申请日2016.06.16
公开(公告)日2016.08.31
IPC分类号C02F9/14
摘要
本发明提出的是一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，其特征在于包括调蓄池、零价铁/厌氧微生物耦合系统、人工湿地/微生物燃料电池耦合系统。污水经过简单过滤均质后进入零价铁/厌氧微生物耦合系统进行生化处理，经过处理后的污水采用升流的方式进入人工湿地系统，进行深度净化的同时与微生物燃料电池系统进行耦合，外接电路收集所产生的电子，激发得到电场用以强化零价铁/厌氧微生物耦合系统，从而提高生物化学效应，加速处理效率。本发明的优点：整个耦合系统相辅相成，互相强化，保证了出水水质;不需要占用地面土地资源，且易于维护和管理;没有额外能源消耗，成本低廉;运行管理方便，污水处理效率高，出水水质稳定。
权利要求书
1.一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，其特征在于包括调蓄池、零价铁/厌氧微生物耦合系统、人工湿地/微生物燃料电池耦合系统、格栅、灌区污水管道、溢流板、沉淀室;其中人工湿地/微生物燃料电池耦合系统包括人工湿地系统、微生物燃料电池系统。
2.如权利要求1所述的一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，其特征在于该系统处理污水的方法包括如下步骤：
1)经灌区污水收集管道收集后的灌区污水首先进入内置格栅的调蓄池，过滤均质之后，由灌区污水管道输送进入零价铁/厌氧微生物耦合系统;
2)经零价铁/厌氧微生物耦合系统处理后的污水经过溢流板进入沉淀室，进行泥水分离，分离之后的污水，通过灌区污水管道进入人工湿地的底部，采用升流的进水方式，进入人工湿地系统;
3)在人工湿地系统进行深度净化的同时与微生物燃料电池系统进行耦合，外接电路收集所产生的电能，用于强化零价铁/厌氧微生物耦合系统。
3.根据权利要求1所述的一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，其特征在于所述的人工湿地/微生物燃料电池耦合系统从下至上顺序逐层填入碎小砾石形成砾石层，砾石层主要起到拦截悬浮性固体，提高污水中COD比例的作用;砾石层上面填入活性炭颗粒作为微生物燃料电池的活性炭颗粒阳极层，污水淹没活性炭颗粒阳极层，形成厌氧的环境，活性炭颗粒不但可以作为导电性能良好的阳极材料，同时其较高的比表面积可以吸附大量有机物，为微生物的生长提供良好条件，微生物在降解有机物的同时产生电子，通过阳极材料导出进入外电路;活性炭颗粒阳极层的上面填充廉价的砾石或者膨润土作为砾石分隔层，砾石分隔层作为两极之间的物理屏障，防止阴极的氧气向阳极扩散;砾石分隔层上方布设不锈钢网箱作为电流收集器，不锈钢网箱内部填充活性炭颗粒作为微生物燃料电池的阴极层，阴极层处于好氧环境，O2在阴极层附近发生还原反应，阴极层的活性炭颗粒有如下作用：①为微生物生长提供载体，形成生物阴极更有利于产电;②活性炭颗粒间的孔隙产生毛细作用促进的O2扩散;③活性炭为O2的还原反应提供更多的点位。
4.根据权利要求1所述的一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，其特征在于所述的零价铁/厌氧微生物耦合系统采用厌氧污泥床反应器培养污泥，在厌氧污泥床反应器中布置一对铁板床阳极和石墨板阴极形成复合型的生物电化学反应器，铁板床阳极和石墨板阴极分别与微生物燃料电池的阳极层和阴极层相连接，从而形成电场强化的零价铁/厌氧微生物耦合系统，零价铁/厌氧微生物耦合系统集反应室和沉淀室于一体，便于泥水分离，节约空间。
5.根据权利要求2所述的一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，其特征在于所述的灌区污水包括灌区的生活污水和农田废水。
6.根据权利要求1所述的一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，其特征在于所述的调蓄池内置格栅过滤去除污水中的杂质，调蓄池体本身储存收集到的污水，同时起到调节均质的效果。
7.根据权利要求3所述的一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，其特征在于所述的阴极层上方覆土种植水生植物，水生植物有如下作用：①利用植物的吸附和微生物的降解深度净化污水，保证出水水质;②植物的根系为微生物的生长提供营养，有利于形成生物阴极;②植物的根系提升阴极附近的O2含量，有利于产电。
8.根据权利要求3所述的一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，其特征在于所述的不锈钢网箱以φ12的钢筋作为其骨架，以不锈钢丝网作为其6个面，不锈钢网箱上方的不锈钢网面设置为可开启式，不锈钢丝网的孔径小于活性炭颗粒的直径。
9.根据权利要求3所述的一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，其特征在于所述的阳极活性炭颗粒，其特征在于：拥有较小的粒径大小，粗糙的表面，使其具有较高的比表面积和孔隙率，能够为微生物生长提供良好的介质条件，同时能够与其他层间的材料结合紧密提高产电量。
10.根据权利要求3所述的一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，其特征在于所述的阳极层和阴极层之间采用与其固定的钛丝导线作为导线导出电子，为零价铁/厌氧微生物耦合系统提供弱电场。
说明书
一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统
技术领域
本发明提出的是一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，特别涉及一种综合处理灌区污水的人工湿地/微生物燃料电池-零价铁/厌氧微生物双耦合系统，属于环保污水处理领域。
背景技术
随着水资源和水环境问题的日益突出，农业面源污染已经成为我国水环境质量恶化和湖泊富营养化的重要原因，农田面源污染的治理已成为改善我国水环境质量、保障我国饮用水安全和粮食安全、促进生态文明建设的核心问题;我国地大物博，有土地的地方或多或少会受到污染，并且农田面源污染源具有分散性、多样性、随机性、难降解等特点，因而防治十分困难;灌区作为农村的存在形式之一，其在我国农村大量存在;据不完全统计，我国现有大型灌区402处、中型灌区5200多处、小型灌区的数量多达l000多万，如果我们将面源污染的治理集中到灌区内污染的控制中来，那么面源污染的治理工作将可以有序高效的推进;另外，由于灌区的生活污水缺乏收集的管网或者处理设施，分散型的农村污水也已成为影响我国新农村建设和生态环境的重要污染源，因此，灌区污水(包括：生活污水和农田废水)的治理成为我国亟待解决的问题，也是推动《水污染防治行动计划》工作的重要举措。
人工湿地是一种人工强化利用自然的过程，包括湿地植物、土壤或基质、微生物的代谢活性来净化污水的工程技术，因其较低的维护和运行成本、较高的污染物去除效果、并可以营造舒适的景观效果而被广泛地应用于农田面源污染治理和污水处理;生物燃料电池是一种利用微生物将有机物转化为电能的新型技术;人工湿地和生物燃料电池都是利用微生物对污水中的污染物进行降解，分别达到可以处理污水和产生电能的效果，将两者耦合将达到既去除污染物同时产生电能的效果，其有效性和科学性已得到相关研究学者的证实，但两者的实际应用还很缺乏;另外，公开号为CN104761107A公开了一种灌区生活污水活性铁-厌氧微生物耦合强化脱氮除磷装置，其将活性铁填充到厌氧反应器内，实现了对灌区生活污水的有效去除，但由于活性铁成本较高，且活性强易被氧化失活，所以应用活性铁存在一定的局限性，并且该净化槽对高浓度的大分子农田有机废水没有处理。
零价铁廉价易得，粉末状的颗粒易失活、凝聚、钝化、结板，需要频繁清洗更换，而板状、块状的零价铁其比表面积较小，反应活性较低，而弱电场的存在，可以加速零价铁的反应，因而可以在一定程度上弥补铁床活性低的缺陷，基于此，我们提出了耦合人工湿地和微生物燃料电池系统，在降解污染物的同时产生电能，利用产生的微电流，激发得到弱电场，从而强化零价铁和厌氧微生物的耦合系统的处理效率，同时零价铁的存在也为农田废水的处理提供了可能，并且零价铁的还原作用以及加速作用也为微生物燃料电池系统提供了更有利的条件;因此，人工湿地/微生物燃料电池-零价铁/厌氧微生物耦合系统可以综合有效的处理灌区污水、反应器的强化处理和人工湿地的深度净化，保证了出水水质，为解决我国分散型的农村生活污水和农田面源污染治理问题提供新思路。
发明内容
本发明提出的是一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，旨在克服现有分散型污水处理技术中存在的不足，提供一种简单适用，造价低廉，运行管理方便，同时污水处理效率高，出水水质稳定的人工湿地/微生物燃料电池-零价铁/厌氧微生物双耦合系统。
本发明的技术解决方案：一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，具体包括调蓄池、零价铁/厌氧微生物耦合系统、人工湿地和微生物燃料电池耦合系统、格栅、灌区污水管道、溢流板、沉淀室;其中人工湿地/微生物燃料电池耦合系统包括人工湿地系统、微生物燃料电池系统。
一种用于灌区污水强化处理的双耦合系统，其处理污水的方法包括如下步骤：
1)经灌区污水收集管道收集后的灌区污水首先进入内置格栅的调蓄池，过滤均质之后，由灌区污水管道输送进入零价铁/厌氧微生物耦合系统;
2)经零价铁/厌氧微生物耦合系统处理后的污水经过溢流板进入沉淀室，进行泥水分离，分离之后的污水，通过灌区污水管道进入人工湿地的底部，采用升流的进水方式，进入人工湿地系统;
3)在人工湿地系统进行深度净化的同时与微生物燃料电池系统进行耦合，外接电路收集所产生的电能，用于强化零价铁/厌氧微生物耦合系统。
本发明的优点：
①整个耦合系统相辅相成，既高效产电，同时对农田废水、农村生活污水以及氮磷的同步去除，实现了灌区污水的综合有效治理，既提高了污水的处理效率，也大幅改善了出水水质;
②零价铁/微生物耦合系统，使用廉价易得的铁板，操作简单且对环境不会产生二次污染，同时利用微生物染料电池产生的弱电场，加速了铁板的反应，促进了厌氧微生物的代谢作用，提高生物化学效应和多样性;
③零价铁还原农药、杀虫剂等农田废水，降低了生物毒性;
④零价铁既是微生物所必须的生命元素，也可以参与多种化学反应，同微生物的耦合作用强化了对灌区污染物的处理效率;
⑤污水经过零价铁-厌氧微生物的处理后生成更有利于产电的小分子有机物，同时零价铁的存在减少了NO3-，SO42-等电子受体对电子的竞争，提高了产电效率;
⑥微生物燃料电池系统充分考虑产电效率和经济实用性，高效产电的同时节约了成本;
⑦人工湿地系统在保证生态净化效果的同时高效产电，植物的根系为微生物生长提供营养，形成生物阴极，根系具有发达的通气组织，分泌O2促进阴极反应;
⑧整个耦合系统改造利用已有洼地，不占用土地;
⑨整个工程构造简单、施工方便、功能稳定、造价低廉、使用方便。