專利名稱：人工濕地耦合mfc系統及其提高有機物去除效能的方法
技術領域：
本發明屬于能源與水處理領域，具體涉及適用于污水處理回收電能并提高有機物去除能效的人工濕地耦合MFC (Microbial Fuel Cell，微生物燃料電池)產能水質處理方法。
背景技術：
隨著經濟的不斷發展，能源和環境問題日益突出。聯合國環境署的報告表明，整個地球的環境正在全面惡化，環境問題是一個全球性問題。如果能源和環境問題得不到有效解決，不僅人類社會可持續發展的目標難以實現，而且人類的生存環境和生活質量也會受到嚴重影響。因此，世界各國在能源戰略和政策上更加強調能源與環境的關系，更加注意環境保護的重要性。在這種國際形勢下，可再生能源以其獨特的優勢受到世界各國的重視，開發和利用可再生能源己經成為世界能源可持續發展戰略的重要組成部分，成為大多數發達國家和部分發展中國家21世紀能源發展戰略的基本選擇。在各種可再生能源中，生物質能是獨特的，它不僅是貯存的太陽能，更是唯一一種可再生的碳源。生物質能可以從多種廢棄物中獲得，可作為廢物資源化的一種方式，實現資源利用的可持續發展。在污水處理領域，隨著近年來生物技術的不斷發展，污水的生物處理不但成為該領域的主要技術，而且在實現污水處理的同時實現了污水的資源化利用。MFC是利用酶或者微生物的催化活性，通過其代謝作用將有機物氧化產生電能的裝置。它屬于生物質能利用技術中的生物化學轉化技術，將生物質轉化為電能。將MFC應用到廢水處理領域，在處理有機廢水的同時獲得電能，是緩解當前能源危機和解決環境問題的有效途徑，也是環境能源領域的熱點研究課題之一。人工濕地不僅氮、磷去除能力強、建設運行成本低、管理維護方便，而且具有好氧 /厭氧兼備的內部環境、基質的高比表面積、較長的水力停留時間和植物根圈效應等優點， 使得人工濕地對有機物尤其是難降解有機物的去除具有較高的潛能，也受到了廣泛關注。 Adria (阿德里亞)等人證明三氯苯通過微生物的還原作用脫氯而轉化為單氯苯。微生物降解六氯苯全氯乙烯或多氯聯苯的過程則是通過還原脫鹵作用，得到的產物，再通過好氧條件下的生物降解過程進一步降解。綜合MFC和人工濕地的優勢，在人工濕地中弓I入MFC技術，將人工濕地下層厭氧環境的高比表面積基質經過改性后作為MFC的陽極，將人工濕地的表層基質作為MFC的空氣陰極，構建人工濕地-MFC，通過濕地系統中種類及數量豐富的微生物，形成電極-微生物生物電極效應，植物_微生物根際效應，基質_微生物生物膜效應，并通過產電微生物促進各種污染物質的降解，同時收集產生的電能。人工濕地耦合MFC方法，作為一種復合功能的生物修復方法，不僅具有其獨特的生態系統，能夠多途徑地凈化污染物質，促進有機物尤其是難降解有機污染物的降解，而且能夠回收所產生的電能，實現能源的回收利用和資源的最大化利用，其研究具有非常顯著的現實意義。
目前MFC應用在人工濕地中的研究國內外尚未見報道。
發明內容
本發明的目的在于提供一種人工濕地耦合微生物燃料電池的系統，還在于提供人工濕地耦合微生物燃料電池提高有機物去除效能的方法。為了實現上述發明目的，本發明采用如下技術方案
一種人工濕地耦合MFC系統，其特征在于所述系統由人工濕地加載MFC構成，系統自下至上布有粗沙礫層、活性炭層、絕緣沙礫層、頂層導電材料層以及植物，活性炭層構成MFC 的陽極，頂層導電材料層構成MFC的陰極，陰、陽極電極分別由導線導出與外接電路連接。一種人工濕地耦合MFC提高有機物去除效能的方法，其特征在于，首先，廢水經進水區進入人工濕地，由底部均勻布水后，沿粗沙礫層呈推流式上升，其中有機物因粗沙礫表面大量微生物生長形成的生物膜吸附、截留、分解而被初步的降解；然后，初步降解的廢水進入活性炭層，該層處于嚴格的厭氧環境中，并具有高表面積，通過活性炭自身的吸附作用及其上附著微生物的厭氧消化過程，將有機物進行去除，并通過產電菌的活性促成電流的產生，促進了有機物尤其是難降解有機物的降解；接著，廢水流經絕緣沙礫層，此層為厭氧和好氧過渡區，剩余污染物被細沙礫表面附著的生物膜吸附、降解；最后，廢水流入頂層導電材料層，該層一部分浸沒在水中，一部分暴露在空氣中，其間種植植物，空氣中氧的溶解以及植物根系對氧的傳遞釋放使得該層為好氧區域，剩余污染物進一步通過微生物的增殖、異化以及植物的吸收、根際效應而去除；同時活性炭層構成MFC的陽極，頂層導電材料層構成MFC的陰極，陽極富集的產電菌降解有機物產生質子和電子，電子被導出產電菌胞夕卜，經電極和外接電路導至陰極，質子隨反應器內溶液上流至陰極，在氧氣的參與下，發生電極反應生成水，完成了產電功能的全過程。本發明在人工濕地中耦合MFC技術，將人工濕地下層厭氧環境的高比表面積基質經過改性后作為MFC的陽極，將人工濕地的表層基質作為MFC的空氣陰極，構建單室無膜 MFC型人工濕地，綜合了 MFC和人工濕地的性能優勢。一方面，MFC陽極的有利環境為有機物尤其是難降解有機物的去除提供了基本工作環境。同時，利用MFC系統內部的電子流通， 強化了有機物電子的供給，促進了有機物的降解。另一方面，植物根系和基質表面富集大量微生物，并生長形成生物膜，強化吸附分解水中污染物，而根系分泌的小分子化合物和酶幫助提高了微生物活性，進一步促進污染物的降解。整個系統不僅拓展了有機物降解的途徑， 大幅度提高了有機物尤其是難降解性有機物的去除效能，同時提高了 MFC的產電性能，在促進廢水降解的同時獲得了電能，是緩解當前能源危機和解決環境問題的有效途徑，具有不可估量的發展潛力。
圖1是本發明人工濕地耦合MFC系統的結構示意圖。其中，1-進水區；2-粗沙礫層；3_活性炭層；4-絕緣沙礫層；5-頂層導電材料層；6-植物；7-植物根系；8-外接電路； 9-外接電路負載；10-出水區。
圖2是本發明人工濕地耦合MFC系統的實際應用概念圖。其中，1-進水區；2-粗沙礫層；3-活性炭層；4-絕緣沙礫層；5-頂層導電材料層；6-植物；7-植物根系；8-外接電路；9-外接電路負載；10-出水區。
具體實施方式
如圖1和圖2所示，人工濕地耦合MFC系統由人工濕地加載MFC構成，系統自下至上布有粗沙礫層、活性炭層、絕緣沙礫層、頂層導電材料層以及植物，活性炭層構成MFC的陽極，頂層導電材料層構成MFC的陰極，陰、陽極電極分別由導線導出與外接電路連接。人工濕地耦合MFC能大大提高廢水中有機物去除效能，方法及過程如下首先，廢水經進水區進入人工濕地，由底部均勻布水后，沿粗沙礫層呈推流式上升，其中有機物因粗沙礫表面大量微生物生長形成的生物膜吸附、截留、分解而被初步的降解；然后，初步降解的廢水進入活性炭層，該層處于嚴格的厭氧環境中，并具有高表面積，通過活性炭自身的吸附作用及其上附著微生物的厭氧消化過程，將有機物進行去除，并通過產電菌的活性促成電流的產生，促進了有機物尤其是難降解有機物的降解；接著，廢水流經絕緣沙礫層，此層為厭氧和好氧過渡區，剩余污染物被細沙礫表面附著的生物膜吸附、降解；最后廢水流入頂層導電材料層，該層一部分浸沒在水中，一部分暴露在空氣中，其間種植植物，空氣中氧的溶解以及植物根系對氧的傳遞釋放使得該層為好氧區域，剩余污染物進一步通過微生物的增殖、異化以及植物的吸收、根際效應而去除。在上述過程中，具有導電特性的活性炭層構成了 MFC 的陽極，頂層導電材料層則構成了 MFC的陰極，陰、陽極電極分別由導線導出與外接電路連接，陽極富集的產電菌降解有機物產生質子和電子，電子被導出產電菌胞外，經電極和外接電路導至陰極，質子隨反應器內溶液上流至陰極，在氧氣的參與下，發生電極反應生成水， 完成了產電功能的全過程。為了進一步提高系統的凈化效能和產電效能，其中，活性炭層可以采用直徑為 3_5mm的活性炭顆粒，填充密度為0. 45-0. 55g/cm3 ；絕緣沙礫層的沙礫可以選用直徑為 6-8mm表面光滑的砂石材料，以避免增加水流阻力，而影響質子傳遞，進而增大MFC系統內阻；頂層導電材料層的導電材料可以采用顆粒活性炭、不銹鋼材質、碳布、石墨顆粒或石墨氈等，并可以進行催化處理；導線最好采用鈦導線，也可采用銅導線，并進行連接點的絕緣密封處理，以避免溶液對導線的腐蝕；植物根部最好能穿透陽極層區，即活性炭層區。本實施例的產能型人工濕地耦合MFC水質處理技術運行原理是這樣的，污染廢水由底部進入，經均勻分配后沿粗沙礫層緩慢上升，在陽極活性炭層通過基質以及其上附著的生物膜對污染物進行吸附、凈化，降解過程中產生了電子和質子，電子經陽極、外電路到達陰極，而質子經上部絕緣沙礫層到達陰極，陰極以氧氣作為電子受體，同質子與氧氣發生電極反應生成水，形成回路并產生電流，回路中電流的產生強化了有機物電子的供給，促進了有機物的降解。同時濕地植物利用植物根際效應，對濕地中的污染物進行去除、轉化和固持，植物根部分泌的酶也促進了污染物的降解。此外根毛細胞分泌的乙酸鹽等簡單化合物， 以及根際微生物降解污染物后的小分子化合物，對于產電菌來說更易吸收與降解，因而能夠提高產電菌的生物活性。整個系統的協同耦合作用，加強了系統中的物質與能量流通，促進了其凈化效能，也強化了產能效能。
權利要求
1.一種人工濕地耦合MFC系統，其特征在于所述系統由人工濕地加載MFC構成，系統自下至上布有粗沙礫層、活性炭層、絕緣沙礫層、頂層導電材料層以及植物，活性炭層構成MFC 的陽極，頂層導電材料層構成MFC的陰極，陰、陽極電極分別由導線導出與外接電路連接。
2.按權利要求1所述的人工濕地耦合MFC系統，其特征在于所述活性炭層的活性炭顆粒直徑為3-5mm，填充密度為0. 45-0. 55g/cm3。
3.按權利要求1所述的人工濕地耦合MFC系統，其特征在于所述絕緣沙礫層的沙礫選用直徑為6-8mm表面光滑的砂石材料。
4.按權利要求1所述的人工濕地耦合MFC系統，其特征在于所述頂層導電材料層的導電材料采用顆粒活性炭、不銹鋼材質、碳布、石墨顆粒或石墨氈。
5.按權利要求1所述的人工濕地耦合MFC系統，其特征在于所述導線采用鈦導線或銅導線。
6.一種人工濕地耦合MFC提高有機物去除效能的方法，其特征在于，首先，廢水經進水區進入人工濕地，由底部均勻布水后，沿粗沙礫層呈推流式上升，其中有機物因粗沙礫表面大量微生物生長形成的生物膜吸附、截留、分解而被初步的降解；然后，初步降解的廢水進入活性炭層，該層處于嚴格的厭氧環境中，并具有高表面積，通過活性炭自身的吸附作用及其上附著微生物的厭氧消化過程，將有機物進行去除，并通過產電菌的活性促成電流的產生，促進了有機物尤其是難降解有機物的降解；接著，廢水流經絕緣沙礫層，此層為厭氧和好氧過渡區，剩余污染物被細沙礫表面附著的生物膜吸附、降解；最后，廢水流入頂層導電材料層，該層一部分浸沒在水中，一部分暴露在空氣中，其間種植植物，空氣中氧的溶解以及植物根系對氧的傳遞釋放使得該層為好氧區域，剩余污染物進一步通過微生物的增殖、 異化以及植物的吸收、根際效應而去除；同時活性炭層構成MFC的陽極，頂層導電材料層構成MFC的陰極，陽極富集的產電菌降解有機物產生質子和電子，電子被導出產電菌胞外，經電極和外接電路導至陰極，質子隨反應器內溶液上流至陰極，在氧氣的參與下，發生電極反應生成水，完成了產電功能的全過程。
7.按權利要求6所述的人工濕地耦合MFC提高有機物去除效能的方法，其特征在于所述活性炭層的活性炭顆粒直徑為3-5mm，填充密度為0. 45-0. 55g/cm3。
8.按權利要求6所述的人工濕地耦合MFC提高有機物去除效能的方法，其特征在于所述絕緣沙礫層的沙礫選用直徑為6-8mm表面光滑的砂石材料。
9.按權利要求6所述的人工濕地耦合MFC提高有機物去除效能的方法，其特征在于所述頂層導電材料層的導電材料采用顆粒活性炭、不銹鋼材質、碳布、石墨顆粒或石墨氈。
10.按權利要求6所述的人工濕地耦合MFC提高有機物去除效能的方法，其特征在于所述植物根部穿透陽極層區
全文摘要
本發明公開一種人工濕地耦合MFC的系統，其特征在于所述系統由人工濕地加載MFC構成，系統自下至上布有粗沙礫層、活性炭層、絕緣沙礫層、頂層導電材料層以及植物，活性炭層構成MFC的陽極，頂層導電材料層構成MFC的陰極，陰、陽極電極分別由導線導出與外接電路連接。本發明公開了人工濕地耦合MFC提高有機物去除效能的方法。人工濕地耦合MFC不僅拓展了有機物降解的途徑，大幅度提高了有機物尤其是難降解性有機物的去除效能，同時提高了MFC的產電性能，在促進廢水降解的同時獲得了電能，是緩解當前能源危機和解決環境問題的有效途徑，具有不可估量的發展潛力。
文檔編號C02F9/14GK102351387SQ20111027437
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月16日 優先權日2011年9月16日
發明者吳磊, 宋海亮, 李先寧, 項文力 申請人:東南大學