具有甲烷监测功能的湿地型微生物燃料电池反应器的制作方法

本实用新型涉及环境与新能源技术领域，特别是涉及一种具有甲烷监测功能的湿地型微生物燃料电池反应器。

背景技术：

人类步入新的科技信息时代，随着工农业的开展和人民生活水平的进步，环境污染问题和社会公害问题也越来越重，其中水污染问题越尤为严重！水环境污染致使人们的身体遭受危害，也破坏了大自然的生态环境。各个国家也相继意识到了有关加强治理水环境污染的重要性，一种新型的水处理技术被创造，即通过湿地型微生物燃料电池技术处理污水。

微生物燃料电池是在微生物的作用下将有机物中的化学能转化为电能的装置。在湿地型微生物燃料电池反应系统中，随着有机物的分解通常会有甲烷气体产生，甲烷作为一种易燃的温室气体，排入空气中不仅会加强温室效应，如果达到一定浓度还有爆炸的可能，所以需要对湿地型微生物燃料电池反应器上方的气体进行实时监测，但现有湿地型微生物燃料电池反应器上均没有设置监测甲烷气体的装置。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述问题，本实用新型提供了一种具有甲烷监测功能的湿地型微生物燃料电池反应器，解决了现有技术中的湿地型微生物燃料电池反应器缺少甲烷实时监测装置的技术问题。

为了达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案如下：

提供一种具有甲烷监测功能的湿地型微生物燃料电池反应器，其包括呈空心圆柱体形状且底端封闭的筒体，在筒体内设置有阴极层和阳极层，阴极层位于阳极层的上方，且阴极层与阳极层之间以及阳极层与筒体底面之间设置有砾石层，阴极层与阳极层通过反应液导通；

筒体由多节筒体单元沿其轴线拼连接而成，在邻近筒体底面的侧壁上设置有贯穿其侧壁并通入筒体中心部位的进水管，进水管位于筒体内的一端设置有沿轴线方向的折弯部，折弯部的侧壁上设置有若干喷头；

筒体的顶端敞开，在筒体的顶端面上固定设置有用于支撑、固定甲烷传感器的支架，甲烷传感器电连接于控制器的输入端，控制器的输出端分别电连接有显示屏和报警器，控制器上电连接有蓄电池，所述蓄电池电连接于太阳能电池板上。

进一步地，沿筒体顶端外围设置有收集筒体内溢出液体的排水槽，排水槽的底部设置有排水口，排水口上连接有排水阀。

进一步地，相邻筒体单元之间通过法兰连接。

进一步地，在筒体的侧壁上设置有采样管，采样管上安装有球阀。

进一步地，筒体底端固定连接有延伸出其外圆柱面的连接凸台，连接凸台上均布有沿筒体轴向方向贯穿的螺栓孔。

进一步地，甲烷传感器和控制器之间电连接有模拟/数字信号转换器。

进一步地，控制器为AT80S51单片机。

与现有技术中的湿地型微生物燃料电池反应器相比，本实用新型的有益效果为：

本反应器可以随时监测反应器周围甲烷的含量，甲烷含量可以通过显示屏显示，方便工作人员随时知晓本反应器产生甲烷的情况，从而判断反应器内部微生物的缺氧情况；如果甲烷的产量超过预设值，还会通过报警器来提醒工作人员。甲烷监测系统通过清洁能源太阳能供电，节约电力资源，使得本反应器在解决环保问题的同时不会再增加新的环保问题。

本反应器结构简单、设计合理；筒体由多节筒体单元组装而成，可以根据需要更改构建筒体的筒体单元数量，灵活地选择合适的高度和体积；筒体单元之间通过法兰连接，拆卸组合方便；底部设置的连接凸台与其他装置上对应的连接部通过螺纹紧固件连接，实现了本装置的牢固固定，保证了本装置的稳定性。

筒体上的进水管通过侧壁将水导进筒体中心部位，在进水管端部设置的折弯部增大了水流沿轴向的流过距离，在折弯部上设置喷头来增加水流的横截面积，从而促进水在砾石层里的漫延；由于水是从筒体中心部位往外辐射渗透，所以筒体内水的分布会更加均匀，能够促进微生物降解有机物或氧化有机物，从而提高微生物燃料电池的产电效率。排水槽的设置避免了筒体内的反应液体溢出本反应器外，将筒体内的反应液体收集到排水槽中，通过排水口统一且可控制地排出。

附图说明

图1为具有甲烷监测功能的湿地型微生物燃料电池反应器示意图。

其中，1、筒体；11、阴极层；12、阳极层；13、砾石层；14、连接凸台；141、螺栓孔；15、湿地型植物；2、进水管；21、折弯部；22、喷头；3、甲烷传感器；4、支架；5、控制器；51、蓄电池；52、太阳能电池板；6、显示屏；7、报警器；8、排水槽；81、排水口；82、排水阀；9、采样管；91、球阀；10、模拟/数字信号转换器。

具体实施方式

下面对本实用新型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实用新型，但应该清楚，本实用新型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实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。

微生物燃料电池的主要原理为：微生物的呼吸作用是通过细胞内一系列的氧化还原反应获得能量的过程。微生物通过呼吸作用，催化分解可以生化降解的有机物或氧化有机物，还原电子受体，获得合成三磷酸腺苷(ATP)的能量。电子通过电子传递链从还原剂传递给氧化剂，质子被泵到细胞内壁的外侧，从而产生质子驱动力，ATP即由此产生。呼吸链中电子供体与电子受体之间的电位差越大，反应的吉布斯自由能变越大，更多的ATP就能被合成，细菌就可以获得更多的能量。因此，微生物会在其能力范围内尽最大可能选择电势最高且可用的电子受体来获得能量增益。在电极存在时，微生物就可以利用电极引导电子传递与收集电子，为微生物提供附着点，催化有机物的降解，从而产生的电子通过电极传递到阴极。

如图1所示，本方案中为带有甲烷监测功能的湿地型微生物燃料电池反应器，在反应器顶部种植有湿地型植物15。种植的湿地型植物可以产生更多的氧气，有利于阴极反应的进一步进行，从而提升该反应器的净水能力。

该湿地型微生物燃料电池反应器包括呈空心圆柱体形状且底端封闭的筒体1，筒体1由多节筒体单元沿其轴线通过法兰拼连接而成。筒体1的材质为有机玻璃。筒体1底端封闭且固定连接有延伸出其外圆柱面的连接凸台14，连接凸台14上均布有四个沿筒体轴向方向贯穿的螺栓孔141。

筒体1的顶端敞开，沿筒体顶端外围密封粘接有防止筒体内液体溢出的排水槽8，排水槽8为侧壁高于筒体侧壁的圆环形槽，其底部最低处开有排水口81，排水口81上连接有排水阀82。

在邻近筒体1底面的侧壁上设置有贯穿其侧壁并通入筒体中心部位的进水管2，进水管2位于筒体1内的一端设置有沿轴线方向的折弯部21，折弯部21的侧壁上设置有若干喷头22。在筒体1的侧壁上设置有采样管9，采样管9上安装有球阀91。

在筒体1内设置有阴极层11和阳极层12，阴极层11位于阳极层12的上方，且阴极层11与阳极层12之间以及阳极层12与筒体1底面之间设置有砾石层13，阴极层11与阳极层12之间通过钛丝导通。砾石层13的主要物质为石英砂，用来支撑上层填料和隔开阴极层11与阳极层12的作用。

微生物燃料电池的阳极需要具有较好生物相容性的导电材料作为电极材料，阳极层12内填充厚度是阴极层11两倍的颗粒活性炭，阳极接种污水处理厂的厌氧浓缩污泥，该污泥中的菌种经过葡萄糖营养液驯化培养后作为接种污泥。反应器中供给的基质为葡萄糖溶液，整个体系在15℃～20℃条件下运行。阳极层12中间放置有直径1毫米的钛丝，用来连接外界电路。

空气中的氧气被认为是最适合微生物燃料电池工程应用的电子受体。但由于氧气电化学催化还原的过电位较高且氧气还原时反应只能在气液固三相界面上发生，所以选择颗粒活性炭作为氧气还原反应的催化剂，活性炭表面的较大比表面积使得活性炭能够产生一定的催化电流，足以用于对电流密度要求不高的微生物燃料电池系统。

阴极层11位于筒体顶部，与空气接触，填充物为颗粒活性炭，活性炭阴极层11内接种污水处理厂的好氧浓缩污泥。阴极层11内同样放置有钛丝与外电路连接，阴极层11和阳极层12在筒体1内部之间通过反应器内流动的反应液导通，在筒体1外部通过钛丝导通。钛丝位于反应器内的部分用环氧树脂密封。

该湿地型微生物燃料电池反应器工作原理为：通过外界的蠕动泵等装置将反应液从进水管2打入筒体1内，经过阳极层12时，通过产电微生物的作用将反应液中的有机质进行降解，产生电子，电子通过钛丝和外部电路到达阴极层11。反应液流过阴极层11时，再次经过微生物的作用进一步将水中的有机质降解，与此同时阳极释放的电子到达阴极层后与水中及空气中的氧气、氢离子反应产生水。反应器内的反应液体，最终通过筒体上部的排水槽排出筒体外。

在有机物分解过程中，如果缺氧则很容易产生甲烷，为了检测反应器内产生甲烷的情况，在筒体1顶端设置有甲烷监测系统。在筒体1的顶端面上可拆卸连接有支架4，支架4上固定有甲烷传感器3。甲烷传感器3检测到的信号经过模拟/数字信号转换器10转换后输入到控制器5上，控制器5经过处理将甲烷的浓度值显示在显示屏6上，如果测得的甲烷浓度超过预设值，控制器5控制报警器7报警提醒工作人员。控制器5的供电通过太阳能电池板52将太阳能转化为电能储存在蓄电池51中。

甲烷传感器3优选型号为MQ-4，其使用的是在清洁空气中导电率较低的二氧化锡，二氧化锡的导电率会随着甲烷的浓度增加而增大，所以将甲烷传感器3连接于简单的电路中，通过测试甲烷传感器3两端的电压值或者测试通过其的电流值来测得甲烷浓度的变化。

测得的电压或电流值通过5G14433A/D转换器转换为数字信号，然后输入到AT80S51单片机中，单片机经过处理后在显示屏6上显示。