一种基于粪污废水的微生物燃料电池系统的制作方法

1.本实用新型属于生态修复技术领域，具体涉及一种基于粪污废水的微生物燃料电池系统。


背景技术：

2.化粪池是一种利用沉淀和厌氧发酵原理处理粪便并加以过滤沉淀的的设施。常规的化粪池主要由三格组成，粪水进入第一格化粪池后主要进行厌氧发酵，之后流入化粪池第二格进行深度腐化处理，而经过前两格沉淀后再流入第三格进行澄清，最后再将处理过的废水排入市政管网或用于浇灌农田等。通常污水在经过化粪池12～36h的沉淀后可去除50％～60％，而沉淀下来的污泥需经过3个月以上的厌氧发酵分解，污泥中的有机物才可转化为稳定的无机物。此外，化粪池一般需要定期清掏，通常清掏周期为3～9个月，由此可见，现有的化粪池的发酵过滤沉淀处理过程，效率低下。
3.基于化粪池的粪便和尿液中含有大量蛋白质、碳水化合物、脂肪等可生物降解的有机物，是一种重要的生物质能源。将化粪池与微生物燃料电池相结合，利用化粪池中粪污废水作为微生物燃料电池产生电力的燃料，一方面可以加快化粪池中污染物的高效分解，另一方面也实现了粪污废水中生物能源的有效回收利用，然而国内鲜有相关研究报道。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于粪污废水的微生物燃料电池系统，其目的是基于化粪池的粪便和尿液中含有大量蛋白质、碳水化合物、脂肪等可生物降解的有机物，是一种重要的生物质能源。将化粪池与微生物燃料电池相结合，利用化粪池中粪污废水作为微生物燃料电池产生电力的燃料，一方面可以加快化粪池中污染物的高效分解，另一方面也实现了粪污废水中生物能源的有效回收利用。
5.本实用新型采取以下技术方案实现：
6.一种基于粪污废水的微生物燃料电池系统，包括池体，所述池体用于对污粪废水进行逐级过滤，所述池体包括依次连通的第一容腔、第二容腔，以及第三容腔，所述第一容腔、第二容腔、以及第三容腔按照污粪废水的流向分布；
7.微生物电池燃料机构，设于池体内部，利用氧化还原反应去除污粪废水的有机物并产生电能，所述微生物电池燃料机构包括多个阳极件、阴极件、以及导线，各所述阳极件分别设置在第一容腔、第二容腔、以及第三容腔的下部，所述阴极件设置在第三容腔的上部，所述阳极件和阴极件通过导线连接构成一个回路；以及，
8.电能存储机构，用于与微生物电池燃料机构连接，存储微生物电池燃料机构产生的电能，所述电能存储机构包括升压模块和存储模块，所述升压模块的输入端通过导线与阳极件和阴极件连接，所述升压模块的输出端与存储模块连接。
9.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
10.进一步地，所述第一容腔侧壁上设置有入水管，所述第一容腔和第二容腔之间、以
及第二容腔和第三容腔之间均设置有过粪管，所述第三容腔侧壁上设置有出水管。
11.进一步地，所述过粪管呈40-60
°
倾斜设置。
12.进一步地，所述第二容腔内还设置有过滤截流糊状粪皮的过滤网，所述过滤网水平设置在第二容腔的上部。
13.进一步地，所述第一容腔、第二容腔和第三容腔的侧壁上均设置有多个定位件，每个定位件均包括两个上下间隔水平设置的固定板，各所述阳极件插入固定板之间，所述定位件的下端的固定板与地面留有间隙。
14.进一步地，所述阳极件由第一导体、第一石墨毡、颗粒活性炭组成，所述第一导体为矩形的钛金属网孔结构，所述石墨毡填充设置在第一导体的底部，所述颗粒活性炭设置在第一导体的上部，所述第一导体与导线连接。
15.进一步地，所述第一导体的网孔孔径小于颗粒活性炭的体积。
16.进一步地，所述第三容腔上端设置有通气管，所述阴极件漂浮在污粪废水上表面，所述阴极件由第二导体和第二石墨毡组成，所述第二导体为单层钛金属网孔结构，所述第二石墨毡设置在第二导体的上层和下层，所述第二导体与导线连接。
17.进一步地，所述升压模块采用升压电路板，所述存储模块采用磷酸铁锂蓄电池。
18.本实用新型的有益效果：
19.本实用新型一种基于粪污废水的微生物燃料电池系统，一方面利用阳极强化池体中污染物的高效分解，加快病原微生物的杀灭，降低有害污泥的产量，另一方面利用粪污废水作为微生物燃料电池产生电力的燃料，将粪污废水中的化学能转化为电能。
20.本实用新型微生物燃料电池组中的阳极采用并联方式连接，即扩大了系统的产电性能又保证了当某格池体中阳极出现故障后整个微生物燃料电池系统仍可正常运转。阴极采用导电性及吸附性较良好的石墨毡，并将其放置于池体第三容腔内的污水表面，有效阻隔了污水中的有害气体进入大气环境。
21.本实用新型具有构造简单，成本低廉，无需额外能源输入，无需复杂的人工管理，对环境不产生负面效果等优势。
附图说明
22.图1是本实用新型一种基于粪污废水的微生物燃料电池系统的正面结构示意图。
23.图2是本实用新型一种基于粪污废水的微生物燃料电池系统的俯视图。
24.图3是本实用新型一种基于粪污废水的微生物燃料电池系统的模块连接图。
25.附图标记为：池体10、第一容腔11、第二容腔12、第三容腔13、入水管14、过粪管 15、出水管16、通气管17、微生物电池燃料机构20、阳极件21、第一导体211、第一石墨毡212、颗粒活性炭213、阴极件22、第二导体221、第二石墨毡222、固定板23、过滤网 30、电能存储机构40、升压模块41、存储模块42。
具体实施方式
26.为了阐明本实用新型的技术方案和工作原理，下面结合附图于具体实施例对本实用新型作进一步详细描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
27.本实用新型实施例提供的一种基于粪污废水的微生物燃料电池系统，包括池体10，池体 10用于对污粪废水进行逐级过滤；微生物电池燃料机构20，设于池体10内部，利用氧化还原反应去除污粪废水的有机物并产生电能；以及电能存储机构40，用于与微生物电池燃料机构20连接，存储微生物电池燃料机构20产生的电能。
28.池体10包括依次连通的第一容腔11、第二容腔12，以及第三容腔13，第一容腔11、第二容腔12，以及第三容腔13按照污粪废水的流向分布，第一容腔11侧壁上设置有入水管14，第一容腔11和第二容腔12之间、以及第二容腔12和第三容腔13之间均设置有过粪管15，第三容腔13侧壁上设置有出水管16，且过粪管呈40-60。倾斜设置，同时第一容腔11和第二容腔12之间的过粪管15高度高于第二容腔12和第三容腔13之间的过粪管15。同时在第二容腔12内还设置有过滤截流糊状粪皮的过滤网30。可以理解为：污粪废水从池体10的第一容腔11的入水管14输入，首先经过第一容腔11将比重较大的固体物及寄生虫卵等物沉淀下来，利用池水中的厌氧细菌开始初步的发酵分解，经第一容腔11处理过的污水可分为三层：糊状粪皮、比较澄清的粪液、和固体状的粪渣；比较澄清的粪液通过第一容腔11和第二容腔 12之间的过粪管15流入第二容腔12，而漂浮在上面的粪皮和沉积在下面的粪渣则留在第一容腔11继续发酵，在第二容腔12中，粪液继续发酵分解，虫卵继续下沉，病原体逐渐死亡，粪液得到进一步无害化，产生的糊状粪皮和粪渣厚度比第一格显着减少，流入第三容腔13的粪液一般已经腐熟，其中病菌和寄生虫卵已基本杀灭，第三容腔13主要起暂时储存沉淀已基本无害的粪液作用。
29.利用微生物电池燃料机构20在第一容腔11、第二容腔12和第三容腔13内进行氧化还原反应去除污粪废水的有机物并产生电能。微生物电池燃料机构20包括多个阳极件21、阴极件22、以及导线，各阳极件21分别设置在第二容腔12、以及第三容腔13的下部，在第三容腔13的顶部开设有通气管17，阴极件22设置在第三容腔13的上部，阴极件22漂浮在污粪废水上表面，利用阴极件22表面且与外界空气相通，空气中的氧气可利用阴极件22表面的电子发生还原反应，同时有效阻隔了污粪废水中的有害气体进入大气环境，阴极件22包括第二导体221和第二石墨毡222组成，第二导体221为单层钛金属网孔结构，第二石墨毡222 设置在第二导体221的上层和下层，第二导体221与导线连接，导线采用钛金属材质。
30.同时为便于阳极件21的固定，在第二容腔12和第三容腔13的侧壁上均设置有多个定位件，每个定位件包括两个上下间隔水平设置的固定板23，各阳极件21插入固定板23之间，定位件的下端的固定板23与地面留有间隙，同时阳极件21位于过粪管15的正下端设置有缺口，使得粪液经过过粪管15流入第二容腔12时直接流入第二容腔12的底部，该留存的空间以及阳极件21的缺口设置便于粪液从下而上包覆整个阳极件21，增大阳极件21与粪液的接触面积，阳极件21由第一导体211、第一石墨毡212、颗粒活性炭213组成，第一石墨毡212 填充设置在第一导体211的底部，便于提高导电性，颗粒活性炭213设置在第一导体211的上部，第一导体211与导向连接，且第一导体211为矩形结构，第一导体211的网孔孔径小于颗粒活性炭213的体积。可以理解为：各阴极件22之间利用导线并联，阳极件21和阴极件22通过导线连接构成一个回路，这样即可扩大系统产电性能，又可确保当第二容腔12或第三容腔13中阳极件21出现故障后，整个微生物电池燃料机构仍可正常运转。
31.电能存储机构40，包括升压模块41和存储模块42，升压模块41的输入端通过导线与阳极件21和阴极件22连接，升压模块41的输出端与存储模块42连接，其中升压模块41采
用升压电路板，存储模块42采用磷酸铁锂蓄电池，升压电路板将体系产生的不稳定定电压升高为稳定电压，并向存储模块42持续充电，该存储模块42可用于给小型照明设备进行供电，例如城乡分散地区公测、民厕等。
32.本实用新型的工作原理：
33.首先污粪废水从入水管14进入，经过第一容腔11进行沉淀和发酵，然后经过第一容腔 11和第二容腔12之间的过粪管15将比较澄清的粪液输入第二容腔12，然后粪液在第二容腔 12中继续发酵分解，发酵沉淀后的粪液继续流入第三容腔13，同时粪液中的有机物在阳极件21被表面附着的电化学活性菌氧化分解，从而实现了有害污泥的减量化，阳极件21产生的电子通过导线后成的外电路回到阴极件22，由于阴极件22漂浮在粪污废水表面且与外界空气相通，空气中的氧气可利用阴极件22表面的电子发生还原反应从而完成整个电化学过程，这一过程中升压电路板将产生的不稳定定电压升高为稳定电压，并向存储模块42持续充电。
34.以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。