一种用于黑臭水体治理的强化沉积式微生物燃料电池系统

本发明涉及一种用于黑臭水体治理的强化沉积式微生物燃料电池系统，属于污水处理与水环境保护领域。

背景技术：

1、近年来，源头减排、内源控制、水质净化、驳岸整治、生态修复等一系列技术的综合运用，城市黑臭水体治理取得了显著成就，但是雨污分流改造不彻底、汛期溢流、城市地表径流等原因造成的外源输入，以及底泥作为“内源”的污染物持续释放，使得治理后水体存在返黑返臭现象。目前，黑臭水体治理修复依据位置不同，主要包括原位和异位两大类；依据作用机理不同，又可分为物理法、化学法和生物法。引水换水、清淤疏浚、截污纳管和曝气增氧等方式是常用的物理工程措施，见效快，但是工程投资和维护成本较高。通过投加混凝剂等化学试剂，可快速改善黑臭水体水质，但其对水体生态系统的二次污染不容忽视，常用于水体的应急处理。利用动植物、微生物等强化水体自然净化过程，虽然修复时间较长，但对生态友好，可用于水体环境的持续改善。

2、沉积式微生物燃料电池(smfc)是一种新型的微生物燃料电池(mfc)，但结构更简单，天然的上覆水-底泥界面是阴阳两室分界，无需配备专属交换膜。smfc的阴极位于上覆水中，阳极位于底泥中，两极由导线连通，阳极周围的微生物降解有机物产生的电子，通过细胞膜传递至阳极，再经导线到阴极，质子则通过上覆水-底泥界面从阳极区域传递到阴极，与水中的溶解氧结合成水。反应过程绿色无污染，有机物中的化学能转化为电能的同时，实现污染物的降解。然而，水体环境中的电子受体较少，smfc的产电性能较低，易受微生物种类数量、传质速率、溶解氧浓度、电极材质、电极距离、外电阻和水体种类等影响。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于黑臭水体治理的强化沉积式微生物燃料电池系统，提高传统smfc的除污效果及产电效率，用于黑臭水体治理和水质的稳定与改善，顺应可持续、低碳化的生态治水要求。

2、为了实现上述目的，本发明采用的一种用于黑臭水体治理的强化沉积式微生物燃料电池系统，包括：

3、smfc阳极，为经过脱胶处理(如常规的酸碱浸泡，或采用高温氧化、热解等)的碳刷电极，便于产电微生物接触聚集，多个所述smfc阳极埋设于底泥中；

4、smfc阴极，为碳素电极，所述smfc阴极由充填微藻的尼龙滤袋包裹，负载微藻的smfc阴极位于上覆水中，smfc阴极可根据水位自动调节高度，确保其始终悬浮于水面；

5、套筒，所述套筒用于支撑所述尼龙滤袋位于上覆水中，滤袋口尺寸与套筒直径相匹配，以便于固定于套筒上；

6、光催化阳极，为tio2/fe2o3涂抹的碳素电极，所述光催化阳极固定于套筒外壁上且位于上覆水的水体表面上方，光催化阳极可以裸露于上覆水的水位之上，也可以部分与水接触；

7、所述光催化阳极与smfc阳极并联，均与smfc阴极由导线和电阻连接形成电流回路。

8、作为改进的，所述套筒为塑料或不锈钢材质，套筒上下端均不封口，筒壁上开有多个筒孔，用于固定系统部件，促进筒内外物质、能量的传质与交换，还可加设重块以稳定系统。电极的数量布设与大小、电阻大小、微藻填充量和套筒尺寸等，可根据黑臭水体的污染程度、水体深度和治理要求，加以调整。

9、作为改进的，所述smfc阳极为碳刷电极，碳纤维以高纯钛丝旋转固定；所述光催化阳极和smfc阴极均为碳素电极，采用碳刷、碳毡、石墨板中的任一种，所述光催化阳极上由酸性硅溶胶涂覆tio2/fe2o3粉末形成复合电极，其涂覆量根据电极大小而定。

10、作为改进的，所述电流回路上通过导线连接有电容，用于储存smfc系统产生的电能。

11、作为改进的，所述smfc阴极是将碳素电极放入微藻的培养液中进行微藻负载，所述微藻采用小球藻、螺旋藻、雨生红球藻、裸藻、球状念珠藻、拟微球藻中的至少一种。

12、作为改进的，多个所述smfc阳极埋设于底泥中且均匀布设于套筒的周围，底泥中投加有生物制剂，形成生物制剂强化的阳极。

13、作为改进的，所述生物制剂由em菌剂和纤维素酶组成，em菌与纤维素酶的质量比为1：(5～15)，其中em菌的活度不低于100亿u/g，纤维素酶活度不低于10亿u/g，生物制剂的投加量不低于0.1g/l底泥。

14、本发明的原理是：

15、将微藻、光催化技术和生物制剂引入smfc系统，构建了微藻/光催化/生物制剂强化的smfc系统并用于处理黑臭水体。smfc阴极上负载的微藻能提供电子受体，缓解上覆水中电子受体的不足，同时微藻的生长繁殖可以去除上覆水中的氮磷等污染物，改善水质，增殖微藻不外溢，可进一步资源化利用；

16、光催化阳极经光照产生电子-空穴对，电子经外电路输送到负载微藻的smfc阴极参与反应，空穴具有强氧化性，可以促进上覆水污染物去除。em菌和纤维素酶的组合，既可促进底泥中难降解污染物的分解，又为smfc阳极提供了丰富的产电菌。

17、与现有技术相比，本发明的用于黑臭水体治理的强化沉积式微生物燃料电池系统，提升了传统沉积式微生物燃料电池对黑臭水体的治理效能，系统产生的电量经过高效电容器收集后，可用于水质监测传感，增殖的微藻可回收作为资源能源再利用。此外，该系统还可与生态浮床、水生植物联用，为黑臭水体的长治久清提供新的选择。

技术特征：

1.一种用于黑臭水体治理的强化沉积式微生物燃料电池系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种用于黑臭水体治理的沉积式微生物燃料电池系统，其特征在于，所述套筒(7)为塑料或不锈钢材质，套筒(7)上下端均不封口，筒壁上开有多个筒孔(12)。

3.根据权利要求1所述的一种用于黑臭水体治理的沉积式微生物燃料电池系统，其特征在于，所述smfc阳极(1)为碳刷电极，碳纤维以高纯钛丝旋转固定。

4.根据权利要求1或3所述的一种用于黑臭水体治理的沉积式微生物燃料电池系统，其特征在于，所述光催化阳极(11)和smfc阴极(9)均为碳素电极，采用碳刷、碳毡、石墨板中的任一种。

5.根据权利要求4所述的一种用于黑臭水体治理的沉积式微生物燃料电池系统，其特征在于，所述光催化阳极(11)上由酸性硅溶胶涂覆tio2/fe2o3粉末形成复合电极。

6.根据权利要求1所述的一种用于黑臭水体治理的沉积式微生物燃料电池系统，其特征在于，所述电流回路通过导线(6)连接有电容(4)。

7.根据权利要求1所述的一种用于黑臭水体治理的沉积式微生物燃料电池系统，其特征在于，所述smfc阴极(9)是将碳素电极放入微藻(10)的培养液中进行微藻负载，所述微藻(10)采用小球藻、螺旋藻、雨生红球藻、裸藻、球状念珠藻、拟微球藻中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的一种用于黑臭水体治理的沉积式微生物燃料电池系统，其特征在于，多个所述smfc阳极(1)埋设于底泥(2)中且均匀布设于套筒(7)的周围，底泥(2)中投加有生物制剂，形成生物制剂强化的阳极。

9.根据权利要求8所述的一种用于黑臭水体治理的沉积式微生物燃料电池系统，其特征在于，所述生物制剂由em菌剂和纤维素酶组成，em菌与纤维素酶的质量比为1：(5～15)，其中em菌的活度不低于100亿u/g，纤维素酶活度不低于10亿u/g，生物制剂的投加量不低于0.1g/l底泥。

技术总结
本发明公开一种用于黑臭水体治理的强化沉积式微生物燃料电池系统，包括SMFC阳极，为经过脱胶处理的碳刷电极，多个SMFC阳极埋设于底泥中；SMFC阴极，为碳素电极，所述SMFC阴极由充填微藻的尼龙滤袋包裹，负载微藻的SMFC阴极位于上覆水中；套筒，所述套筒用于支撑所述尼龙滤袋位于上覆水中；光催化阳极，为TiO<subgt;2</subgt;/Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;涂抹的碳素电极，所述光催化阳极固定于套筒外壁上且位于上覆水的水体表面上方；所述光催化阳极与SMFC阳极并联，均与SMFC阴极由导线和电阻连接形成电流回路。本发明提升了黑臭水体治理的效能，系统产生的电量经过高效电容器收集后，可用于水质监测传感，增殖的微藻可回收作为资源能源再利用。

技术研发人员：杨虹,胡攀辉,顾凯鹏,李善豹,刘凯,杨昊,麦发炫,胡煜梁
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22