申请日2016.01.31
公开(公告)日2017.11.24
IPC分类号C02F3/32; C02F3/30; H01M8/16; C02F101/16; C02F101/10
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，同时作为填料嵌入复合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。系统铺设包括下行流池中从上至下依次设置为上部非导电填料层、钢渣阳极层，钢渣阳极层中埋设电流收集器;上行流池从下至上依次设置为底部非导电填料层、阴极层;下行流池与上行流池通过底部连通池连通，电流收集器和阴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复合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。
权利要求书
1.一种以钢渣为阳极的同步产电和污水净化的装置，包括下行流池(1)和上行流池(8)，所述的下行流池(1)和上行流池(8)通过底部流通层(7)连通，所述的下行流池(8)上部设置进水管(2)和布水管(3)，所述的上行流池(1)上部设置集水管(11)和出水管(12)，其特征在于：所述的下行流池(1)中从上至下依次设置为上部非导电填料层(4)和钢渣阳极层(5)，钢渣阳极层(5)中埋设电流收集器(6);所述的上行流池(8)从下至上依次设置为底部非导电填料层(9)和阴极层(10)，电流收集器(6)和阴极层(10)分别通过导线(14)与电阻箱(15)连接组成闭合回路，上部非导电填料层(4)与阴极层(10)中种植湿地植物(13)，所述的下行流池(1)中上部非导电填料层(4)厚度为10-30cm，钢渣阳极层(5)厚度为5-25cm;底部流通层(7)厚度为3-20cm;上行流池(8)中底部非导电填料层(9)厚度为5-25cm;阴极层(10)厚度为3-15cm，其中下行流池(1)中基质比上行流池(8)中基质高;所述的钢渣阳极层(5)内电流收集器(6)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：所述的上部非导电填料层(4)、底部流通层(7)及底部非导电填料层(9)内填料为砾石、沸石、无烟煤、生物陶粒和石英砂中的1种或2至5种的任意组合，粒径为0.5-10mm。
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(13)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1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(5)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(10)内导电材料为石墨颗粒、活性炭颗粒、石墨毡、不锈钢材质中任一种;所述的石墨颗粒、活性炭颗粒的粒径为1-5mm，石墨颗粒或活性炭颗粒内插入不锈钢网或石墨碳棒。
说明书
一种以钢渣为阳极的同步产电与污水净化的装置
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体涉及一种以钢渣为阳极的同步产电和污水净化的装置，通过复合垂直流人工湿地与微生物燃料电池耦合实现产电和污水净化。
背景技术
能源危机和环境污染以及由此产生的社会、气候问题等已经成为全世界关注的焦点。以“减量化、资源化和再利用”为原则发展清洁能源和循环经济，是建设资源节约型、环境友好型社会和实现可持续发展的重要途径。开发、利用以太阳能、核能、风能、生物质能为主的清洁能源是替代传统能源，解决能源危机的必然选择，也是我国未来能源发展的战略要求。
复合垂直流人工湿地处理系统( Integrated Vertical Flow Constructedwetland , IVCW) 是在“九五”期间由中科院水生生物研究所与德国科隆大学、奥地利维也纳农业大学等共同承担的欧盟国际合作项目中首先提出的。该工艺独特的下行流-上行流水流方式有效地解决了其他类型湿地易出现的“短路”现象，而且形成了下行流池部分区域好氧、下行流池部分厌氧的复合净水结构，促进了硝化和反硝化作用，明显提高了系统的脱氮效果(吴振斌，复合垂直流人工湿地，科学出版社，北京，2008)。
微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)是利用微生物催化氧化有机物及无机物并且产生电能的装置，可以用于废水处理，且耗能低，近年来成为环境领域的研究热点。
复合垂直流人工湿地与微生物燃料电池可通过湿地植物、微生物、基质、电极实现一体化的结合，形成复合垂直流人工湿地-微生物燃料电池(IVCW-MFC)的耦合系统，利用湿地植物光合作用转化太阳能为电能，可在净化污水的同时回收电能，将成为分散式持续可再生能源发电的一种新模式，具有良好的发展前景。
目前，关于IVCW-MFC耦合系统的研究刚刚起步，其中电极的研究对于降低运行成本、提高功率密度及水质净化效能有着重要的意义。良好的电极构型需要为微生物提供尽量大的附着面积，同时实现有效的电子收集。现在已使用在IVCW-MFC系统中的电极材料主要有石墨毡、石墨板、颗粒活性炭(GAC)、不锈钢网及碳布。其中GAC被认为最适宜作为植物产电系统的阳极材料，其粒径小，表面粗糙，产电及污水净化性能较优(Arends J B A,londeel V, Tennison S R, Boon N, and Verstraete W, Suitability of granularcarbon as an anode material for sediment microbial fuel cells, in J. SoilsSediment, 2012, pp.1197-1206.)，但是，这种材料的价格相对较高，实用性不高。
钢渣，一种工业固体废物，排出量约为粗钢产量的15~20%。钢渣主要由钙、铁、硅、镁和少量铝、锰、磷等的氧化物组成。主要的矿物相为硅酸三钙、硅酸二钙、钙镁橄榄石、钙镁蔷薇辉石、铁铝酸钙以及硅、镁、铁、锰、磷的氧化物形成的固熔体，还含有少量游离氧化钙以及金属铁、氟磷灰石等，在理论上具备较大的磷吸附容量。目前钢渣用作IVCW-MFC系统阳极材料的研究国内外尚无报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以钢渣为阳极的同步产电和污水净化的装置，将钢渣电极填埋到微生物燃料电池阳极同时与复合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。
为实现上述目的，本发明采用以下技术措施：
技术方案：本发明的核心是以复合垂直流人工湿地结构为基础，通过填埋钢渣阳极层、生物阴极层，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，该方法通过以钢渣作为电池阳极，提高阳极电子传输效率，降低电池内阻，从而提高了IVCW-MFC系统的产电性能;另一方面，通过钢渣对污水中磷的吸附，以及基质与植物根系对其他污染物的净化作用，可以强化IVCW-MFC系统的污水净化能力。
一种以钢渣为阳极的同步产电和污水净化的装置，通过复合垂直流人工湿地与微生物燃料电池耦合实现产电和污水净化，包括下行流池和上行流池，所述的下行流池和上行流池通过底部流通层连通，所述的下行流池上部设置进水管和布水管，所述的上行流池上部设置集水管和出水管;所述的下行流池中从上至下依次设置为上部非导电填料层和钢渣阳极层，所述的钢渣阳极层中埋设电流收集器;所述的上行流池从下至上依次设置为底部非导电填料层和阴极层，电流收集器和阴极层分别通过导线与电阻箱连接组成闭合回路，上部非导电填料层与阴极层中种植湿地植物，所述的下行流池中上部非导电填料层厚度为10-30cm，钢渣阳极层厚度为5-25cm;底部流通层厚度为3-20cm;上行流池中底部非导电填料层厚度为5-30cm;阴极层厚度为3-15cm，其中下行流池中基质比上行流池中基质高;所述的钢渣阳极层内电流收集器为不锈钢格网或石墨碳棒。
所述的上部非导电填料层内填料、底部流通层内填料及底部非导电填料层内填料为砾石、沸石、无烟煤、生物陶粒和石英砂中的1种或2至5种的任意组合，粒径为0.5-10mm。
所述的上部非导电填料层与阴极层内种植的湿地植物为千屈菜、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1种或2至12种的任意组合。
所述的钢渣阳极层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。
所述的阴极层内导电材料为石墨颗粒、活性炭颗粒、石墨毡和不锈钢材质中任一种;其中以石墨颗粒或活性炭颗粒为阴极填料时，粒径为1-5mm，同时要插入电流收集器——不锈钢网或石墨碳棒。
以钢渣为阳极的同步产电和污水净化水的过程为：
A、污水(包括微污染地表水、受污染地下水及生活污水)首先从左边下行流池中进水管进入，到达布水管实现均匀布水，并沿上部非导电填料层垂直向下，该层种植有湿地植物，植物根系分散在基质层中。此过程中由于植物根系的吸收、吸附等作用，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也部分被去除;
B、经过步骤A的污水流过钢渣阳极层，污水中的有机物及植物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电流收集器收集起来，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，氮由于下行流池中部分区域好氧，会促进硝化作用的发生，同时氨氮由于与钢渣中金属阳离子发生阳离子交换作用，也会被部分去除;
C、经过步骤B的污水由于整个系统底部有0.5%的倾斜度，污水会自流经过底部流通层到达右边的上行流池，又由于左边下行流池比上行流池基质层高，水流会自动淹没上行流池基质进入非导电填料层，这个过程中，污水在基质中流过的路线大大加长，基质与基质中微生物对污染物作用的时间也相应加长，大大提高了污染物被去除的比率。且上行流池中部分厌氧的状态，促进了反硝化反应的进行，明显提高了系统的脱氮的能力;
D、经过步骤C的污水最终流入上行流池中上部阴极层，由于采用的是空气生物阴极，该层种有湿地植物，由于植物的根系泌氧作用，以及阴极表层直接与空气接触，会源源不断得给阴极提供氧气，提高阴极接收电子的效率。同时在植物根系的吸收、吸附等作用下，及阴极与附着在阴极周围的微生物的共同作用下，污水中剩余的有机物与氮、磷进一步被去除，净化后污水经集水管收集后由出水管流出装置。
本发明与现有的技术相比，具有以下的优点和效果：
(1)废弃钢渣再利用。本发明中采用钢渣作为电池阳极填料，使废弃钢渣得到有效利用。
(2)降低成本。本发明中IVCW-MFC耦合系统在实现同步产电和污水处理的基础上，与传统的IVCW-MFC系统常用的颗粒活性炭(GAC)等电极相比，大大降低了电池的成本。与人工湿地的常用填料砂石、无烟煤等相比，也大大降低了系统的运行成本。
(3)强化产电菌群传输效率，提高产电效能。MFC阳极的电化学活性微生物主要由异化金属还原菌构成。金属氧化物与异化金属还原菌的胞外细胞色素C具有高度亲和性，能够作为电子受体而被还原，以金属离子或其氧化物(Mn2+、Ni2+、Fe3O4、Ni2+等)对电极进行修饰，可以明显提高电极的工作效率，钢渣本身具有较强的导电性，粒径较小，表面粗糙，且钢渣中富含铁、锰等金属氧化物，Fe3O4等金属氧化物可以作为中介体，提高电子从产电菌到阳极表面的传输效率，降低阳极的欧姆内阻和极化内阻，从而提高IVCW-MFC系统的产电效能。
(4)对磷的吸附性能较好。钢渣作为人工湿地的填充基质，对磷的去除效果较好，平均去除率可以高达91.9%，钢渣除了自身对磷素存在物理吸附外，自身矿物组成成分中的钙离子、铝离子等金属离子会与污水中磷酸盐发生化学反应，进一步发生沉淀作用。
(5)钢渣本身作为一种潜在的湿地填料存在出水容易呈强碱性的问题，而MFC运行过程中，随着电子经外电路转移到阴极，为了维持阳极和阴极的离子浓度，只有H+迁移到阴极，或者OH-向相反方向运动，而除H+以外的阳离子或者OH-以外的阴离子的迁移会导致积累致浓度梯度增大，使得阳极室 pH下降，出现酸化问题，将钢渣用作IVCW-MFC系统阳极填料，钢渣中富含的阳离子恰好可以减小阴阳极浓度梯度，恰好可以解决上述问题。
(6)采用复合垂直流人工湿地(IVCW)工艺与MFC耦合，一方面延长了污水在基质中流过的路径，提高了基质对污水的净化效果;另一方面下行流池部分区域好氧、上行流池部分厌氧的复合净水结构，促进了硝化与反硝化作用，明显提高了系统的脱氮效果。