申请日2021.04.14
公开（公告）日2021.06.11
IPC分类号C02F3/32; C02F3/34; C02F3/00; H01M8/16; C02F101/16
摘要
本发明公开了一种CW‑MFC污水处理系统及处理方法，其中系统包括：进水模块、补氧模块、一级人工湿地模块、微生物燃料电池模块、二级人工湿地模块、三级人工湿地模块和排水模块；进水模块、一级人工湿地模块、二级人工湿地模块、三级人工湿地模块和排水模块依次连接；补氧模块设置于二级人工湿地模块和三级人工湿地模块中；微生物燃料电池模块设置于一级人工湿地模块中，净化污水同时产生电能；一级人工湿地模块、二级人工湿地模块、三级人工湿地模块依次对污水进行净化，并排出净化后的污水。通过微生物燃料电池与多级人工湿地相结合，增强了人工湿地对污染物去除能力，可产生一定电能，具有绿色环保、结构简单及运行成本低等优点。
权利要求书
1.一种CW-MFC污水处理系统，其特征在于，包括：进水模块、补氧模块、一级人工湿地模块、微生物燃料电池模块(14)、二级人工湿地模块、三级人工湿地模块和排水模块；
所述进水模块、所述一级人工湿地模块、所述二级人工湿地模块、所述三级人工湿地模块和所述排水模块依次连接；
所述补氧模块设置于所述二级人工湿地模块和所述三级人工湿地模块中；
所述微生物燃料电池模块(14)设置于所述一级人工湿地模块中，净化所述污水同时产生电能；
所述一级人工湿地模块、所述二级人工湿地模块、所述三级人工湿地模块依次对所述污水进行净化，并排出净化后的污水。
2.根据权利要求1所述的CW-MFC污水处理系统，其特征在于，
所述一级人工湿地模块包括：通过透水隔板(8)分隔的下行区和上行区；
所述下行区包括：湿地进水管(9)、进水槽(10)、一级湿地植物单元(11)、一级湿地填料单元(12)和湿地篮(13)，所述污水依次流过所述湿地进水管(9)、所述进水槽(10)、所述一级湿地植物单元(11)、所述一级湿地填料单元(12)的上层、所述湿地篮(13)和所述一级湿地填料单元(12)的下层；
所述上行区包括：所述一级湿地植物单元(11)、所述一级湿地填料单元(12)和集水槽(15)，所述微生物燃料电池模块(14)设置于所述上行区中，所述污水由所述下行区底部流出后依次流过所述一级湿地填料单元(12)的下层、所述微生物模块燃料电池、所述一级湿地填料单元(12)的上层、所述一级湿地植物单元(11)和所述集水槽(15)。
3.根据权利要求2所述的CW-MFC污水处理系统，其特征在于，
所述一级湿地植物单元(11)包括：美人蕉、风车草、芦苇和/或水葱；
和/或
所述一级湿地填料单元(12)包括自上而下依次设置的沸石层(19)、陶粒层(20)和砾石层。
4.根据权利要求3所述的CW-MFC污水处理系统，其特征在于，
所述微生物燃料电池模块(14)包括：电极单元(23)、导线管(24)、阴极导线(25)、阳极导线(26)和电阻(27)；
所述电极单元(23)设置于所述一级人工湿地模块的所述上行区，其包括分散式设置的电极阳极和电极阴极；
所述阳极导线(26)一端与所述电极阳极中的若干个电极连接，其另一端通过所述导线管(24)与所述电阻(27)的一端连接；
所述阴极导线(25)一端与所述电极阴极的若干个电极连接，其另一端通过所述导线管(24)与所述电阻(27)的另一端连接。
5.根据权利要求4所述的CW-MFC污水处理系统，其特征在于，
所述电极阳极和所述电极阴极均位于所述一级湿地填料单元(12)的陶粒层(20)中。
6.根据权利要求4所述的CW-MFC污水处理系统，其特征在于，
所述电极的外部为不锈钢网，其内部为柱状活性炭。
7.根据权利要求1所述的CW-MFC污水处理系统，其特征在于，
所述二级人工湿地模块由二级人工湿地连通管(28)、布水管(29)、二级湿地植物单元(30)(12)、二级湿地填料单元(31)和二级人工湿地排空管(32)。
8.根据权利要求7所述的CW-MFC污水处理系统，其特征在于，
所述布水管(29)呈耙型，其每个支管下均匀设置有透水孔(17)。
9.根据权利要求7所述的CW-MFC污水处理系统，其特征在于，
所述二级湿地植物单元(30)(12)包括：美人蕉、风车草、芦苇和/或再力花；和/或
所述二级湿地填料单元(31)包括：自上而下设置的粗砂层(33)、沸石层(19)、陶粒层(20)、砾石层。
10.根据权利要求1所述的CW-MFC污水处理系统，其特征在于，
所述三级人工湿地模块由三级人工湿地连通管(34)、集水管(35)、三级湿地植物单元(36)、三级湿地填料单元(37)和三级人工湿地排空管(38)。
11.根据权利要求10所述的CW-MFC污水处理系统，其特征在于，
所述集水管(35)呈“丰”型，其每个支管下均匀设置有透水孔(17)。
12.根据权利要求10所述的CW-MFC污水处理系统，其特征在于，
所述三级湿地植物单元(36)包括：美人蕉、风车草、芦苇和/或千屈菜；和/或
所述三级湿地填料单元(37)包括：自上而下设置的沸石层(19)、陶粒层(20)、砾石层。
13.根据权利要求1所述的CW-MFC污水处理系统，其特征在于，
所述进水模块包括：蠕动泵(1)、进水管(2)、调节池(3)、溢流管(4)、盖板(5)和调节池排空管(6)；
所述盖板(5)位于所述调节池(3)的顶部，所述调节池排空管(6)位于所述调节池(3)底部，所述进水管(2)位于所述调节池(3)一侧顶部，所述溢流管(4)位于所述进水管(2)的下方，所述蠕动泵(1)与所述进水管(2)连接。
14.根据权利要求1所述的CW-MFC污水处理系统，其特征在于，
所述排水模块包括：清水池(39)、潜水泵(40)、出水管(41)和清水池排空管(42)；
所述潜水泵(40)位于所述清水池(39)的内侧底部，所述清水池排空管(42)位于所述调节池(3)底部外侧；
所述出水管(41)与所述潜水泵(40)出水口连接。
15.根据权利要求1所述的CW-MFC污水处理系统，其特征在于，
所述补氧模块包括若干个补氧管(7)，其底部设置有若干个透气孔；
所述若干个补氧管(7)分别竖直设置于所述二级人工湿地模块和所述三级人工湿地模块中。
16.一种CW-MFC污水处理方法，其特征在于，通过权利要求1-15中任一所述的CW-MFC污水处理系统对污水进行处理，包括如下步骤：
控制污水按照预设流速间歇流入；
在预设停留时间内，通过一级人工湿地模块、二级人工湿地模块和三级人工湿地模块对所述污水进行净化，并通过微生物燃料电池模块(14)净化污水的同时产生电能；
在所述预设停留时间后，排出净化后的所述污水。
17.根据权利要求16所述的CW-MFC污水处理方法，其特征在于，
所述预设流速为0.48-1.2m3/d；和/或
所述间歇流入的进水时间为8:00-12:00和20:00-24:00；和/或
所述预设停留时间为3-8天。
说明书
一种CW-MFC污水处理系统及处理方法
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及一种CW-MFC污水处理系统及处理方法。
背景技术
人工湿地(constructed wetland，CW)是由植物、微生物及基质组成的复合系统，该系统同时进行物理、化学和生物过程，通过过滤、吸附、共沉淀、离子交换、植物吸收以及微生物分解作用来达到高效净化污水的目的。微生物燃料电池(microbial fuel cell，MFC)是一种用微生物作为生物催化剂净化废水，同时产生清洁能源——电能的生物处理技术。MFC与CW均是以处理有机化合物为目的的生物系统，将两者耦合可以在获得高效污染物处理的同时产生电能。
电极材料的选择对CW-MFC的发展有至关重要的作用。理想的电极材料需要具有良好的导电性、电化学稳定性及生物相容性，还需要为微生物提供附着点。目前MFC的阳极材料主要是石墨、碳纸、碳布、碳毡等，成本较高。
CW-MFC的基质材料可选用砂石、灰渣、黏土、石英砂、陶粒、颗粒活性炭和颗粒石墨等，这些材料可以通过吸附过程增加有机化合物的去除效率。但基质材料的种类、粒径和组合方式对污水处理效果和产电都有很大影响，因此筛选适宜和低成本的基质材料十分重要。
CW-MFC系统处理污水受到了广泛的关注，且具有很大的发展空间，但目前此类系统运行成本高，在基质材料、电极材料、结构等方面有待优化。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种CW-MFC污水处理系统及处理方法，通过将微生物燃料电池技术与多级人工湿地技术相结合，增强了人工湿地对TN、NO3-N、COD等污染物的去除能力，同时还可产生一定的电能；上述污水处理方法绿色环保，不产生对环境有害的物质，且系统结构简单，运行成本低，便于后期放大，在生活污水处理、区域水体处理等领域有很好的应用前景。
为解决上述技术问题，本发明实施例第一方面提供了一种CW-MFC污水处理系统，包括：进水模块、补氧模块、一级人工湿地模块、微生物燃料电池模块、二级人工湿地模块、三级人工湿地模块和排水模块；
所述进水模块、所述一级人工湿地模块、所述二级人工湿地模块、所述三级人工湿地模块和所述排水模块依次连接；
所述补氧模块设置于所述二级人工湿地模块和所述三级人工湿地模块中；
所述微生物燃料电池模块设置于所述一级人工湿地模块中，净化所述污水同时产生电能；
所述一级人工湿地模块、所述二级人工湿地模块、所述三级人工湿地模块依次对所述污水进行净化，并排出净化后的污水。
进一步地，所述一级人工湿地模块包括：通过透水隔板分隔的下行区和上行区；
所述下行区包括：湿地进水管、进水槽、一级湿地植物单元、一级湿地填料单元和湿地篮，所述污水依次流过所述湿地进水管、所述进水槽、所述一级湿地植物单元、所述一级湿地填料单元的上层、所述湿地篮和所述一级湿地填料单元的下层；
所述上行区包括：所述一级湿地植物单元、所述一级湿地填料单元和集水槽，所述微生物燃料电池模块设置于所述上行区中，所述污水由所述下行区底部流出后依次流过所述一级湿地填料单元的下层、所述微生物模块燃料电池、所述一级湿地填料单元的上层、所述一级湿地植物单元和所述集水槽。
进一步地，所述一级湿地植物单元包括：美人蕉、风车草、芦苇和/或水葱；和/或
所述一级湿地填料单元包括自上而下依次设置的沸石层、陶粒层和砾石层。
进一步地，所述微生物燃料电池模块包括：电极单元、导线管、阴极导线、阳极导线和电阻；
所述电极单元设置于所述一级人工湿地模块的所述上行区，其包括分散式设置的电极阳极和电极阴极；
所述阳极导线一端与所述电极阳极中的若干个电极连接，其另一端通过所述导线管与所述电阻的一端连接；
所述阴极导线一端与所述电极阴极的若干个电极连接，其另一端通过所述导线管与所述电阻的另一端连接。
进一步地，所述电极阳极和所述电极阴极均位于所述一级湿地填料单元的陶粒层中。
进一步地，所述电极的外部为不锈钢网，其内部为柱状活性炭。
进一步地，所述二级人工湿地模块由二级人工湿地连通管、布水管、二级湿地植物单元、二级湿地填料单元和二级人工湿地排空管。
进一步地，所述布水管呈耙型，其每个支管下均匀设置有透水孔。
进一步地，所述二级湿地植物单元包括：美人蕉、风车草、芦苇和/或再力花；和/或
所述二级湿地填料单元包括：自上而下设置的粗砂层、沸石层、陶粒层、砾石层。
进一步地，所述三级人工湿地模块由三级人工湿地连通管、集水管、三级湿地植物单元、三级湿地填料单元和三级人工湿地排空管。
进一步地，所述集水管呈“丰”型，其每个支管下均匀设置有透水孔。
进一步地，所述三级湿地植物单元包括：美人蕉、风车草、芦苇和/或千屈菜；和/或
所述三级湿地填料单元包括：自上而下设置的沸石层、陶粒层、砾石层。
进一步地，所述进水模块包括：蠕动泵、进水管、调节池、溢流管、盖板和调节池排空管；
所述盖板位于所述调节池的顶部，所述调节池排空管位于所述调节池底部，所述进水管位于所述调节池一侧顶部，所述溢流管位于所述进水管的下方，所述蠕动泵与所述进水管连接。
进一步地，所述排水模块包括：清水池、潜水泵、出水管和清水池排空管；
所述潜水泵位于所述清水池的内侧底部，所述清水池排空管位于所述调节池底部外侧；
所述出水管与所述潜水泵出水口连接。
进一步地，所述补氧模块包括若干个补氧管，其底部设置有若干个透气孔；
所述若干个补氧管分别竖直设置于所述二级人工湿地模块和所述三级人工湿地模块中。
相应地，本发明实施例的第二方面提供了一种CW-MFC污水处理方法，通过上述任一CW-MFC污水处理系统对污水进行处理，包括如下步骤：
控制污水按照预设流速间歇流入；
在预设停留时间内，通过一级人工湿地模块、二级人工湿地模块和三级人工湿地模块对所述污水进行净化，并通过微生物燃料电池净化污水同时产生电能；
在所述预设停留时间后，排出净化后的所述污水。
进一步地，所述预设流速为0.48-1.2m3/d；和/或
所述间歇流入的进水时间为8:00-12:00和20:00-24:00；和/或
所述预设停留时间为3-8天。
本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
通过将微生物燃料电池技术与多级人工湿地技术相结合，增强了人工湿地对TN、NO3-N、COD等污染物的去除能力，同时还可产生一定的电能；上述污水处理方法绿色环保，不产生对环境有害的物质，且系统结构简单，运行成本低，便于后期放大，在生活污水处理、区域水体处理等领域有很好的应用前景。
（发明人：吴晓辉;贾晋炜;彭犇;田玮;李国宏;蒋岩;牟东阳）