池将植物与电池阳极、阴极分离，将好氧反应阶段从电池反应中独立出来，避免了氧气对阴极反硝化过程的影响，在保证一定产电能力的前提下提高了脱氮效果。

以下结合实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。以下实施例中，阳离子交换膜为ultrexcmi-7000型阳离子交换膜。

实施例1：

一种分体式湿地植物-微生物燃料电池耦合装置，包括：阳极室3、阴极室6、外部好氧反应器1，所述阳极室3与阴极室6的一侧通过阳离子交换膜5相连，所述阳极室3设置有进水口7和出水口2，所述出水口2与外部好氧反应器的进水口相连，所述外部好氧反应器的出水口2与阴极室的进水口相连，所述阴极室还设置有出水口8，所述阳极室3和阴极室6皆设置有石墨电极4，且两个电极4之间设有负载电阻。

其中，本实用新型装配了两个高度不同的直角有机玻璃框作为阳极室、阴极室，内部尺寸依次为14×12×35、14×12×15厘米；外部好氧反应器由管式固定床反应器组成，内部尺寸为28×12×30厘米。在电极室和外部好氧反应器中填充直径从2到6毫米的粒状石墨作为电极，通过在每个电极室放置一根石墨棒来保证外部连接。每两个室之间插入橡胶片以保证密封。

阳极室接种城市生活污水处理厂厌氧消化污泥，接种量为100mg/l；

阴极室接种城市生活污水处理厂二沉池回流污泥，接种量为100mg/l，并采用乙酸作为反硝化碳源进行驯化。

外部好氧反应器中湿地植物为芦苇，湿地的水力负荷为50-80l/(m²·d)。

本实用新型处理废水的运行模式为废水经水泵输送由进水口7首先进入微生物燃料电池的阳极，发生有机质氧化，通过阳极电极收集电子。然后，废水由于高度差被输送到外部植物复合的好氧反应器进行好氧硝化阶段。废水最终被转移到发生硝酸盐还原的阴极。在阳极产生的电子通过外部电阻器转移到阴极，而质子通过阳离子交换膜(cem)扩散到阴极。

检测结果表明：采用农村或城市生活污水作为低碳氮比的废水时，当废水中cod浓度达到200mg/l以上时，cod去除率可达95％，产电功率密度可达85±7mw/m²。

实施例2：

一种分体式湿地植物-微生物燃料电池耦合装置，包括：阳极室3、阴极室6、外部好氧反应器1，所述阳极室3与阴极室6的一侧通过离子交换膜5相连，所述阳极室3设置有进水口7和出水口2，所述出水口2与外部好氧反应器的进水口相连，所述外部好氧反应器的出水口2与阴极室的进水口相连，所述阴极室还设置有出水口8，所述阳极室3和阴极室6皆设置有石墨电极4，且两个电极4之间设有负载电阻。

所述阳极室3的一侧与外部好氧反应器1相贴合，阳极室3的出水口高于外部好氧反应器1进水口，且位于该贴合的侧壁上。使废水流动的动力来源于其在电极室及好氧反应器之间转移时自身的重力势能，可大大降低对能源的消耗，达到节能效果。

实施例3：

一种分体式湿地植物-微生物燃料电池耦合装置，包括：阳极室3、阴极室6、外部好氧反应器1，所述阳极室3与阴极室6的一侧通过离子交换膜5相连，所述阳极室3设置有进水口7和出水口2，所述出水口2与外部好氧反应器的进水口相连，所述外部好氧反应器的出水口2与阴极室的进水口相连，所述阴极室还设置有出水口8，所述阳极室3和阴极室6皆设置有石墨电极4，且两个电极4之间设有负载电阻。

所述外部好氧反应器1的一侧与阴极室6一侧相贴合，外部好氧反应器1的出水口高于阴极室6的进水口，且位于该贴合的侧壁上。利用两者之间的高度差，使废水流动，降低能耗、减少了不必要的管路连接。

实施例4：

一种分体式湿地植物-微生物燃料电池耦合装置，包括：阳极室3、阴极室6、外部好氧反应器1，所述阳极室3与阴极室6的一侧通过离子交换膜5相连，所述阳极室3设置有进水口7和出水口2，所述出水口2与外部好氧反应器的进水口相连，所述外部好氧反应器的出水口2与阴极室的进水口相连，所述阴极室还设置有出水口8，所述阳极室3和阴极室6皆设置有石墨电极4，且两个电极4相连。

所述电极4之间设置有电阻。通过电阻有效地限制和调节电流的大小，且在瞬时电流过大时，避免短路现象的发生。

最后应该说明的是，以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。