一种人工湿地耦合微生物燃料电池和一种水污染处理的方法

本发明属于水污染治理，具体涉及一种人工湿地耦合微生物燃料电池和一种水污染处理的方法。

背景技术：

1、随着抗生素生产和消费的增加，抗生素滥用带来的环境污染问题和产生的生态风险日益严重。氟喹诺酮类抗生素是一种人畜共用的人工合成类抗菌药，是目前使用最广泛的抗生素种类之一。目前水环境中被检测出最多的氟喹诺酮抗生素主要包括氧氟沙星、诺氟沙星、恩诺沙星和环丙沙星等，相比于其它氟喹诺酮类抗生素，氧氟沙星在土壤和水体中表现出更强的持久性，也给环境带来了更高的风险。

2、人工湿地耦合微生物燃料电池(cw-mfc)技术因其绿色环保、低成本以及高效率等优点，已被广泛应用于环境中微量有机污染物的处理。目前已有报道利用cw-mfc对含抗生素废水进行处理研究，如磺胺和四环素等，它们均能在cw-mfc中降解，并同时产生电能，但是抗生素及其降解产物具有潜在的抗菌活性，这会降低cw-mfc的性能，导致对cod、n、p以及抗生素的去除能力降低。

技术实现思路

1、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和一种水污染处理的方法，本发明提供的人工湿地耦合微生物燃料电池对污染物降解效率高，可持续时间长。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供了一种人工湿地耦合微生物燃料电池，从下到上，依次包括填料层、阳极层、阴极层和植物层；

4、所述填料层包括第一卵石层和第一石英砂层中的一种或两种；

5、所述阳极层包括改性铁碳层；所述改性铁碳层中的改性铁碳为负载四氧化三铁的毛竹生物碳；

6、所述阴极层包括第二石英砂层；

7、所述植物层包括第二卵石层和种植于所述第二卵石层的植物。

8、优选的，所述填料层与阳极层的厚度比为24～26:4.5～5.5；

9、所述填料层与阴极层的厚度比为24～26:24.5～25.5；

10、所述填料层与第二卵石层的厚度比为24～26:4.5～5.5。

11、优选的，所述第一卵石层与第一石英砂层的厚度比为4.5～5.5:19.5～20.5。

12、优选的，所述第一卵石层中卵石的粒径为1～3cm；

13、所述第一石英砂层中石英砂的粒径为2～3mm；

14、所述改性铁碳层中的改性铁碳的粒径为2～3mm；

15、所述第二石英砂层中石英砂的粒径为2～3mm；

16、所述第二卵石层中卵石的粒径为1～3cm。

17、优选的，所述植物包括美人蕉、菖蒲和鸢尾中的一种或几种。

18、优选的，所述阳极层还包括革兰氏阴性菌；所述革兰氏阴性菌为希瓦氏菌mr-1菌，购自中国海洋微生物菌种保藏管理中心(mcccatcc 700550)。

19、优选的，所述人工湿地耦合微生物燃料电池的外壳为pvc管或有机玻璃。

20、优选的，所述人工湿地耦合微生物燃料电池还包括电极杆；所述电极杆的直径为2.9～3.1cm；

21、所述电极杆的长度与填料层、阳极层、阴极层和植物层的总长度之比为99～101:60。

22、本发明提供了一种水污染处理的方法，利用上述方案所述人工湿地耦合微生物燃料电池，包括以下步骤：

23、向人工湿地耦合微生物燃料电池通入待处理废水，使阴极层处于半浸没状态，然后进行废水处理。

24、优选的，所述人工湿地耦合微生物燃料电池的水力停留时间为1～3天。

25、本发明提供了一种人工湿地耦合微生物燃料电池。本发明采用的改性铁碳层中的改性铁碳材料管状结构明显，且完整地保留了毛竹的分级多孔结构，同时在孔壁镶嵌了纳米级的微孔结构，材料丰富的孔隙结构保证了高比表面积，提高了其对污染物的吸附能力，并为固定化微生物提供了充足的生长繁殖空间。本发明中的改性铁碳材料能够减小抗生素对装置产电的抑制作用，很好地保持产电菌的活性，维持系统稳定产电；本发明中的改性铁碳材料不仅具有高效的电子传输能力，加强电子传递，还具有大量的活性吸附位点，可以有效去除氧氟沙星，有助于脱氮；同时，改性铁碳材料的表面积巨大，并且表面负载有fe，可以提升磷的去除能力。本发明通过合理构建cw-mfc，实现了对氧氟沙星以及常规污染物的高效降解，产电性能更高。

26、本发明还提供了一种水污染处理的方法，利用上述方案所述人工湿地耦合微生物燃料电池。本发明将cw-mfc的阳极设置在溶解氧含量最低的装置中部，将阴极设置在装置表面，并使之处于半浸没状态，可以提升溶氧效果，保证材料处于厌氧/缺氧条件，从而尽可能提高人工湿地去除氧氟沙星的效果。

27、进一步的，所述人工湿地耦合微生物燃料电池的水力停留时间为1～3天。本发明将水力停留时间控制在上述范围，既能向阳极供应充足的底物，也能使阳极层中的产电菌与底物充分接触，从而提升产电性能。

技术特征：

1.一种人工湿地耦合微生物燃料电池，其特征在于，从下到上，依次包括填料层、阳极层、阴极层和植物层；

2.根据权利要求1所述的人工湿地耦合微生物燃料电池，其特征在于，所述填料层与阳极层的厚度比为24～26:4.5～5.5；

3.根据权利要求1所述的人工湿地耦合微生物燃料电池，其特征在于，所述第一卵石层与第一石英砂层的厚度比为4.5～5.5:19.5～20.5；所述第一卵石层位于所述第一石英砂层的下方。

4.根据权利要求1～3任一项所述的人工湿地耦合微生物燃料电池，其特征在于，所述第一卵石层中卵石的粒径为1～3cm；

5.根据权利要求1所述的人工湿地耦合微生物燃料电池，其特征在于，所述植物包括美人蕉、菖蒲和鸢尾中的一种或几种。

6.根据权利要求1～2任一项所述的人工湿地耦合微生物燃料电池，其特征在于，所述阳极层还包括革兰氏阴性菌；所述革兰氏阴性菌为希瓦氏菌mr-1菌，购自中国海洋微生物菌种保藏管理中心(mcccatcc700550)。

7.根据权利要求1所述的人工湿地耦合微生物燃料电池，其特征在于，所述人工湿地耦合微生物燃料电池的外壳为pvc管或有机玻璃。

8.根据权利要求1所述的人工湿地耦合微生物燃料电池，其特征在于，所述人工湿地耦合微生物燃料电池还包括电极杆；所述电极杆的直径为2.9～3.1cm；

9.一种水污染处理的方法，其特征在于，利用权利要求1～8任一项所述人工湿地耦合微生物燃料电池，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的水污染处理的方法，其特征在于，所述人工湿地耦合微生物燃料电池的水力停留时间为1～3天。

技术总结
本发明属于水污染治理技术领域，具体涉及一种人工湿地耦合微生物燃料电池和一种水污染处理的方法。本发明中的改性铁碳材料能够减小抗生素对装置产电的抑制作用，很好地保持产电菌的活性，维持系统稳定产电；本发明中的改性铁碳材料不仅具有高效的电子传输能力，加强电子传递，还具有大量的活性吸附位点，可以有效去除氧氟沙星，有助于脱氮；同时，改性铁碳材料的表面积巨大，并且表面负载有Fe，可以提升磷的去除能力。本发明通过合理构建人工湿地耦合微生物燃料电池，实现了对氧氟沙星以及常规污染物的高效降解，产电性能更高。

技术研发人员：赵子康,李艳红,赵耀,唐沈,赵洁,陈秋锦
受保护的技术使用者：桂林理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15