一种人工湿地处理黑臭水体的装置及方法
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; |
| 专利有效性 | 公开 | 当前状态 | 公开 |
| 申请号 | CN202510110631.7 | 申请日 | 2025-01-23 |
| 公开(公告)号 | CN119898895A | 公开(公告)日 | 2025-04-29 |
| 申请人 | 重庆大学; | 申请人类型 | 学校 |
| 发明人 | 陈一; 王一初; 刘涛; 李宏; 杨兵; 郎涛; 李思涵; 张子航; | 第一发明人 | 陈一 |
| 权利人 | 重庆大学 | 权利人类型 | 学校 |
| 当前权利人 | 重庆大学 | 当前权利人类型 | 学校 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：重庆市 | 城市 | 当前专利权人所在城市：重庆市沙坪坝区 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：重庆市沙坪坝区正街174号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：400000 |
| 主IPC国际分类 | C02F3/32 | 所有IPC国际分类 | C02F3/32 ; C02F3/00 ; H01M8/16 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 北京正华智诚专利代理事务所 | 专利代理人 | 李林合; |
| 摘要 | 本 发明 公开了污 水 处理 领域的一种人工湿地处理黑臭 水体 的装置，包括： 燃料 电池 组件包括反应容器、反应容器内由上至下的 阴极 区、 阳极 区和缓冲区，阴极区包括有催化填料，阳极区包括有 氧 化填料，缓冲区包括有缓冲填料，氧化填料为 复合材料 ；通水组件与阳极区的连通、用于为阳极区缓慢通入黑臭水体，反应容器上竖向间隔设有若干水平的出水管；集电组件与阳极区、阴极区电性连接；以及一种制作方法；本发明的有益效果为：通过设置聚丁二酸丁二醇酯、氧化锰和二氧化锰制作的复合材料作为 燃料电池 的阳极填料，能够减少黑臭物质的形成，提升燃料电池对黑臭水体的处理效果。 | ||
| 权利要求 | 1.一种人工湿地处理黑臭水体的装置，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种人工湿地处理黑臭水体的装置及方法技术领域背景技术[0002] 黑臭水体是当前备受关注的环境问题之一。这种现象的产生主要是由于大量未经处理的污染物直接排入水体，微生物进行好氧分解，使水体中耗氧速率超过复氧速率，导致水体中溶解氧减少，形成缺氧甚至厌氧环境，从而降低了水体的自净能力。在缺氧或厌氧条件下，有机物被厌氧分解，生成不同类型的致黑和致臭物质，使得水体变黑并散发出恶臭，对环境造成了显著的影响。悬浮絮体是黑臭水体中致黑物质的主要载体，包括马基诺矿(四方相硫化亚铁)和腐殖酸等，马基诺矿可以直接影响入射到水体中光线的吸收而致黑；除了自身为黑色物质外，腐殖酸还会促进马基诺矿的产生和悬浮而致黑。富里酸是溶解态的促黑物质，可以通过羟基、羧基以及分子间氢键与马基诺矿作用，促进马基诺矿的悬浮致黑。 [0003] 对于黑臭水体的治理，工程上常用的处理技术主要有物理修复、化学修复及生物修复三类。人工湿地‑微生物燃料电池技术作为一种生物修复技术，与物理、化学修复技术相比，具有建设费用低、污染物去除率高、污染修复效果持久的优点。人工湿地‑微生物燃料电池技术将人工湿地中天然存在的厌氧区和好氧区作为微生物燃料电池的阴极和阳极，在拥有良好的污染物处理性能的同时，实现了电力生产，同步实现环境效益和经济效益，具有广阔的应用前景。然而黑臭水体中可生物利用的有机物含量较低，氮污染物的浓度较高，这一特点往往影响到反硝化过程的进行，最终导致氮污染物去除率低，系统的产电能力下降。同时常规人工湿地‑微生物燃料电池系统对于黑臭水体中腐殖酸、富里酸、硫化氢等致黑致臭物质的去除率不高。 [0004] 为此，我们提出一种人工湿地处理黑臭水体的装置及方法。 发明内容[0005] 针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种人工湿地处理黑臭水体的装置及方法，以解决在人工湿地‑微生物燃料电池处理黑臭水体时污染物去除和产电效率不够高的问题。 [0006] 为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为： [0007] 一种人工湿地处理黑臭水体的装置，包括：燃料电池组件，包括反应容器、反应容器内由上至下的阴极区、阳极区和缓冲区，阴极区包括有催化填料，阳极区包括有氧化填料，缓冲区包括有缓冲填料，氧化填料为复合材料，复合材料用于吸附黑臭水体的臭气、截留马基诺矿以及提升对腐殖酸、富里酸的降解效果；通水组件，与阳极区的连通、用于为阳极区缓慢通入黑臭水体，反应容器上竖向间隔设有若干水平的出水管；集电组件，与阳极区、阴极区电性连接，集电组件用于收集和观测燃料电池组件内产生的电能。 [0008] 通过采用具有吸附黑臭水体臭气作用以及能够截留马基诺矿、提升对腐殖酸、富里酸的降解效果的复合材料作为阳极的填料，能够极大的减小黑臭水体的臭味，并且能够提高致臭致黑物质的去除效果，提升对黑臭水体的处理效果。 [0009] 进一步限定，阴极区还包括阴极隔网和第一导电碳毡，第一导电碳毡置于阴极隔网上，阴极隔网水平设于催化填料内，催化填料为石英砂，催化填料上种植有风车草；设置阴极隔网对第一导电碳毡进行承托，并将阴极隔网设于催化填料中，对第一导电碳毡的设置更加的简单，在催化填料上种植风车草能够通过风车草的根须稳定催化填料，并且在风车草的根须处会聚集微生物群落，更利于燃料电池的运行。 [0010] 进一步限定，阳极区还包括阳极隔网和第二导电碳毡，第二导电碳毡置于阳极隔网上，阳极隔网水平设于复合材料内，复合材料包括可降解固态碳和负载于可降解固态碳上的锰的氧化物。 [0011] 进一步限定，锰的氧化物包括氧化锰和二氧化锰，可降解固态碳包括聚丁二酸丁二醇酯；通过将聚丁二酸丁二醇酯与MnO2进行复合形成复合材料，复合材料对于臭气具有一定的吸附效果，然后通过复合材料上富集的微生物将臭气充分降解；复合材料对马基诺矿有截留作用，马基诺矿为四方相硫化亚铁，在阳极能够激活铁循环，诱导富集更多的电活性功能微生物，由此提升有机物去除率和产电效率；复合材料上附着有电活性微生物，可以通过共代谢作用对腐殖酸、富里酸等致黑物质进行降解，微生物在代谢过程中产生的电子可以直接转移到电极上，形成电流，这一过程提高了微生物对腐殖酸、富里酸的降解效率；复合材料中的MnO2可以作为电子供体为微生物提供电子,增加微生物电化学作用向外部电路提供的电流，促进电循环的进行，间接促进有机物的降解；在MnO2的催化作用下，部分反应会形成超氧自由基，该自由基具有很强的氧化能力，能够氧化难降解的腐殖酸、富里酸； 复合材料中的MnO在反应中形成的锰离子也会与各种形态的硫离子络合沉淀，从而提高对致臭物质的去除。 [0012] 进一步限定，聚丁二酸丁二醇酯、氧化锰、二氧化锰的比例为1～4：1：1。 [0013] 进一步限定，缓冲填料为粒径50～80mm的砾石，复合材料的粒径为20～30mm，催化填料的粒径为30～50mm。 [0014] 进一步限定，通水组件包括储水容器、蠕动泵和通水管；蠕动泵的输入端通过通水管与储水容器连通、输出端通过通水管与阴极区连通；采用蠕动泵作为输送黑臭水体的泵体输送效果更好，能够提升装置的稳定性。 [0015] 进一步限定，集电组件包括负载电阻和电压采集系统，负载电阻的两端分别通过导线连接在第一导电碳毡和第二导电碳毡上，电压采集系统的两个接线端分别连接在负载电阻两端的导线上；通过设置集电组件能够对燃料电池产生的电能进行收集和观测。 [0016] 一种制作方法，用于制作上述的复合材料，包括如下步骤： [0017] S1.对聚丁二酸丁二醇酯进行加热，得到熔融的聚丁二酸丁二醇酯； [0018] S2.向熔融的聚丁二酸丁二醇酯中加入氧化锰、二氧化锰粉末，而后将混合物混合均匀，进行二次加热得到熔融的混合物； [0019] S3.将二次加热得到的熔融的混合物进行冷却、洗涤和干燥形成复合材料，将复合材料进行切割打碎成颗粒状。 [0020] 进一步限定，步骤S1中的加热温度为120～130℃，加热时长为10～20分钟；步骤S2中的二次加热温度也为120～130℃，加热时长为5～10分钟。 [0022] 图1为本发明的简单结构示意图。 [0023] 其中各部件的符号如下： [0024] 燃料电池组件1、反应容器11、阴极区12、催化填料121、阴极隔网122、第一导电碳毡123、阳极区13、氧化填料131、阳极隔网132、第二导电碳毡133、缓冲区14、缓冲填料141、出水管15、风车草16、通水组件2、储水容器21、蠕动泵22、通水管23、集电组件3、负载电阻31、电压采集系统32。 具体实施方式[0025] 下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。 [0026] 实施例： [0027] 如图1所示，一种人工湿地处理黑臭水体的装置，包括燃料电池组件1、通水组件2和集电组件3；燃料电池组件1包括反应容器11、反应容器11内由上至下的阴极区12、阳极区13和缓冲区14，反应容器11上竖向间隔设有若干水平的出水管15；阴极区12包括有催化填料121，阳极区13包括有氧化填料131，缓冲区14包括有缓冲填料141，氧化填料131为复合材料，复合材料用于吸附黑臭水体的臭气、截留马基诺矿以及提升对腐殖酸、富里酸的降解效果；阴极区12还包括阴极隔网122和第一导电碳毡123，第一导电碳毡123置于阴极隔网122上，阴极隔网122水平设于催化填料121内，催化填料121为石英砂，催化填料121上种植有风车草16；阳极区13还包括阳极隔网132和第二导电碳毡133，第二导电碳毡133置于阳极隔网 132上，阳极隔网132水平设于复合材料内，复合材料包括可降解固态碳和负载于可降解固态碳上的锰的氧化物；锰的氧化物包括氧化锰和二氧化锰，可降解固态碳包括聚丁二酸丁二醇酯；聚丁二酸丁二醇酯、氧化锰、二氧化锰的比例为1～4：1：1；缓冲填料141为粒径50～ 80mm的砾石，复合材料的粒径为20～30mm，催化填料121的粒径为30～50mm；通水组件2用于为阳极区13缓慢通入黑臭水体，通水组件2包括储水容器21、蠕动泵22和通水管23；蠕动泵 22的输入端通过通水管23与储水容器21连通、输出端通过通水管23与阴极区12连通；集电组件3用于收集和观测燃料电池组件1内产生的电能；集电组件3包括负载电阻31和电压采集系统32，负载电阻31的两端分别通过导线连接在第一导电碳毡123和第二导电碳毡133上，电压采集系统32的两个接线端分别连接在负载电阻31两端的导线上。 [0028] 通过采用具有吸附黑臭水体臭气作用以及能够提升对有机硫的降解效果的复合材料作为阳极的填料，能够极大的减小黑臭水体的臭味，并且能够提高致臭致黑物质的去除效果，提升对黑臭水体的处理效果；设置阴极隔网122对第一导电碳毡123进行承托，并将阴极隔网122设于催化填料121中，对第一导电碳毡123的设置更加的简单，在催化填料121上种植风车草16能够通过风车草16的根须稳定催化填料121，并且在风车草16的根须处会聚集微生物群落，更利于燃料电池的运行；通过将聚丁二酸丁二醇酯与MnO2进行复合形成复合材料，复合材料对于臭气具有一定的吸附效果，然后通过复合材料上富集的微生物将臭气充分降解；复合材料对马基诺矿有截留作用，马基诺矿为四方相硫化亚铁，在阳极能够激活铁循环，诱导富集更多的电活性功能微生物，由此提升有机物去除率和产电效率；复合材料上附着有电活性微生物，可以通过共代谢作用对腐殖酸、富里酸等致黑物质进行降解，微生物在代谢过程中产生的电子可以直接转移到电极上，形成电流，这一过程提高了微生物对腐殖酸、富里酸的降解效率；复合材料中的MnO2可以作为电子供体为微生物提供电子,增加微生物电化学作用向外部电路提供的电流，促进电循环的进行，间接促进有机物的降解；在MnO2的催化作用下，部分反应会形成超氧自由基，该自由基具有很强的氧化能力，能够氧化难降解的腐殖酸、富里酸；复合材料中的MnO在反应中形成的锰离子也会与各种形态的硫离子络合沉淀，从而提高对致臭物质的去除；复合材料中的聚丁二酸丁二醇酯作为碳源和电子供体易被微生物利用，提高了反硝化过程的强度，硝酸盐和硫酸盐的还原过程存在竞争关系，反硝化过程强度的提高会抑制硫酸盐还原过程的进行，减少致黑致臭物质的生成；采用蠕动泵22作为输送黑臭水体的泵体输送效果更好，能够提升装置的稳定性；通过设置集电组件3能够对燃料电池产生的电能进行收集和观测。 [0029] 一种制作方法，用于制作上述的复合材料，包括如下步骤： [0030] S1.对聚丁二酸丁二醇酯进行加热，加热温度为124℃，加热时长为14分钟，得到熔融的聚丁二酸丁二醇酯； [0031] S2.向熔融的聚丁二酸丁二醇酯中加入氧化锰、二氧化锰粉末，而后将混合物混合均匀，进行二次加热，二次加热的温度为126℃，加热时长为6分钟，得到熔融的混合物； [0032] S3.将二次加热得到的熔融的混合物进行冷却、洗涤和干燥形成复合材料，将复合材料进行切割打碎成颗粒状。 [0033] 实施例2： [0034] 实施例2和实施例1的区别点仅在于制作方法； [0035] 一种制作方法，用于制作上述的复合材料，包括如下步骤： [0036] S1.对聚丁二酸丁二醇酯进行加热，加热温度为120℃，加热时长为10分钟，得到熔融的聚丁二酸丁二醇酯； [0037] S2.向熔融的聚丁二酸丁二醇酯中加入氧化锰、二氧化锰粉末，而后将混合物混合均匀，进行二次加热，二次加热的温度为120℃，加热时长为5分钟，得到熔融的混合物； [0038] S3.将二次加热得到的熔融的混合物进行冷却、洗涤和干燥形成复合材料，将复合材料进行切割打碎成颗粒状。 [0039] 实施例3： [0040] 实施例3和实施例1的区别点仅在于制作方法； [0041] 一种制作方法，用于制作上述的复合材料，包括如下步骤： [0042] S1.对聚丁二酸丁二醇酯进行加热，加热温度为130℃，加热时长为20分钟，得到熔融的聚丁二酸丁二醇酯； [0043] S2.向熔融的聚丁二酸丁二醇酯中加入氧化锰、二氧化锰粉末，而后将混合物混合均匀，进行二次加热，二次加热的温度为130℃，加热时长为10分钟，得到熔融的混合物； [0044] S3.将二次加热得到的熔融的混合物进行冷却、洗涤和干燥形成复合材料，将复合材料进行切割打碎成颗粒状。 |
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