一種具有產(chǎn)電功能的自凈化水族箱的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有產(chǎn)電功能的自凈化水族箱，包括污水有機物處理、水產(chǎn)動物養(yǎng)殖觀賞、藻類植物培養(yǎng)和微生物燃料電池發(fā)電等功能，其特征在于：利用有機玻璃、鋼化玻璃等具有一定強度的透光材料制作透明水箱，再通過有機玻璃膠等黏合實現(xiàn)密封。水箱分為兩部分，中心圓筒內(nèi)空間為陽極室，用于微生物與污水中有機物的反應(yīng)；圓筒外的敞口水箱為陰極室，主要進行藻類植物的光合作用和水產(chǎn)動物養(yǎng)殖。陽極和陰極均使用碳布作為微生物附著區(qū)及藻類植物附著區(qū)，兩邊以帶有保護電阻的導(dǎo)線相接構(gòu)成回路。中心圓筒外的水箱內(nèi)，水產(chǎn)動物通過呼吸作用產(chǎn)生二氧化碳，藻類植物通過光合作用不斷消耗二氧化碳并產(chǎn)生氧氣，氧氣供給動物呼吸從而維持生命。與此同時，藻類植物本身也可作為水產(chǎn)動物的食物，無需額外對其進行人工投食；生態(tài)箱底部的水泵將陰極室中水產(chǎn)動物的糞便抽入陽極室被微生物降解。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于生物、環(huán)保、能源等領(lǐng)域。
【專利說明】
一種具有產(chǎn)電功能的自凈化水族箱
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種自凈化水族箱，具體涉及具有產(chǎn)電功能的自凈化水族箱。
【背景技術(shù)】
[0002] 水族箱，是用來飼養(yǎng)熱帶魚或者金魚的玻璃器具，又稱為生態(tài)魚缸或水族槽，是一 個動物飼養(yǎng)區(qū)，通常至少有一面為透明的玻璃及高強度的塑料。水族箱內(nèi)人工飼養(yǎng)著生活 于水中的植物及動物(通常為魚類，但亦可是無脊椎動物、兩棲動物、海洋哺乳動物或爬行 動物），既給水產(chǎn)動物營造一個溫馨的家，也可以起到觀賞的作用。然而，水產(chǎn)動物養(yǎng)殖最煩 惱的事情莫過于清理水族箱底部的糞便和食物殘渣等有機廢物，雖然有些水族箱配置了過 濾系統(tǒng)，但額外的能耗和提高的購置成本不可忽視，且復(fù)雜管路的布置還會影響觀賞價值。 同時，水產(chǎn)動物通過呼吸不斷消耗水中的氧和養(yǎng)料，排出二氧化碳和排泄物，而排泄物中除 了阿摩尼亞和亞硝酸鹽外還有其它有害物質(zhì)。此外，頻繁的人工換水和投食工作也會消耗 養(yǎng)殖者大量的精力。
[0003] 微生物燃料電池是一種利用微生物將有機物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置， 包括有機廢水在內(nèi)的任何可以為產(chǎn)電菌代謝提供能量的有機物都可以成為微生物燃料電 池的燃料，因此微生物燃料電池可以同時實現(xiàn)廢物處理和電能綠色供應(yīng)，是一種極有潛力 的低品位可再生能源利用技術(shù)。它的基本工作原理是:在厭氧環(huán)境的陽極室內(nèi)，有機物在微 生物作用下分解并釋放出電子和質(zhì)子，電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽極之 間進行有效傳遞，并通過外電路傳遞到陰極形成電流，而質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜傳遞到陰極， 氧化劑(一般為氧氣)在陰極得到電子被還原與質(zhì)子結(jié)合成水。微生物燃料電池能量轉(zhuǎn)化率 高，污泥產(chǎn)量低，對廢水中的有機物具有很好的去除效果。與現(xiàn)有的其它有機物產(chǎn)能技術(shù)相 比，微生物燃料電池具有操作上和功能上的優(yōu)勢:首先，它將底物直接轉(zhuǎn)化為電能，保證了 具有高的能量轉(zhuǎn)化效率;其次，不同于現(xiàn)有的生物質(zhì)能熱解轉(zhuǎn)化技術(shù)，微生物燃料電池在常 溫環(huán)境條件下就能夠有效運行;再者，微生物燃料電池?zé)o需輸入較大能量便可維持運行。因 此，微生物燃料電池在廢水處理和新能源開發(fā)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0004] 光合作用，即光能合成作用，是指含有葉綠體綠色植物、動物和某些細菌，在可見 光的照射下，經(jīng)過光反應(yīng)和碳反應(yīng)，利用光合色素，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機物，并釋放 出氧氣的生化過程。光合作用是一系列復(fù)雜的代謝反應(yīng)的總和，是生物界賴以生存的基礎(chǔ)， 也是地球碳氧平衡的重要媒介。
[0005] 因此，開發(fā)一種以微生物燃料電池技術(shù)為支撐，進而完成有機廢水的處理，同時利 用藻類植物光合作用進行水產(chǎn)動物養(yǎng)殖的自凈化水族箱是該領(lǐng)域技術(shù)人員的研究熱點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種具有產(chǎn)電功能的自凈化水族箱。
[0007] 為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:利用有機玻璃、鋼化玻璃等具有一定強度 的透光材料制作透明水箱，再通過有機玻璃膠等黏合實現(xiàn)密封。水箱分為兩部分，中心圓筒 內(nèi)空間為陽極室，用于微生物與污水中有機物的反應(yīng);圓筒外的敞口水箱為陰極室，主要進 行藻類植物的光合作用和水產(chǎn)動物養(yǎng)殖。陽極和陰極均使用碳布作為陽極室微生物附著區(qū) 及陰極室藻類植物附著區(qū)，兩邊以帶有保護電阻的導(dǎo)線相接構(gòu)成回路。
[0008] 在中心圓筒中，污水中的有機物通過本體基質(zhì)傳遞到產(chǎn)電菌并與其發(fā)生降解反 應(yīng)，電子依靠合適的介體在微生物和陽極之間進行有效傳遞，然后通過外電路到達陰極形 成電流。
[0009] 中心圓筒外的水箱內(nèi)，水產(chǎn)動物通過呼吸作用產(chǎn)生二氧化碳，藻類植物通過光合 作用不斷消耗二氧化碳并產(chǎn)生氧氣，氧氣供給動物呼吸從而維持生命。與此同時，藻類植物 本身也可作為水產(chǎn)動物的食物，無需額外對其進行人工投食。
[0010] 在陽極室和陰極室之間是質(zhì)子交換膜，通過支撐板將其固定。質(zhì)子交換膜具有良 好的質(zhì)子電導(dǎo)率、電化學(xué)穩(wěn)定性和機械強度，氣體和水分子在膜中的滲透性極小。陽極室在 有機質(zhì)代謝分解過程中產(chǎn)生的質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜傳遞到陰極，藻類植物光合作用產(chǎn)生的 氧氣在陰極得到電子被還原與質(zhì)子結(jié)合成水。中心圓筒上部開有多個孔洞，方便圓筒內(nèi)的 上清液流入水箱，既可以改善水產(chǎn)動物的生活環(huán)境，又能為藻類植物的光合作用提供原料， 實現(xiàn)水族箱的水循環(huán)。
[0011] 水箱底部設(shè)有圓形腔室，腔室內(nèi)裝有抽水水栗，水栗又與連通陰陽極兩室的管道 相接。陰極室中水產(chǎn)動物產(chǎn)生的排泄物通過重力沉降到底部，水栗將排泄物經(jīng)由管道抽入 陽極室，并在陽極室被微生物降解，從而實現(xiàn)水產(chǎn)動物生活環(huán)境的自凈化過程，無需再進行 人工清理。
[0012] 由于陽極電極附著的產(chǎn)電菌屬于厭氧微生物，因此中心圓筒上方以密封蓋加以密 封，密封蓋將內(nèi)部空間與周圍環(huán)境隔開，避免空氣中的氧氣進入水體。
[0013] 本發(fā)明所述的具有產(chǎn)電功能的自凈化水族箱的有益效果是:本發(fā)明采用微生物燃 料電池與有機廢水處理技術(shù)相結(jié)合，利用微生物降解污水中的有機物，污水處理后得到的 上清液又可以作為藻類植物進行光合作用的原料;在養(yǎng)殖水產(chǎn)動物的過程中無需人工投 食、定期換水和清理糞便，水產(chǎn)動物的生命全部依靠藻類植物及其光合作用產(chǎn)生的氧氣維 持；陽極室通過孔口流入陰極室的上清液能夠改善生活環(huán)境，糞便則完全由水族箱底部的 水栗抽走并被微生物降解;在無能耗持續(xù)降解有機廢物的同時，還可從中回收多種形式的 能量;本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于生物、環(huán)保、能源等領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0014] 圖1為具有產(chǎn)電功能的自凈化水族箱結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖2為自凈化水族箱中心圓筒裝置剖面圖。
[0016]圖3為自凈化水族箱運行原理圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進行進一步詳細的描述。
[0018]參見圖1和圖2，具有產(chǎn)電功能的自凈化水族箱主要包括陰極室1、進水口 2、水栗工 作室3、陰極碳布4、孔口5、陽極室6、密封蓋7、進水管8、質(zhì)子交換膜9、支撐板10、陽極碳布 11、出水管12和水栗13構(gòu)成。敞口水箱構(gòu)成陰極室1，利用陰極碳布4作為陰極電極上的藻類 植物附著區(qū)。中心圓筒對應(yīng)陽極室6,同樣使用陽極碳布11作為陽極電極上的微生物附著 區(qū)。陰極碳布4和陽極碳布11以帶有電阻的導(dǎo)線相連構(gòu)成回路，微生物燃料電池產(chǎn)生的電子 由陽極碳布11經(jīng)導(dǎo)線到達陰極碳布4并形成電流。為了給產(chǎn)電菌提供厭氧環(huán)境，陽極室6上 方以密封蓋7加以密封。在中心圓筒上部開有均勻分布的孔口 5,便于陽極室6中的上清液流 入陰極室1。在陰陽兩極碳布之間是質(zhì)子交換膜9和支撐板10,其中質(zhì)子交換膜9靠近陰極室 1，支撐板10靠近陽極室6。陽極室6在有機質(zhì)代謝分解過程中產(chǎn)生的質(zhì)子依次經(jīng)過支撐板10 和質(zhì)子交換膜9,最終進入陰極室1。支撐板10用于固定碳布和質(zhì)子交換膜9,板上開有多個 孔洞以便于質(zhì)子的傳輸。由于陰極室1水產(chǎn)動物排泄出的糞便需要通入陽極室6進行降解處 理，故而在水族箱底部設(shè)有水栗工作室3,通過水栗13將動物糞便從陰極室1沿著進水管8和 出水管12抽到陽極室6。水產(chǎn)動物活動空間較為自由，糞便在敞口水箱中分布范圍不定，因 此水栗工作室3上的進水口 2呈環(huán)狀分布，每個進水口各自對應(yīng)一根進水管8,所有進水管再 合并到一處共同被水栗13抽入。
[0019] 參見圖3,在具體實施時，陽極室6中裝有污水，陽極碳布11上附著的產(chǎn)電菌可以降 解污水中的有機物。以污水中的小分子有機物乙酸鹽為例，微生物燃料電池工作時，陽極室 6發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)為： + 4HsO 2HCO^ + 9H* i 污水經(jīng)過降解處理后得到的上清液通過陽極室6上部的孔口 5流入陰極室1，既可以改 善陰極室1中水產(chǎn)動物的生活環(huán)境，又能為藻類植物的光合作用提供原料。與此同時，陽極 室6的質(zhì)子(主要是氫離子)依次通過支撐板10和質(zhì)子交換膜9并最終進入陰極室1。
[0020] 在陰極室1中，以水產(chǎn)動物中的魚為例，魚通過呼吸作用，消耗氧氣并產(chǎn)生二氧化 碳。陰極碳布4上附著的藻類植物以二氧化碳和水為原料，在太陽光照條件下進行光合作 用，生成有機物(主要是葡萄糖）、氧氣和水。具體反應(yīng)式為： 12￡T jO + ^ + (Sff 光合作用產(chǎn)生的氧氣一部分與陽極室6傳輸而來的氫離子和電子結(jié)合生成水，另一部 分則被魚吸收，同時藻類植物本身也可以作為水產(chǎn)動物的食物，無需再對陰極室1進行人工 投食。魚排泄出的糞便也不需要人工清理，水族箱底部的水栗13將陰極室1底部的糞便通過 管道抽入陽極室6,與污水一同被陽極碳布11上附著的產(chǎn)電菌降解，從而實現(xiàn)水產(chǎn)動物生活 環(huán)境的自凈化過程。
[0021] 在該水族箱中，微生物燃料電池產(chǎn)生的電能既可以在無自然光照(例如夜間)條件 下提供電力照明，使陰極室1中藻類植物的光合作用繼續(xù)進行，也能夠為箱底部的水栗13提 供動力。
[0022]水族箱完全運行后，最大功率可達15mW/m2，化學(xué)需氧量(C0D)降解效率約80%且 C0D濃度小于50mg/L，達到了國家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)的一 級排放標準。
[0023]因此，該具有產(chǎn)電功能的自凈化水族箱既無需外接設(shè)備，也不用人工處理，即可實 現(xiàn)水產(chǎn)動物養(yǎng)殖觀賞、有機廢水降解、藻類植物培養(yǎng)、微生物燃料電池發(fā)電等功能。在無能 耗持續(xù)降解有機廢物的同時，還可以從中回收多種形式的能量，能夠?qū)崿F(xiàn)自凈化循環(huán)功能。
【主權(quán)項】
1. 一種具有產(chǎn)電功能的自凈化水族箱，包括敞口水箱和中心圓筒，其特征在于:利用有 機玻璃、鋼化玻璃等具有一定強度的透光材料制作透明水箱，再通過有機玻璃膠等黏合實 現(xiàn)密封，水族箱分為兩部分，中心圓筒內(nèi)空間為陽極室(6)，用于微生物與污水中有機物的 反應(yīng)；圓筒外的敞口水箱為陰極室（1)，主要進行藻類植物的光合作用和水產(chǎn)動物養(yǎng)殖，陽 極和陰極均使用碳布作為陽極室微生物附著區(qū)及陰極室藻類植物附著區(qū)，兩邊以帶有保護 電阻的導(dǎo)線相接構(gòu)成回路。2. 按照權(quán)利要求1所述的具有產(chǎn)電功能的自凈化水族箱，其特征在于：陽極室(6)上方 以密封蓋(7)加以密封，為陽極碳布(11)上附著的產(chǎn)電菌提供厭氧環(huán)境。3. 按照權(quán)利要求1所述的具有產(chǎn)電功能的自凈化水族箱，其特征在于:在無太陽光照條 件下，微生物燃料電池產(chǎn)生的電能可以繼續(xù)照明，為藻類植物光合作用提供反應(yīng)條件。4. 按照權(quán)利要求1所述的具有產(chǎn)電功能的自凈化水族箱，其特征在于：陽極室(6)上部 開有均勻分布的孔口（5)，便于陽極室(6)中的上清液流入陰極室（1)。5. 按照權(quán)利要求1所述的具有產(chǎn)電功能的自凈化水族箱，其特征在于:在陽極室(6)和 陰極室（1)之間是質(zhì)子交換膜(9)，以便于將陽極室(6)在有機質(zhì)代謝分解過程中產(chǎn)生的質(zhì) 子(主要是氫離子)傳遞到陰極室（1)。6. 按照權(quán)利要求1所述的具有產(chǎn)電功能的自凈化水族箱，其特征在于:通過水栗（13)抽 取陰極室（1)中水產(chǎn)動物的糞便。7. 按照權(quán)利要求5所述的具有產(chǎn)電功能的自凈化水族箱，其特征在于:通過支撐板（10) 固定質(zhì)子交換膜(9)，板上開有多個孔洞以便于質(zhì)子的傳輸。8. 按照權(quán)利要求6所述的具有產(chǎn)電功能的自凈化水族箱，其特征在于:在水族箱底部設(shè) 有水栗工作室(3)，便于水栗(13)內(nèi)置于水族箱中。9. 按照權(quán)利要求6所述的具有產(chǎn)電功能的自凈化水族箱，其特征在于:水栗（13)將水產(chǎn) 動物糞便從陰極室（1)抽入陽極室(6)，被陽極碳布(11)上附著的產(chǎn)電菌進一步降解。10. 按照權(quán)利要求6所述的具有產(chǎn)電功能的自凈化水族箱，其特征在于:水栗工作室(3) 上的進水口（ 2 )呈環(huán)狀分布，每個進水口各自對應(yīng)一根進水管(8 )，所有進水管再合并到一 處共同被水栗（13)抽入。
【文檔編號】A01K63/04GK105850864SQ201610234929
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月18日
【發(fā)明人】郭成龍, 張國峰, 陳群峰, 毛帥峰, 王鑫城, 王維, 郭飛強
【申請人】中國礦業(yè)大學(xué)