本實用新型專利技術公開了一種以鋼渣為陽極的同步產電和污水凈化的裝置，通過以鋼渣作為電池陽極填料，同時作為填料嵌入垂直流人工濕地系統中，形成了微生物燃料電池和人工濕地相耦合的新型結構方法。系統自下至上鋪設有底部非導電填料層、鋼渣陽極層、鋼渣陽極層中插入電流收集器、上部非導電填料層、種植在非導電填料層中的濕地植物、以及上部陰極層，其中陰極層和陽極層分別通過導線與電阻箱連接組成閉合回路。將鋼渣電極填埋到微生物燃料電池陽極同時與垂直流人工濕地相耦合，實現同步產電和污水凈化的雙重效用，提高陽極電子傳輸效率，降低電池內阻，提高了產電性能，同時解決水質出現酸化問題。
【技術實現步驟摘要】
本技術屬于污水處理領域，具體涉及一種以鋼渣為陽極的同步產電和污水凈化的裝置，通過垂直流人工濕地與微生物燃料電池耦合實現產電和污水凈化。
技術介紹
能源危機和環境污染以及由此產生的社會、氣候問題等已經成為全世界關注的焦點。以“減量化、資源化和再利用”為原則發展清潔能源和循環經濟，是建設資源節約型、環境友好型社會和實現可持續發展的重要途徑。開發、利用以太陽能、核能、風能、生物質能為主的清潔能源是替代傳統能源，解決能源危機的必然選擇，也是我國未來能源發展的戰略要求。
人工濕地（ConstructedWetland，CW）是模仿自然生態系統基礎上的強化和改造，利用不同自然條件下水生生物多樣性進行群落時空優化的污水凈化系統，是最接近自然的人工生態系統之一（吳振斌，復合垂直流人工濕地，科學出版社，北京，2008）。具有效率高、成本低、運行管理簡單等特點，已廣泛應用于生活污水、農村面源污染及湖泊污染防治。
微生物燃料電池（Microbialfuelcell，MFC）是利用微生物催化氧化有機物及無機物并且產生電能的裝置，可以用于廢水處理，且耗能低，近年來成為環境領域的研究熱點。
人工濕地與微生物燃料電池可通過濕地植物、微生物、基質、電極實現一體化的結合，形成人工濕地-微生物燃料電池（CW-MFC）的耦合系統，利用濕地植物光合作用轉化太陽能為電能，可在凈化污水的同時回收電能，將成為分散式持續可再生能源發電的一種新模式，具有良好的發展前景。
目前，關于CW-MFC耦合系統的研究剛剛起步，其中電極的研究對于降低運行成本、提高功率密度及水質凈化效能有著重要的意義。良好的電極構型需要為微生物提供盡量大的附著面積，同時實現有效的電子收集。現在已使用在CW-MFC系統中的電極材料主要有石墨氈、石墨板、顆粒活性炭（GAC）、不銹鋼格網及碳纖維布。其中GAC被認為最適宜作為植物產電系統的陽極材料，其粒徑小，表面粗糙，產電及污水凈化性能較優（ArendsJ.B.A.,londeelV.,TennisonS.R.,BoonN.,VerstraeteW.,Suitabilityofgranularcarbonasananodematerialforsedimentmicrobialfuelcells,inJournalofSoilsandSediment,2012,pp.1197-1206.），但是，這種材料的價格相對較高，實用性不高。
鋼渣，一種工業固體廢物，排出量約為粗鋼產量的15%-20%。鋼渣主要由鈣、鐵、硅、鎂和少量鋁、錳、磷等的氧化物組成。主要的礦物相為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鈣鎂橄欖石、鈣鎂薔薇輝石、鐵鋁酸鈣以及硅、鎂、鐵、錳、磷的氧化物形成的固熔體，還含有少量游離氧化鈣以及金屬鐵、氟磷灰石等，在理論上具備較大的磷吸附容量。目前鋼渣用作CW-MFC系統陽極材料的研究國內外尚無報道。
技術實現思路
本技術的目的是在于提供了一種以鋼渣為陽極的同步產電和污水凈化的裝置，將鋼渣電極填埋到微生物燃料電池陽極同時與垂直流人工濕地相耦合，實現同步產電和污水凈化的雙重效用，提高陽極電子傳輸效率，降低電池內阻，提高了產電性能。
為實現上述目的，本技術采用以下技術措施：
技術方案：本技術的核心是以垂直流人工濕地結構為基礎，通過填埋鋼渣陽極層、生物陰極層，形成了微生物燃料電池和人工濕地相耦合的新型結構方法，該方法通過以鋼渣作為電池陽極，提高陽極電子傳輸效率，降低電池內阻，從而提高了CW-MFC系統的產電性能；另一方面，通過鋼渣對污水中磷的吸附，以及基質、微生物、植物根系對其他污染物的凈化作用，可以強化CW-MFC系統的污水凈化能力。
一種以鋼渣為陽極的同步產電和污水凈化的裝置，包括底部非導電填料層、鋼渣陽極層、電流收集器、上部非導電填料層、陰極層、導線、電阻箱及濕地植物，在垂直流人工濕地中從下至上依次設置底部非導電填料層、鋼渣陽極層、上部非導電填料層和陰極層，鋼渣陽極層中埋設電流收集器，電流收集器與陰極層分別通過導線與電阻箱連接組成閉合回路，濕地植物穿過陰極層種植在上部非導電填料層中，所述的底部非導電填料層厚度為3-20cm；鋼渣陽極層厚度為5-25cm；上部非導電填料層厚度為10-30cm；陰極層厚度為3-15cm，所述的鋼渣陽極層內電流收集器為不銹鋼格網或石墨碳棒。
所述的底部非導電填料層及上部非導電填料層內填料為礫石、沸石、無煙煤、生物陶粒和石英砂中的1種或2至5種的任意組合，粒徑為0.5-10mm。
所述的濕地植物為千屈菜、風車草、茭白、美人蕉、水甜茅、大米草、野古草、菖蒲、蘆葦、象草、花葉蘆荻和鳶尾中的1種或2至12種的任意組合。
所述的鋼渣陽極層內填料為廢棄的鋼渣，為轉爐渣、平爐渣、電爐渣中任一種；鋼渣粒徑為1-8mm，填充密度為0.35-0.65g/cm3。
所述的陰極層內導電材料為石墨顆粒、活性炭顆粒、石墨氈、不銹鋼中任一種，其中以石墨顆粒或活性炭顆粒為陰極填料時，粒徑為1-5mm，同時要插入電流收集器不銹鋼網或石墨碳棒。
以鋼渣為陽極的同步產電和污水凈化水的過程為：
A、污水首先在底部均勻布水（包括微污染地表水、受污染地下水及生活污水），并沿底部非導電填料層呈推流式上升，由于基質的吸附、截留作用，以及基質中微生物的代謝作用，污水中部分有機物以及懸浮物被有效地去除，TN與TP也部分被截留；
B、經過步驟A的污水向上流過鋼渣陽極層，污水中的有機物及植物根系分泌的有機物被附著在鋼渣上的產電菌利用，釋放電子，鋼渣中金屬氧化物作為中介體，幫助電子快速有效地傳遞到陽極表面被電流收集器收集起來，傳遞到外電路上，最后通過外接電阻箱到達陰極層形成閉合回路，產生電能。在這個過程中，污水中有機物被大量消耗，磷由于鋼渣的物理吸附、化學吸附以及沉淀作用含量大大降低，氨氮由于與鋼渣中金屬陽離子發生陽離子交換作用，也被部分去除；
C、經過步驟B的污水流入上部非導電填料層，濕地植物的根系分散在該基質層。此過程中由于植物根系的吸收、吸附等作用，基質的吸附、截留作用，以及基質中微生物的代謝作用，污染物中有機物、TN、TP得到進一步地去除；
D、經過步驟C的污水最終流入上部陰極層，由于采用的是空氣生物陰極，在陰極與附著在陰極周圍的微生物的共同作用下，污水中剩余的有機物與氮、磷進一步被去除，凈化后污水經出水管流出裝置。
本技術與現有的技術相比，具有以下的優點和效果：
（1）廢棄鋼渣再利用。本技術中采用鋼渣作為電池陽極填料，使廢棄鋼渣得到有效利用。
（2）降低成本。本技術中CW-MFC耦合系統在實現同步產電和污水處理的基礎上，與傳統的CW-MFC系統常用的顆粒活性炭（GAC）等電極相比，大大降低了電池的成本。與人工濕地的常用填料砂石、無煙煤等相比，也大大降低了系統的運行成本。
（3）強化產電菌群傳輸效率，提高產電效能。MFC陽極的電化學活性微生物主要由異化金屬還原菌構成。金屬氧化物與異化金屬還原菌的胞外細胞色素C具有高度親和性，能夠作為電子受體而被還原，以金屬離子或其氧化物（Mn2+、Ni2+、Fe3O4、Ni2+等）對電極進行修飾，可以明顯提高電極的工作效率，鋼渣本身具有本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種以鋼渣為陽極的同步產電和污水凈化的裝置，包括底部非導電填料層（1）、鋼渣陽極層（2）、電流收集器（3）、上部非導電填料層（4）、陰極層（6）、導線（7）、電阻箱（8）及濕地植物（5），其特征在于：在垂直流人工濕地中從下至上依次設置底部非導電填料層（1）、鋼渣陽極層（2）、上部非導電填料層（4）和陰極層（6），鋼渣陽極層（2）中埋設電流收集器（3），電流收集器（3）與陰極層（6）分別通過導線（7）與電阻箱（8）連接組成閉合回路，濕地植物（5）穿過陰極層（6）種植在上部非導電填料層（4）中，所述的底部非導電填料層（1）厚度為3?20cm；鋼渣陽極層（2）厚度為5?25cm；上部非導電填料層（4）厚度為10?30cm；陰極層（6）厚度為3?15cm，所述的鋼渣陽極層（2）內電流收集器（3）為不銹鋼格網或石墨碳棒。
【技術特征摘要】
1.一種以鋼渣為陽極的同步產電和污水凈化的裝置，包括底部非導電填料層（1）、鋼渣陽極層（2）、電流收集器（3）、上部非導電填料層（4）、陰極層（6）、導線（7）、電阻箱（8）及濕地植物（5），其特征在于：在垂直流人工濕地中從下至上依次設置底部非導電填料層（1）、鋼渣陽極層（2）、上部非導電填料層（4）和陰極層（6），鋼渣陽極層（2）中埋設電流收集器（3），電流收集器（3）與陰極層（6）分別通過導線（7）與電阻箱（8）連接組成閉合回路，濕地植物（5）穿過陰極層（6）種植在上部非導電填料層（4）中，所述的底部非導電填料層（1）厚度為3-20cm；鋼渣陽極層（2）厚度為5-25cm；上部非導電填料層（4）厚度為10-30cm；陰極層（6）厚度為3-15cm，所述的鋼渣陽極層（2）內電流收集器（3）為不銹鋼格網或石墨碳棒。
2.根據權利要求1所述的一種以鋼渣為陽極的同步產電和污水凈化的裝置，其特征在于：所述的底部非導電填料層（1）及...
【專利技術屬性】
技術研發人員：吳振斌，肖恩榮，周銀，許丹，武俊梅，徐棟，賀鋒，周巧紅，張義，
申請(專利權)人：中國科學院水生生物研究所，
類型：新型
國別省市：湖北;42
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