本實用新型涉及生物能源和污水處理的技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及人工濕地燃料電池以及餐廚垃圾壓縮水的凈化系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
環(huán)境水體污染與能源危機日益嚴重，急需發(fā)展新型能量轉(zhuǎn)換裝置將污水中的可回收能量直接轉(zhuǎn)化為電能。微生物燃料電池(Microbial fuel cells，MFCs或者MFC)技術(shù)為此提供了新契機。然而，目前還存在很多因素阻礙該技術(shù)往預期的方向進一步發(fā)展，如功率密度低、啟動過程冗長繁瑣、陽極生物膜掛膜周期長、陽極與陰極的高氧化還原性能不相匹配等，這些限制因素使得該技術(shù)很難滿足人類社會高效、快速、穩(wěn)定的電能輸出要求。
現(xiàn)有技術(shù)中，對餐廚垃圾壓縮水的凈化的效果較差。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
有鑒于此，本實用新型一方面在于提供一種人工濕地燃料電池，該人工濕地燃料電池應用在餐廚垃圾壓縮水凈化具有較好的凈化效果。
一種人工濕地燃料電池，包括陽極室和陰極室，所述陽極室設(shè)有由污泥與活性炭混合物填充的陽極填充層，生物陽極設(shè)置于陽極填充層內(nèi)，所 述陰極室設(shè)有由鵝卵石填充的陰極填充層，所述陰極填充層內(nèi)設(shè)有生物陰極。
進一步地，還包括設(shè)置于所述陽極填充層下方的由鵝卵石填充的基底層。
進一步地，所述陽極填充層的上方設(shè)有植被層。
進一步地，所述陰極室和陽極室之間設(shè)有金屬網(wǎng)。
進一步地，所述基底層和陽極填充層之間設(shè)有碳氈分隔層。
進一步地，所述陽極填充層的厚度為30～50cm。
進一步地，所述金屬網(wǎng)的厚度為0.5～1.5mm。
進一步地，所述碳氈分隔層的厚度為3～7mm。
本實用新型另一方面在于提供一種餐廚垃圾壓縮水的凈化系統(tǒng)，該凈化系統(tǒng)對餐廚垃圾壓縮水具有較好的凈化效果。
一種餐廚垃圾壓縮水的凈化系統(tǒng)，包括如上述述的人工濕地燃料電池。
進一步地，還包括上流式厭氧反應床和厭氧-好氧協(xié)同處理裝置，所述上流式厭氧反應床連接所述厭氧-好氧協(xié)同處理裝置，所述厭氧-好氧協(xié)同處理裝置連接所述人工濕地燃。
本實用新型的的人工濕地燃料電池結(jié)構(gòu)簡單，應用在餐廚垃圾壓縮水的凈化系統(tǒng)具有較好的凈化效果。
附圖說明
圖1為人工濕地燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
主要元件符號說明：
100 人工濕地燃料電池
20 陽極室
21 陽極填充層
22 生物陽極
23 進水口
30 陰極室
31 陰極填充層
32 生物陰極
33 泵
34 出水口
40 金屬網(wǎng)
50 基底層
60 碳氈分隔層
70 植被層。
具體實施方式
為了便于理解本實用新型，下面將參照相關(guān)附圖對網(wǎng)絡(luò)變壓器進行更全面的描述。附圖中給出了網(wǎng)絡(luò)變壓器的首選實施例。但是，網(wǎng)絡(luò)變壓器可以以許多不同的形式來實現(xiàn)，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對網(wǎng)絡(luò)變壓器的公開內(nèi)容更加透徹全面。
在本實用新型的描述中，需要理解的是，術(shù)語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本 實用新型的限制。
在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本實用新型的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
在本實用新型的描述中，除非另有規(guī)定和限定，需要說明的是，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語的具體含義。
請參閱圖1。本實用新型實施例的人工濕地燃料電池100可以為方形或大致方形，其尺寸(長、寬、高)可以為135mm×95mm×90mm。
上述人工濕地燃料電池100可以包括陽極室20和陰極室30，該陽極室20設(shè)有由污泥與活性炭混合物填充的陽極填充層21，該生物陽極22設(shè)置于陽極填充層21內(nèi)，該陰極室30設(shè)有由鵝卵石填充的陰極填充層31，該陰極填充層31內(nèi)設(shè)有生物陰極32。
陽極填充層21的厚度可以為30～50cm，例如30cm、32cm、35cm、40cm、45cm、48cm或50cm，優(yōu)選為40cm等。活性炭的填充密度可以為0.3～0.7g/cm3，例如0.3g/cm3、0.35g/cm3、0.40g/cm3、0.50g/cm3、0.55g/cm3、0.60g/cm3、0.65g/cm3、0.68g/cm3或0.70g/cm3等，優(yōu)選為0.50g/cm3。至于污泥與活性炭混合物二者的混合比例可根據(jù)實際需要作常規(guī)調(diào)整。
陰極填充層31的厚度可以為30～50cm，例如30cm、32cm、35cm、40cm、45cm、48cm或50cm，優(yōu)選為40cm等。陰極填充層31的鵝卵石的粒度直徑可以為8～12mm，優(yōu)選為10mm。陰極可以為于陰極填充層31的中央位置。
還可設(shè)置為陰極填充層31供氣的泵33，以電子供體，加速電池的反應速率。供氣的速率可以為15～25L/min，例如15L/min、17L/min、18L/min、20L/min、21L/min、23L/min、24L/min或25L/min，優(yōu)選為20L/min等。
在陰極室30和陽極室20之間還可以設(shè)有金屬網(wǎng)40，基地層和陽極填充層21之間設(shè)有碳氈分隔層60。金屬網(wǎng)40的厚度可以為0.5～1.5mm，優(yōu)選為1mm。碳氈分隔層60的厚度可以為3～7mm，優(yōu)選為5mm。
還可以包括設(shè)置于所述陽極填充層21下方的由鵝卵石填充的基底層50。基底層50的厚度可以為5～15cm，例如5cm、6cm、8cm、10cm、12cm、15cm，優(yōu)選為10cm等?；讓?0的鵝卵石直徑可以為15～25mm，優(yōu)選為20mm。
在陽極填充層21的上方設(shè)有植被層70。植被層70可以為栽種水葫蘆的植被層70，當然還可以為栽種美人蕉的植被層70或者栽種水浮蓮的植被層70。植被層的栽種密度為20株/m2。
陰極室30可設(shè)有出水口34，以使得經(jīng)過處理的壓縮水排出。出水口34可位于陰極室30的頂部。
陽極室20可設(shè)有進水口23，以使得待處理的水進入。進水口23可位于陽極室20的底部。
本實用新型人工濕地燃料電池可以應用在對餐廚垃圾壓縮水的處理。這里，餐廚垃圾壓縮水是指餐廚垃圾液體經(jīng)過油水分離后所剩下的水由脫 水設(shè)備(例如脫水機)處理得到的水。
人工濕地燃料電池處理垃圾壓縮水的方式為本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)人工濕地燃料電池的結(jié)構(gòu)即可想象到，即將壓縮水通入人工濕地燃料電池的陽極室和陽極室即可。具體地，餐廚垃圾壓縮水從基底層進入，然后從下部向上部滲透，在微生物將化學能轉(zhuǎn)化成電能的過程中，壓縮水中的有機成分被微生物分解，以凈化，凈化后的水從頂部的植被層出來。
本實用新型的餐廚垃圾壓縮水的凈化系統(tǒng)包括上述的人工濕地燃料電池。
為了降低人工濕地燃料電池對人工濕地燃料電池對餐廚垃圾壓縮水的凈化處理的負荷，上述凈化系統(tǒng)還可包括上流式厭氧反應床和厭氧-好氧協(xié)同處理裝置。該上流式厭氧反應床連接厭氧-好氧協(xié)同處理裝置，該厭氧-好氧協(xié)同處理裝置連接人工濕地燃料電池。
這里，上流式厭氧反應床即上流式厭氧污泥床反應器(Up-flow Anaerobic Sludge Bed/Blanket，UASB)。其可由污泥反應區(qū)、氣液固三相分離器(包括沉淀區(qū))和氣室三部分組成。在底部反應區(qū)內(nèi)存留大量厭氧污泥，具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥層。要處理的污水從厭氧污泥床底部流入與污泥層中污泥進行混合接觸，污泥中的微生物分解污水中的有機物，把它轉(zhuǎn)化為沼氣。沼氣以微小氣泡形式不斷放出，微小氣泡在上升過程中，不斷合并，逐漸形成較大的氣泡，在污泥床上部由于沼氣的攪動形成一個污泥濃度較稀薄的污泥和水一起上升進入三相分離器，沼氣碰到分離器下部的反射板時，折向反射板的四周，然后穿過水層進入氣室，集中在氣室沼氣，用導管導出，固液混合液經(jīng)過反射進入三相分離器的沉淀區(qū)，污水中的污泥發(fā)生絮凝，顆粒逐漸增大，并在重力作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沿著斜壁滑回厭氧反應區(qū)內(nèi)，使反應區(qū) 內(nèi)積累大量的污泥，與污泥分離后的處理出水從沉淀區(qū)溢流堰上部溢出，然后排出污泥床。
這里，厭氧-好氧協(xié)同處理裝置是指能實施厭氧-好氧協(xié)同作用(即A/O)的裝置。此處，A/O工藝法，也叫厭氧好氧工藝法。A就是厭氧段，主要用于脫氮除磷；O即好氧段，主要用于去除水中的有機物。它除了可去除廢水中的有機污染物外，還可同時去除氮、磷，對于高濃度有機廢水及難降解廢水，在好氧段前設(shè)置水解酸化段，可顯著提高廢水可生化性。
可以理解的是，為了進一步降低前端降低污染物負荷，還可在厭氧-好氧協(xié)同處理裝置的處理前設(shè)置油水分離裝置，油水分離裝置可采用重力-氣浮式油水分離設(shè)備。此處，重力-氣浮式油水分離設(shè)備可采用公知的形式，或者如中國專利CN203247159U所述的重力-氣浮式油水分離設(shè)備。
上述的生物陽極，較好地，可以由包括以下步驟的制備方法所制備，該步驟如下：
將碳材料的陽極使用酸浸漬；
將經(jīng)浸漬后的陽極施加0.1～0.3V的恒定電壓，或者施加0.5～5A/cm2恒電流。具體地，恒定電壓例如可以為0.1V、0.15V、0.2V、0.25V、0.28V或0.30V等；恒定電流密度例如可以為0.5A/cm2、0.55A/cm2、0.60A/cm2、0.8A/cm2、1A/cm2、2A/cm2、2.5A/cm2、3A/cm2、4A/cm2、4.5A/cm2或5A/cm2等。此處，A/cm2表示電流密度。
上述施加恒定電壓或者施加恒定電流的過程為使得生物陽極預制。該預制能起到如下幾個方面的作用：
首先，能夠明顯地提升陽極的電容性和峰值電流；
再者，可以降低電池的內(nèi)阻，主要是通過促進陽極掛膜來降低陽極與溶液的固液相之間傳質(zhì)阻力，提升電池的效率；
另者，可以促進微生物在陽極表面的附著和生長，提升陽極的生物量。固體陽極表面附著的的生物膜是加速電子從基質(zhì)轉(zhuǎn)移到陽極材料表面的主要載體。恒壓預制更有利于形成穩(wěn)定、密實、成熟的陽極生物膜；
又者，預制還可實現(xiàn)MFC即時啟動，避免反復更換培養(yǎng)液的緩慢掛膜過程，穩(wěn)定后的最大輸出電壓隨著預制時間的延長而逐步增大。恒流預制規(guī)律與恒壓類似，但過大的電流密度會阻礙MFC的啟動過程；
再者，有利于形成具有穩(wěn)定電化學催化能力的陽極生物膜，在較低的陽極電流下，陽極生物膜中會形成死-活雙層細胞膜結(jié)構(gòu)，生物膜生長過程中，負責產(chǎn)電的活細胞層會達到一個相對固定的厚度，死細胞則會繼續(xù)在電極表面累積，作為電子傳遞的中介體。
另外，預制能夠通過提高陽極性能來有效地提高MFC輸出功率密度，且該高功率密度可在極短的時間內(nèi)實現(xiàn)，可實現(xiàn)MFC的即時啟動和高功率密度。
在恒定電壓下預制的時間較好地為1～9d，例如1d、1.5d、2d、4d、5d、7d、8d或9d等；在恒定電流下預制的時間可為2～6d，例如2d、3d、5d、6d、7d或8d等。注意，這里“d”指天數(shù)，即1d為24h。
預制的溫度可根據(jù)實際需要作調(diào)整，例如預制的溫度可在室溫左右進行，例如預制的溫度可以為30℃。
容易理解的是，預制在置入馴化液中進行。較好地，馴化液可以為污泥營養(yǎng)液和葡萄糖營養(yǎng)液的混合物。二者混合的比例可參考性地為體積比為1：1，二者的濃度可以均為污泥營養(yǎng)液和葡萄糖營養(yǎng)液1g·L-1。此處，術(shù)語“馴化液”即微生物馴化液，是指用來馴化微生物的液體，微生物馴化是指在細菌培養(yǎng)基中加入靶向環(huán)境的材料或基質(zhì)，讓細菌逐漸適應并依賴靶向環(huán)境的材料或基質(zhì)，從而達到改善或改變環(huán)境中的有效成分。
污泥營養(yǎng)液可在常規(guī)的條件下進行預培養(yǎng)，預培養(yǎng)的時間可以為4～7d，例如可以為4d、5d、6d、7d等?？商峁┮环N污泥營養(yǎng)液的組成，其可以包含0.8～1.2g·L-1葡萄糖、0.06～1g·L-1NH4Cl、0.02～0.06g·L-1KH2PO4、0.40～0.56g·L-1酵母膏和3～7mL·L-1微量元素溶液，優(yōu)選為其可以包含1g·L-1葡萄糖、0.08g·L-1NH4Cl、0.04g·L-1KH2PO4、0.48·L-1酵母膏和5mL·L-1微量元素溶液。
葡萄糖營養(yǎng)液可在常規(guī)的方式來獲得可提供一種葡萄糖營養(yǎng)液的組成，即0.8～1.2g·L-1葡萄糖，3～7mL·L-1維他命溶液，10～15mL·L-1微量元素和40～60mmol·L-1PBS溶液(磷酸鹽緩沖溶液)。其中，PBS溶液的組分為：0.25～0.35g·L-1NH4Cl，2.0～3.0g·L-1NaH2PO4·H2O，0.55～0.60g·L-1Na2HPO4和0.10～0.16g·L-1KCl。優(yōu)選地，葡萄糖營養(yǎng)液包含1g·L-1葡萄糖，5mL·L-1維他命溶液，12.5mL·L-1微量元素和50mmol·L-1PBS溶液，其中PBS溶液的組分為：0.31g·L-1NH4Cl，2.452g·L-1NaH2PO4·H2O，0.576g·L-1Na2HPO4和0.13g·L-1KCl。
上述酸浸漬的目的是使得生物陽極活化。可采用本領(lǐng)域公知的強酸，例如鹽酸、硫酸、硝酸以及任意組合。優(yōu)選地，可采用稀硝酸，即體積比為2：3～3：2的濃硝酸和水的混合液，此處，濃硝酸是指質(zhì)量分數(shù)約為65％的硝酸。浸漬的時間是6～10h，例如6h、7h、8h、9h或10h。
至于浸漬可在室溫下進行，或者其它公知的溫度，沒有特別的限定。
上述碳材料的陽極可為石墨、石墨烯、碳納米管等，優(yōu)選為碳氈。此出，碳氈是指碳纖維制成的氈。碳氈的陽極具有較好的導電性，吸附容量大，脫附速度快。
在浸漬之后還可包括由先至后包括清洗和烘干。清洗可采用磷酸鹽緩沖溶液，清洗的次數(shù)以清洗至pH接近pH＝7.0。烘干可在120℃烘箱內(nèi)干 燥12小時。
本實用新型的生物陽極可作為微生物燃料電池的陽極。將上述生物陽極構(gòu)成微生物燃料電池的過程的構(gòu)成過程可以為：在單室無膜空氣陰極反應器，反應器的主體結(jié)構(gòu)是邊長為2.5cm，長度為3cm的橫向長方體，有效容積約為18.75mL，電極間距3cm，陰極開半徑為1cm的圓孔，陰極面積均為3.14cm2，預制生物陽極作為電池的陽極，防水碳布上負載Pt/C催化劑(10％，0.5mg/cm2Pt)作為陰極，組裝好后往反應器內(nèi)直接注入上述葡萄糖營養(yǎng)液(不再添加污泥上清液)，在30℃條件下運行。
本實用新型還提供一種包含上述生物燃料電池的人工濕地燃料電池。
本實用新型未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。
由于本實用新型中所涉及的各工藝參數(shù)的數(shù)值范圍在上述實施例中不可能全部體現(xiàn)，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員完全可以想象到只要落入上述該數(shù)值范圍內(nèi)的任何數(shù)值均可實施本實用新型，當然也包括若干項數(shù)值范圍內(nèi)具體值的任意組合。此處，出于篇幅的考慮，省略了給出某一項或多項數(shù)值范圍內(nèi)具體值的實施例，此不應當視為本實用新型的技術(shù)方案的公開不充分。
申請人聲明，本實用新型通過上述實施例來說明本實用新型的詳細工藝設(shè)備和工藝流程，但本實用新型并不局限于上述詳細工藝設(shè)備和工藝流程，即不意味著本實用新型必須依賴上述詳細工藝設(shè)備和工藝流程才能實施。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應該明了，對本實用新型的任何改進，對本實用新型產(chǎn)品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式選擇等，落在本實用新型的保護范圍內(nèi)。