本發(fā)明涉及一種治理黑臭水體的生態(tài)凈水裝置及其方法。

背景技術(shù)：

目前能源和環(huán)境問題亟待解決。煤、石油和天然氣等石化燃料不可再生，隨著石化燃料的進(jìn)一步耗盡，能源短缺問題日益突出。與此同時(shí)，隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，工業(yè)廢水、生活污水和農(nóng)業(yè)廢水集中排入河道，過量有機(jī)物、植物營養(yǎng)物和有毒有害物進(jìn)入部分天然水體中，大大超過了水體自凈能力，最終使水體發(fā)黑發(fā)臭。城市黑臭水體已經(jīng)成為一種嚴(yán)重的城市病，其破壞了城市景觀環(huán)境，危害人類生活，每年需耗巨資進(jìn)行處理。

水污染控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一是回收污水中的能源和物質(zhì)，如將微生物產(chǎn)電原理應(yīng)用到污水處理過程中。因此，以生物電化學(xué)為理論基礎(chǔ)的微生物燃料電池技術(shù)因其具有凈化污水并獲取生物質(zhì)能和電能的多重功能備受矚目。微生物燃料電池是一種新型能源與環(huán)境治理相結(jié)合的技術(shù)，它利用厭氧或兼性微生物的催化作用，在氧化分解有機(jī)物的過程中將產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)移至電極，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能向電能轉(zhuǎn)化的新技術(shù)，可以把未經(jīng)處理的污水轉(zhuǎn)變成干凈用水和電源。近年來人們發(fā)現(xiàn)微生物燃料電池能夠起到凈化污水的作用，但目前人們還在尋找最適宜的生物、最適合的工作條件以達(dá)到出水水質(zhì)最大化的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明對(duì)上述問題進(jìn)行了改進(jìn)，即本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是目前城市黑臭水體破壞了城市景觀環(huán)境，危害人類生活，無法得到有效的處理和利用。

本發(fā)明的具體實(shí)施方案是：一種治理黑臭水體的生態(tài)凈水裝置,其特征在于，包括由上至下依次設(shè)置的電池反應(yīng)裝置、凈化裝置及出液裝置，所述電池反應(yīng)裝置包括外部的陰極反應(yīng)套管及設(shè)于陰極反應(yīng)套管內(nèi)的陽極反應(yīng)套管，陰極反應(yīng)套管與陽極反應(yīng)套管之間的空間形成陰極反應(yīng)室，陽極反應(yīng)套管內(nèi)的空間為陽極反應(yīng)室，所述陽極反應(yīng)套管上設(shè)有質(zhì)子交換膜相隔，以實(shí)現(xiàn)陽極反應(yīng)室與陰極反應(yīng)室的質(zhì)子傳導(dǎo)，所述的陰極反應(yīng)套管及陽極反應(yīng)套管均設(shè)置于凈化裝置上。

進(jìn)一步的，所述陽極反應(yīng)套管上部設(shè)有用于向陽極反應(yīng)室內(nèi)送入污泥及污水的陽極進(jìn)樣管，所述陰極反應(yīng)套管上方設(shè)有用于向陰極反應(yīng)室內(nèi)送入藻類植物的陰極進(jìn)樣管。

進(jìn)一步的，過濾裝置包括過殼體及設(shè)置于殼體內(nèi)由上至下依次設(shè)置的聚乙烯醇無紡布、椰殼活性炭、亞硫酸鈣、沸石層和微孔濾膜，所述出液裝置為上端與微孔濾膜聯(lián)通的出液管。

進(jìn)一步的，所述陽極反應(yīng)套管上部設(shè)有植物置放板，所述植物置放板中部具有對(duì)應(yīng)陽極反應(yīng)套管的通孔以實(shí)現(xiàn)植物根系伸入陽極反應(yīng)套管內(nèi)。

進(jìn)一步的，其特征在于，所述陽極反應(yīng)室底部面積為陰極反應(yīng)室的1/2，質(zhì)子交換膜占陽極反應(yīng)套管面積的50~80%。

進(jìn)一步的，所述陰極反應(yīng)套管為透明有機(jī)玻璃。

本發(fā)明還包括以一種治理黑臭水體的生態(tài)凈水方法，包括利用上述的一種治理黑臭水體的生態(tài)凈水裝置，其特征在于包括以下步驟：

（1）將城市內(nèi)河黑臭水、厭氧污泥作為陽極底物由陽極進(jìn)樣管引入，以微藻液、藻類培養(yǎng)液作為陰極由陰極進(jìn)樣管引入，在陽極反應(yīng)室及陰極反應(yīng)室采用石墨板或碳纖維布作為電極材料，兩個(gè)電極通過銅導(dǎo)線和可變電阻連接而成構(gòu)建的微藻型微生物燃料電池；

（2）在陽極反應(yīng)套管頂部添加綠色植物，輔助去除氮磷等植物營養(yǎng)物質(zhì)，并能美化環(huán)境，綠色植物采用鐵絲或塑料固定于頂部，采用無土栽培，利用植物根系的吸收氮和磷等，使黑臭水得到初步凈化。

進(jìn)一步的，所述陽極反應(yīng)室所添加厭氧污泥初始沉降比約為20~50%，陰極所添加藻液初始密度約為（2.0~8.0）×10⁵個(gè)/ml，外電路電阻為300~1000ω。

進(jìn)一步的，多層過濾裝置填料椰殼活性炭、亞硫酸鈣、沸石和微孔濾膜每層高約3~5cm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1）本發(fā)明構(gòu)建的微生物燃料電池與過濾技術(shù)相結(jié)合，能夠處理城市黑臭水，出水水質(zhì)良好，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化功能；增加綠色植物，構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)，既增強(qiáng)水質(zhì)凈化效能，又能營造景觀，美化環(huán)境；裝置所選用的藻類和綠色植物，將來可以作為生物質(zhì)能的原料，實(shí)現(xiàn)污水物質(zhì)回收；裝置采用外形呈圓柱狀，可增大藻類的受光面積，提高藻類光合作用速率，進(jìn)一步提高裝置工作效率。

2）本發(fā)明既能消除水中污染物，又能發(fā)電，回收能源，美化環(huán)境，是解決改善黑臭水體水質(zhì)新理念、新技術(shù)、新方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3）本發(fā)明構(gòu)建的微生物燃料電池將黑臭水中化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)電能力具有很大的提升空間，待技術(shù)成熟，其產(chǎn)生的電量可用于城市供電，緩解城市用電緊張等問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明生態(tài)凈水裝置俯視狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的微藻型微生物燃料電池生態(tài)凈水裝置開路電壓隨時(shí)間變化圖。

圖4為本發(fā)明的微藻型微生物燃料電池生態(tài)凈水裝置運(yùn)行電壓隨電流密度變化圖。

圖5為本發(fā)明的微藻型微生物燃料電池生態(tài)凈水裝置cod降解效果圖。

圖6裝置本裝置發(fā)電凈水效果數(shù)據(jù)表。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

如圖1～2所示，一種治理黑臭水體的生態(tài)凈水裝置，包括由上至下依次設(shè)置的電池反應(yīng)裝置、凈化裝置及出液裝置，所述電池反應(yīng)裝置包括外部的陰極反應(yīng)套管10及設(shè)于陰極反應(yīng)套管10內(nèi)的陽極反應(yīng)套管20，陰極反應(yīng)套管10與陽極反應(yīng)套管20之間的空間形成陰極反應(yīng)室110，陽極反應(yīng)套管內(nèi)的空間為陽極反應(yīng)室210，所述陽極反應(yīng)套管20上設(shè)有質(zhì)子交換膜相隔30，以實(shí)現(xiàn)陽極反應(yīng)室與陰極反應(yīng)室的質(zhì)子傳導(dǎo)，所述的陰極反應(yīng)套管及陽極反應(yīng)套管均設(shè)置于凈化裝置上。質(zhì)子交換膜相隔30能夠嵌于陽極反應(yīng)套管20，本實(shí)施例中，所述陽極反應(yīng)室110底部面積為陰極反應(yīng)室210的1/2，質(zhì)子交換膜30占陽極反應(yīng)套管20面積的50~80%。

所述陽極反應(yīng)套管20上部設(shè)有用于向陽極反應(yīng)室210內(nèi)送入污泥及污水的陽極進(jìn)樣管220，所述陰極反應(yīng)套管10上方設(shè)有用于向陰極反應(yīng)室110內(nèi)送入藻類植物的陰極進(jìn)樣管120。所述的陰極反應(yīng)室110及陽極反應(yīng)室210內(nèi)均設(shè)有電極，使用時(shí)，以城市內(nèi)河黑臭水、厭氧污泥作為陽極底物由陽極進(jìn)樣管220進(jìn)入，以微藻液、藻類培養(yǎng)液作為陰極由陰極進(jìn)樣管120進(jìn)入，石墨板或碳纖維布作為電極材料，兩個(gè)電極通過銅導(dǎo)線和可變電阻連接而成構(gòu)建的微藻型微生物燃料電池。

本實(shí)施例中，在陽極反應(yīng)套管及陰極反應(yīng)套管下方聯(lián)通有過濾裝置40，過濾裝置40包括過殼體及設(shè)置于殼體內(nèi)由上至下依次設(shè)置的聚乙烯醇無紡布、椰殼活性炭層、亞硫酸鈣層、沸石層和微孔濾膜，所述出液裝置為上端與微孔濾膜聯(lián)通的出液管50。

本發(fā)明將電池與多層過濾裝置相結(jié)合，提高出水水質(zhì)。此外，所述陽極反應(yīng)套管上部設(shè)有植物置放板，所述植物置放板中部具有對(duì)應(yīng)陽極反應(yīng)套管的通孔以實(shí)現(xiàn)植物根系伸入陽極反應(yīng)套管內(nèi)，通過在在陽極反應(yīng)套管頂部添加綠色植物60，輔助去除氮磷等植物營養(yǎng)物質(zhì)，并能美化環(huán)境，綠色植物采用鐵絲或塑料固定于頂部，采用無土栽培，利用植物根系的吸收氮和磷等，使黑臭水得到初步凈化。

本實(shí)施例中，所述陰極反應(yīng)套管10為透明有機(jī)玻璃，透明有機(jī)玻璃能增大藻類受光面積，提高藻類光合作用效果。

工作時(shí)，陽極反應(yīng)室210中的厭氧微生物在污水中降解有機(jī)物，代謝分解后產(chǎn)生co2和h+，h+通過質(zhì)子交換膜30傳遞至陰極，電子通過導(dǎo)線（外電路）傳遞至陰極，二者與陰極藻類光合作用產(chǎn)生的o2發(fā)生陰極反應(yīng)。待裝置凈化水體后，凈化后的水體通過過濾裝置40，由出液管50。

該微生物燃料電池的工作原理為陽極厭氧污泥在降解黑臭水中的有機(jī)物的同時(shí)產(chǎn)生電子，電子通過導(dǎo)線傳輸?shù)疥帢O。具體反應(yīng)式為：

陰極：6o2+24e-+24h+→12h2o；

陽極：c6h12o6+6h2o→6co2+24e-+24h+；

陽極厭氧污泥在吸附降解黑臭水中的有機(jī)物的同時(shí)產(chǎn)生電子，電子通過導(dǎo)線傳輸?shù)疥帢O，陰極中的藻類光合作用產(chǎn)生氧氣，氧氣接受電子產(chǎn)生水。

陽極所添加厭氧污泥初始沉降比約為20~50%。

陰極所添加藻液初始密度為（2.0~8.0）×105個(gè)/ml。

外電路電阻為300~1000ω。

多層過濾裝置填料從上到下為聚乙烯醇無紡布、椰殼活性炭、亞硫酸鈣、沸石和微孔濾膜，其中除聚乙烯醇無紡布外其余填料每層高約3~5cm。

在外電路的電壓降到50mv時(shí)，完成污水的處理，同時(shí)完成一個(gè)產(chǎn)電周期。

以下實(shí)施例僅以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。

實(shí)施例1

陽極為取自某內(nèi)河的黑臭水2000ml，厭氧污泥300ml，沉降比約為30%。充分混合后，放入碳布作為電極材料。陰極為1000ml藻溶液，藻密度為5.0×105個(gè)/ml。銅導(dǎo)線與碳布相連，碳布規(guī)格為30mm×20mm，試驗(yàn)在室溫中進(jìn)行，如圖3～6所示，微生物燃料電池運(yùn)行穩(wěn)定，電壓可以超過數(shù)百毫伏，效果如圖6表所示。

上述本發(fā)明所公開的任一技術(shù)方案除另有聲明外，如果其公開了數(shù)值范圍，那么公開的數(shù)值范圍均為優(yōu)選的數(shù)值范圍，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解：優(yōu)選的數(shù)值范圍僅僅是諸多可實(shí)施的數(shù)值中技術(shù)效果比較明顯或具有代表性的數(shù)值。由于數(shù)值較多，無法窮舉，所以本發(fā)明才公開部分?jǐn)?shù)值以舉例說明本發(fā)明的技術(shù)方案，并且，上述列舉的數(shù)值不應(yīng)構(gòu)成對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造保護(hù)范圍的限制。

本發(fā)明提供的任一部件既可以是由多個(gè)單獨(dú)的組成部分組裝而成，也可以為一體成形工藝制造出來的單獨(dú)部件。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是:以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制；盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者對(duì)部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)的技術(shù)方案范圍當(dāng)中。