申請日2021.04.14
公開（公告）日2021.06.11
IPC分類號C02F3/32; C02F3/34; C02F3/00; H01M8/16; C02F101/16
摘要
本發明公開了一種CW‑MFC污水處理系統及處理方法，其中系統包括：進水模塊、補氧模塊、一級人工濕地模塊、微生物燃料電池模塊、二級人工濕地模塊、三級人工濕地模塊和排水模塊；進水模塊、一級人工濕地模塊、二級人工濕地模塊、三級人工濕地模塊和排水模塊依次連接；補氧模塊設置于二級人工濕地模塊和三級人工濕地模塊中；微生物燃料電池模塊設置于一級人工濕地模塊中，凈化污水同時產生電能；一級人工濕地模塊、二級人工濕地模塊、三級人工濕地模塊依次對污水進行凈化，并排出凈化后的污水。通過微生物燃料電池與多級人工濕地相結合，增強了人工濕地對污染物去除能力，可產生一定電能，具有綠色環保、結構簡單及運行成本低等優點。
權利要求書
1.一種CW-MFC污水處理系統，其特征在于，包括：進水模塊、補氧模塊、一級人工濕地模塊、微生物燃料電池模塊(14)、二級人工濕地模塊、三級人工濕地模塊和排水模塊；
所述進水模塊、所述一級人工濕地模塊、所述二級人工濕地模塊、所述三級人工濕地模塊和所述排水模塊依次連接；
所述補氧模塊設置于所述二級人工濕地模塊和所述三級人工濕地模塊中；
所述微生物燃料電池模塊(14)設置于所述一級人工濕地模塊中，凈化所述污水同時產生電能；
所述一級人工濕地模塊、所述二級人工濕地模塊、所述三級人工濕地模塊依次對所述污水進行凈化，并排出凈化后的污水。
2.根據權利要求1所述的CW-MFC污水處理系統，其特征在于，
所述一級人工濕地模塊包括：通過透水隔板(8)分隔的下行區和上行區；
所述下行區包括：濕地進水管(9)、進水槽(10)、一級濕地植物單元(11)、一級濕地填料單元(12)和濕地籃(13)，所述污水依次流過所述濕地進水管(9)、所述進水槽(10)、所述一級濕地植物單元(11)、所述一級濕地填料單元(12)的上層、所述濕地籃(13)和所述一級濕地填料單元(12)的下層；
所述上行區包括：所述一級濕地植物單元(11)、所述一級濕地填料單元(12)和集水槽(15)，所述微生物燃料電池模塊(14)設置于所述上行區中，所述污水由所述下行區底部流出后依次流過所述一級濕地填料單元(12)的下層、所述微生物模塊燃料電池、所述一級濕地填料單元(12)的上層、所述一級濕地植物單元(11)和所述集水槽(15)。
3.根據權利要求2所述的CW-MFC污水處理系統，其特征在于，
所述一級濕地植物單元(11)包括：美人蕉、風車草、蘆葦和/或水蔥；
和/或
所述一級濕地填料單元(12)包括自上而下依次設置的沸石層(19)、陶粒層(20)和礫石層。
4.根據權利要求3所述的CW-MFC污水處理系統，其特征在于，
所述微生物燃料電池模塊(14)包括：電極單元(23)、導線管(24)、陰極導線(25)、陽極導線(26)和電阻(27)；
所述電極單元(23)設置于所述一級人工濕地模塊的所述上行區，其包括分散式設置的電極陽極和電極陰極；
所述陽極導線(26)一端與所述電極陽極中的若干個電極連接，其另一端通過所述導線管(24)與所述電阻(27)的一端連接；
所述陰極導線(25)一端與所述電極陰極的若干個電極連接，其另一端通過所述導線管(24)與所述電阻(27)的另一端連接。
5.根據權利要求4所述的CW-MFC污水處理系統，其特征在于，
所述電極陽極和所述電極陰極均位于所述一級濕地填料單元(12)的陶粒層(20)中。
6.根據權利要求4所述的CW-MFC污水處理系統，其特征在于，
所述電極的外部為不銹鋼網，其內部為柱狀活性炭。
7.根據權利要求1所述的CW-MFC污水處理系統，其特征在于，
所述二級人工濕地模塊由二級人工濕地連通管(28)、布水管(29)、二級濕地植物單元(30)(12)、二級濕地填料單元(31)和二級人工濕地排空管(32)。
8.根據權利要求7所述的CW-MFC污水處理系統，其特征在于，
所述布水管(29)呈耙型，其每個支管下均勻設置有透水孔(17)。
9.根據權利要求7所述的CW-MFC污水處理系統，其特征在于，
所述二級濕地植物單元(30)(12)包括：美人蕉、風車草、蘆葦和/或再力花；和/或
所述二級濕地填料單元(31)包括：自上而下設置的粗砂層(33)、沸石層(19)、陶粒層(20)、礫石層。
10.根據權利要求1所述的CW-MFC污水處理系統，其特征在于，
所述三級人工濕地模塊由三級人工濕地連通管(34)、集水管(35)、三級濕地植物單元(36)、三級濕地填料單元(37)和三級人工濕地排空管(38)。
11.根據權利要求10所述的CW-MFC污水處理系統，其特征在于，
所述集水管(35)呈“豐”型，其每個支管下均勻設置有透水孔(17)。
12.根據權利要求10所述的CW-MFC污水處理系統，其特征在于，
所述三級濕地植物單元(36)包括：美人蕉、風車草、蘆葦和/或千屈菜；和/或
所述三級濕地填料單元(37)包括：自上而下設置的沸石層(19)、陶粒層(20)、礫石層。
13.根據權利要求1所述的CW-MFC污水處理系統，其特征在于，
所述進水模塊包括：蠕動泵(1)、進水管(2)、調節池(3)、溢流管(4)、蓋板(5)和調節池排空管(6)；
所述蓋板(5)位于所述調節池(3)的頂部，所述調節池排空管(6)位于所述調節池(3)底部，所述進水管(2)位于所述調節池(3)一側頂部，所述溢流管(4)位于所述進水管(2)的下方，所述蠕動泵(1)與所述進水管(2)連接。
14.根據權利要求1所述的CW-MFC污水處理系統，其特征在于，
所述排水模塊包括：清水池(39)、潛水泵(40)、出水管(41)和清水池排空管(42)；
所述潛水泵(40)位于所述清水池(39)的內側底部，所述清水池排空管(42)位于所述調節池(3)底部外側；
所述出水管(41)與所述潛水泵(40)出水口連接。
15.根據權利要求1所述的CW-MFC污水處理系統，其特征在于，
所述補氧模塊包括若干個補氧管(7)，其底部設置有若干個透氣孔；
所述若干個補氧管(7)分別豎直設置于所述二級人工濕地模塊和所述三級人工濕地模塊中。
16.一種CW-MFC污水處理方法，其特征在于，通過權利要求1-15中任一所述的CW-MFC污水處理系統對污水進行處理，包括如下步驟：
控制污水按照預設流速間歇流入；
在預設停留時間內，通過一級人工濕地模塊、二級人工濕地模塊和三級人工濕地模塊對所述污水進行凈化，并通過微生物燃料電池模塊(14)凈化污水的同時產生電能；
在所述預設停留時間后，排出凈化后的所述污水。
17.根據權利要求16所述的CW-MFC污水處理方法，其特征在于，
所述預設流速為0.48-1.2m3/d；和/或
所述間歇流入的進水時間為8:00-12:00和20:00-24:00；和/或
所述預設停留時間為3-8天。
說明書
一種CW-MFC污水處理系統及處理方法
技術領域
本發明涉及污水處理技術領域，特別涉及一種CW-MFC污水處理系統及處理方法。
背景技術
人工濕地(constructed wetland，CW)是由植物、微生物及基質組成的復合系統，該系統同時進行物理、化學和生物過程，通過過濾、吸附、共沉淀、離子交換、植物吸收以及微生物分解作用來達到高效凈化污水的目的。微生物燃料電池(microbial fuel cell，MFC)是一種用微生物作為生物催化劑凈化廢水，同時產生清潔能源——電能的生物處理技術。MFC與CW均是以處理有機化合物為目的的生物系統，將兩者耦合可以在獲得高效污染物處理的同時產生電能。
電極材料的選擇對CW-MFC的發展有至關重要的作用。理想的電極材料需要具有良好的導電性、電化學穩定性及生物相容性，還需要為微生物提供附著點。目前MFC的陽極材料主要是石墨、碳紙、碳布、碳氈等，成本較高。
CW-MFC的基質材料可選用砂石、灰渣、黏土、石英砂、陶粒、顆粒活性炭和顆粒石墨等，這些材料可以通過吸附過程增加有機化合物的去除效率。但基質材料的種類、粒徑和組合方式對污水處理效果和產電都有很大影響，因此篩選適宜和低成本的基質材料十分重要。
CW-MFC系統處理污水受到了廣泛的關注，且具有很大的發展空間，但目前此類系統運行成本高，在基質材料、電極材料、結構等方面有待優化。
發明內容
本發明實施例的目的是提供一種CW-MFC污水處理系統及處理方法，通過將微生物燃料電池技術與多級人工濕地技術相結合，增強了人工濕地對TN、NO3-N、COD等污染物的去除能力，同時還可產生一定的電能；上述污水處理方法綠色環保，不產生對環境有害的物質，且系統結構簡單，運行成本低，便于后期放大，在生活污水處理、區域水體處理等領域有很好的應用前景。
為解決上述技術問題，本發明實施例第一方面提供了一種CW-MFC污水處理系統，包括：進水模塊、補氧模塊、一級人工濕地模塊、微生物燃料電池模塊、二級人工濕地模塊、三級人工濕地模塊和排水模塊；
所述進水模塊、所述一級人工濕地模塊、所述二級人工濕地模塊、所述三級人工濕地模塊和所述排水模塊依次連接；
所述補氧模塊設置于所述二級人工濕地模塊和所述三級人工濕地模塊中；
所述微生物燃料電池模塊設置于所述一級人工濕地模塊中，凈化所述污水同時產生電能；
所述一級人工濕地模塊、所述二級人工濕地模塊、所述三級人工濕地模塊依次對所述污水進行凈化，并排出凈化后的污水。
進一步地，所述一級人工濕地模塊包括：通過透水隔板分隔的下行區和上行區；
所述下行區包括：濕地進水管、進水槽、一級濕地植物單元、一級濕地填料單元和濕地籃，所述污水依次流過所述濕地進水管、所述進水槽、所述一級濕地植物單元、所述一級濕地填料單元的上層、所述濕地籃和所述一級濕地填料單元的下層；
所述上行區包括：所述一級濕地植物單元、所述一級濕地填料單元和集水槽，所述微生物燃料電池模塊設置于所述上行區中，所述污水由所述下行區底部流出后依次流過所述一級濕地填料單元的下層、所述微生物模塊燃料電池、所述一級濕地填料單元的上層、所述一級濕地植物單元和所述集水槽。
進一步地，所述一級濕地植物單元包括：美人蕉、風車草、蘆葦和/或水蔥；和/或
所述一級濕地填料單元包括自上而下依次設置的沸石層、陶粒層和礫石層。
進一步地，所述微生物燃料電池模塊包括：電極單元、導線管、陰極導線、陽極導線和電阻；
所述電極單元設置于所述一級人工濕地模塊的所述上行區，其包括分散式設置的電極陽極和電極陰極；
所述陽極導線一端與所述電極陽極中的若干個電極連接，其另一端通過所述導線管與所述電阻的一端連接；
所述陰極導線一端與所述電極陰極的若干個電極連接，其另一端通過所述導線管與所述電阻的另一端連接。
進一步地，所述電極陽極和所述電極陰極均位于所述一級濕地填料單元的陶粒層中。
進一步地，所述電極的外部為不銹鋼網，其內部為柱狀活性炭。
進一步地，所述二級人工濕地模塊由二級人工濕地連通管、布水管、二級濕地植物單元、二級濕地填料單元和二級人工濕地排空管。
進一步地，所述布水管呈耙型，其每個支管下均勻設置有透水孔。
進一步地，所述二級濕地植物單元包括：美人蕉、風車草、蘆葦和/或再力花；和/或
所述二級濕地填料單元包括：自上而下設置的粗砂層、沸石層、陶粒層、礫石層。
進一步地，所述三級人工濕地模塊由三級人工濕地連通管、集水管、三級濕地植物單元、三級濕地填料單元和三級人工濕地排空管。
進一步地，所述集水管呈“豐”型，其每個支管下均勻設置有透水孔。
進一步地，所述三級濕地植物單元包括：美人蕉、風車草、蘆葦和/或千屈菜；和/或
所述三級濕地填料單元包括：自上而下設置的沸石層、陶粒層、礫石層。
進一步地，所述進水模塊包括：蠕動泵、進水管、調節池、溢流管、蓋板和調節池排空管；
所述蓋板位于所述調節池的頂部，所述調節池排空管位于所述調節池底部，所述進水管位于所述調節池一側頂部，所述溢流管位于所述進水管的下方，所述蠕動泵與所述進水管連接。
進一步地，所述排水模塊包括：清水池、潛水泵、出水管和清水池排空管；
所述潛水泵位于所述清水池的內側底部，所述清水池排空管位于所述調節池底部外側；
所述出水管與所述潛水泵出水口連接。
進一步地，所述補氧模塊包括若干個補氧管，其底部設置有若干個透氣孔；
所述若干個補氧管分別豎直設置于所述二級人工濕地模塊和所述三級人工濕地模塊中。
相應地，本發明實施例的第二方面提供了一種CW-MFC污水處理方法，通過上述任一CW-MFC污水處理系統對污水進行處理，包括如下步驟：
控制污水按照預設流速間歇流入；
在預設停留時間內，通過一級人工濕地模塊、二級人工濕地模塊和三級人工濕地模塊對所述污水進行凈化，并通過微生物燃料電池凈化污水同時產生電能；
在所述預設停留時間后，排出凈化后的所述污水。
進一步地，所述預設流速為0.48-1.2m3/d；和/或
所述間歇流入的進水時間為8:00-12:00和20:00-24:00；和/或
所述預設停留時間為3-8天。
本發明實施例的上述技術方案具有如下有益的技術效果：
通過將微生物燃料電池技術與多級人工濕地技術相結合，增強了人工濕地對TN、NO3-N、COD等污染物的去除能力，同時還可產生一定的電能；上述污水處理方法綠色環保，不產生對環境有害的物質，且系統結構簡單，運行成本低，便于后期放大，在生活污水處理、區域水體處理等領域有很好的應用前景。
（發明人：吳曉輝;賈晉煒;彭犇;田瑋;李國宏;蔣巖;牟東陽）
