[0027]该系统通过婦动栗将污水从底部进水管栗入装置，栗的流量设置为1.5ml/min，污水首先流入底部砾石层，由于砾石基质的吸附、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，随后污水流过钢渣阳极层，污水中的有机物及美人蕉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不锈钢网收集起来，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。接着污水流入上部石英砂层，由于美人蕉根系的净化作用以及基质吸附截留作用，污水中有机物、营养盐进一步被消耗，出水C0D、TN、TP含量进一步降低。最后污水流过石墨毡阴极，污水中有机物进一步被石墨毡表面的生物膜消耗，净化后污水经出水管流出装置，水力停留时间为7天。
[0028]实验结果表明:采用以钢渣为阳极的CW-MFC耦合系统处理该类型污水时，产电功率达到25.47mff/m2，产电量较常规使用活性炭颗粒为阳极时提高了 181.0%。污水中COD去除率高达93.8%，TN去除率为90.6%，TP去除率达92.9%，以钢渣为基质明显高于以砾石等为基质的人工湿地装置。同时出水PH为8.1，一定程度上缓解了出水容易呈强碱性的问题。
[0029]实施例2:
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=I5cm)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、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。
[0030]底部非导电填料层I中填充无烟煤，铺设厚度H=3cm，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=25cm，钢渣粒径为1-8mm填充密度为0.35g/cm3;钢渣中插入不锈钢网作为电流收集器3;上部非导电填料层4中填充石英砂，铺设厚度H=1cm，石英砂粒径为0.5-lmm;湿地植物5为风车草(3株)，阴极层6高度H=I5cm，以石墨租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。
进水为武汉某富营养化池塘水，该类型水中污染物特征为:C0D=50?60mg/L，TN=2?3mg/L，TP=0.5~4mg/L，pH=7.5。
[0031]该系统通过婦动栗将污水从底部进水管栗入装置，栗的流量设置为1.5ml/min，污水首先流入底部砾石层，由于砾石基质的吸附、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，随后污水流过钢渣阳极层，污水中的有机物及风车草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不锈钢网收集起来，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。接着污水流入上部石英砂层，由于风车草根系的净化作用以及基质吸附截留作用，污水中有机物、营养盐进一步被消耗，出水C0D、TN、TP含量进一步降低。最后污水流过石墨毡阴极，污水中有机物进一步被石墨毡表面的生物膜消耗，净化后污水经出水管流出装置，水力停留时间为7天。
[0032]实验结果表明:采用以钢渣为阳极的CW-MFC耦合系统处理该类型污水时，产电功率达到21.8mW/m2，产电量较常规使用活性炭颗粒为阳极时提高了 140.9%。污水中COD去除率高达95.8%，TN去除率为88.5%，TP去除率达94.3%，以钢渣为基质明显高于以砾石等为基质的人工湿地装置。同时出水PH为7.9，一定程度上缓解了出水容易呈强碱性的问题。
[0033]实施例3:
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=I5cm)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、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。
[OO34 ]底部非导电填料层I中填充沸石，铺设厚度H= 15 Cm，沸石的粒径为6mm-1 Omm;钢渣阳极层2中填充取自武汉某钢铁厂的转炉废弃钢渣，铺设厚度H=1cm，钢渣粒径为lmm-7_，填充密度为0.65g/cm3;钢渣中插入石墨碳棒作为电流收集器3;上部非导电填料层4中填充生物陶瓷和无烟煤，铺设厚度H=20cm，生物陶瓷和无烟煤各自占比为2:1，生物陶瓷粒径为
0.5mm，无烟煤粒径为Imm;湿地植物5为芦苇(3株)，阴极层6以活性炭颗粒为填料，铺设厚度D=10cm，粒径为lmm-5mm，活性炭颗粒中插入石墨碳棒作为电流收集器;电阻箱8设置为1000欧。
[0035]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，TP=1?15mg/L，pH=7.8。
[0036]该系统通过婦动栗将污水从底部进水管栗入装置，栗的流量设置为1.5ml/min，污水首先流入底部沸石层，由于沸石基质的吸附、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，随后污水流过钢渣阳极层，污水中的有机物及芦苇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石墨碳棒收集起来，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。接着污水流入上部石英砂层，由于芦苇根系的净化作用以及基质吸附截留作用，污水中有机物、营养盐进一步被消耗，出水COD、TN、TP含量进一步降低。最后污水流过活性炭颗粒阴极，活性炭颗粒比表面积大，对污染物的吸附截留作用大，同时污水中有机物会被活性炭表面的生物膜进一步消耗，净化后的污水经出水管流出装置，水力停留时间为7天。
[0037]实验结果表明:采用以钢渣为阳极的CW-MFC耦合系统处理该类型污水时，产电功率达到26.13mW/m2，产电量较常规使用活性炭颗粒为阳极时提高了 188.3%。污水中COD去除率高达94.1%，TN去除率为91.5%，TP去除率达93.3%，以钢渣为基质明显高于以砾石等为基质的人工湿地装置。同时出水PH为8.1，一定程度上缓解了出水容易呈强碱性的问题。
【主权项】
1.一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(I)、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)，其特征在于: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，所述的底部非导电填料层(I)厚度为3-20cm;钢渣阳极层(2)厚度为5-25cm;上部非导电填料层(4)厚度为10-30cm;阴极层(6)厚度为3-15cm，所述的钢渣阳极层(2)内电流收集器(3)为不锈钢格网或石墨碳棒。2.根据权利要求1所述的一种以钢渣为阳极的同步产电和污水净化的装置，其特征在于:所述的底部非导电填料层(I)及上部非导电填料层(4)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_。3.根据权利要求1所述的一种以钢渣为阳极的同步产电和污水净化的装置，其特征在于:所述的湿地植物(5)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。4.根据权利要求1所述的一种以钢渣为阳极的同步产电和污水净化的装置，其特征在于:所述的钢渣阳极层(2)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。5.根据权利要求1所述的一种以钢渣为阳极的同步产电和污水净化的装置，其特征在于:所述的阴极层(6)内导电材料为石墨颗粒、活性炭、石墨毡和不锈钢中任一种，所述的石墨颗粒、活性炭颗粒的粒径为1-5_，石墨颗粒或活性炭颗粒中插入不锈钢网或石墨碳棒。
【专利摘要】本发明公开了一种以钢渣为阳极的同步产电和污水净化装置，通过以钢渣作为电池阳极填料，同时作为填料嵌入垂直流人工湿地系统中，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。系统自下至上铺设有底部非导电填料层、钢渣阳极层、钢渣阳极层中插入电流收集器、上部非导电填料层、种植在非导电填料层中的湿地植物、以及上部阴极层，其中阴极层和阳极层分别通过导线与电阻箱连接组成闭合回路。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，同时解决水质出现酸化问题。
【IPC分类】C02F9/14
【公开号】CN105541046
【申请号】CN201610063285
【发明人】吴振斌, 肖恩荣, 周银, 许丹, 武俊梅, 徐栋, 贺锋, 周巧红, 张义
【申请人】中国科学院水生生物研究所
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2016年1月31日