本發(fā)明涉及一套利用微生物燃料電池技術(shù)以藻類為底物進(jìn)行發(fā)電的系統(tǒng)，對公園景觀用水水質(zhì)的處理和凈化并利用水中的藻類發(fā)電以供系統(tǒng)的能耗，屬于水處理及能源利用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前景觀用水的處理方法主要有曝氣充氧、混凝沉淀、生物接觸氧化法。曝氣充氧是指對水體進(jìn)行人工曝氣復(fù)氧以提高水中的溶解氧含量，使其保持好氧狀態(tài)，防止水體黑臭現(xiàn)象的發(fā)生。曝氣充氧的方式有瀑布、跌水、噴水3種，這3種方法的能耗都很高，并且，僅依靠水的曝氣充氧只能局部提高水體中的溶解氧含量，而很難保證整個(gè)水體的好氧環(huán)境?；炷恋矸ǖ奶幚韺ο笫撬械膽腋∥锖湍z體雜質(zhì)，沉淀或澄清構(gòu)筑物的類型很多，可除藻率卻不相同。生物接觸氧化法處理是使微生物和原、后生動物一類的微型動物附著在填料或某些載體上生長繁育，形成膜狀生物污泥，污水與生物膜接觸時(shí)，污水中的營養(yǎng)物質(zhì)被生物膜上的微生物所攝取，使微污染水得到凈化?？梢?，目前景觀用水的處理方法都需要能耗，但是每一種方法自身都無法產(chǎn)生能量來為處理水質(zhì)持續(xù)供能，若要保證景觀用水的水質(zhì)要求，則會增加景觀用水的處理成本。
微生物燃料電池(mfc)技術(shù)是一種產(chǎn)生電能的新方式，mfc技術(shù)應(yīng)用于污水處理方面的研究始于上個(gè)世紀(jì)末。1911年植物學(xué)家potter用酵母和大腸桿菌進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)微生物也可以產(chǎn)生電流，從此，開創(chuàng)了生物燃料電池的研究。至今，在空間科學(xué)研究過程中,已開發(fā)出幾種可用于空間飛行器的生物燃料電池，用飛行器中的生活垃圾作電池的燃料，可以說是真正意義上的環(huán)保新能源。從上世紀(jì)末開始，直接的生物燃料電池開始成為研究重點(diǎn)。生物燃料電池不僅在理論上具有很高的能量轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)它還有著一些自身的特點(diǎn)：原料來源廣泛、電池的操作條件較溫和、生物相溶性好。但是，生物燃料電池作為一種新能源的實(shí)際應(yīng)用還比較遙遠(yuǎn)，主要是因?yàn)樗妮敵龉β拭芏冗h(yuǎn)不能滿足要求。按照科學(xué)家們提出的理論，電子傳遞速率是由電勢差、重組能和電子供體與受體之間的距離決定的，決定生物燃料電池輸出功率密度的主要因素是相關(guān)的電子傳遞過程，也就是說，生物體系緩慢的電子傳遞速率是生物燃料電池發(fā)展的瓶頸。理論和實(shí)驗(yàn)都表明，隨著電子傳遞途徑距離的增加，電子傳遞速率呈指數(shù)下降的趨勢。然而，通過借鑒生物電化學(xué)領(lǐng)域的直接電子傳遞的研究成果，在生物燃料電池中實(shí)現(xiàn)直接的電子傳遞，從而提高輸出功率。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決公園景觀用水處理過程中成本高且無法連續(xù)凈化水質(zhì)的問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一套收集藻類、凈化水質(zhì)并且利用水中收集的藻類發(fā)電的系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅解決了景觀用水的污染問題，而且還利用水中藻類發(fā)電為系統(tǒng)提供部分能源，降低了處理景觀用水的成本，做到了節(jié)能減排。
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一套凈化景觀用水水質(zhì)并利用景觀用水中的藻類物質(zhì)發(fā)電的能源再利用系統(tǒng)，系統(tǒng)分為三個(gè)部分：藻類收集系統(tǒng)、水質(zhì)處理系統(tǒng)以及能源再利用系統(tǒng)；
藻類收集系統(tǒng)包括水泵(1)、藻類收集裝置(5)；能源再利用系統(tǒng)包括微生物燃料電池(11)和蓄電池；
水泵(1)經(jīng)由壓力表(2)、液體流量計(jì)(3)、第一止回閥(4)與藻類收集裝置(5)相連，藻類收集裝置(5)運(yùn)用物理方法分離藻類雜質(zhì)和水流，藻類收集裝置(5)的底面為下坡，在藻類收集裝置(5)內(nèi)部還設(shè)有一豎直擋板(6)，豎直擋板(6)上設(shè)有孔能夠截留藻類雜質(zhì)，同時(shí)使水流過；豎直擋板(6)前面的底面上設(shè)有孔洞，孔洞上設(shè)有重力感應(yīng)擋板(8)；藻類收集裝置(5)中豎直擋板(6)收集的水一側(cè)與水質(zhì)處理系統(tǒng)(9)連接，水質(zhì)處理系統(tǒng)(9)通過出水泵(10)和第二止回閥(4’)與后面進(jìn)一步的水處理連接或用水連接；藻類收集裝置(5)底面上的孔洞與微生物燃料電池(11)的陽極室連接，mfc反應(yīng)器由質(zhì)子交換膜分隔的陽極室和陰極室兩室組成，陽極室中的陽極通過導(dǎo)線與蓄電池(12)的正極連接，陰極室中的陰極通過導(dǎo)線與蓄電池的正極連接。
微生物燃料電池(11)的陰極室設(shè)有曝氣裝置，蓄電池(12)分別與曝氣裝置和水泵(1)、出水泵(10)連接，用于供電。
水質(zhì)處理系統(tǒng)(9)作用是初步凈化水質(zhì)，是絮凝沉降的固液分離裝置，其工作原理是利用目前水處理技術(shù)重要的方法之一的絮凝沉降方法進(jìn)行固液分離。本裝置向通過分離后的水流中加入聚合氯化鋁作為絮凝劑，使沒有被截留的殘余微小的藻類絮凝沉淀，凈化了水質(zhì)。
本發(fā)明源動力--景觀用水除藻及藻類能源利用系統(tǒng)的應(yīng)用方式，其特征在于，水泵將景觀用水輸送至藻類收集裝置(5)，在藻類收集裝置(5)中，原水流入藻類收集裝置(5)，遇到一個(gè)下坡，下坡上設(shè)有的擋板，把水中的藻類雜質(zhì)截留下來；每工作一段時(shí)間，藻類積累到一定程度，底面下坡孔洞的重力感應(yīng)擋板會轉(zhuǎn)動，將藻類通過孔洞撒落進(jìn)微生物燃料電池(11)的陽極室中；微生物燃料電池(11)的陽極室還裝有活性污泥，微生物燃料電池(11)以藻類作為底物，陽極室中的有機(jī)物藻類在厭氧條件下通過微生物新陳代謝作用氧化為代謝產(chǎn)物，同時(shí)產(chǎn)生電子和質(zhì)子，電子由微生物通過直接和電極接觸、中間介體或者納米導(dǎo)線的方式傳遞到陽極表面，再由陽極經(jīng)外電路傳導(dǎo)到陰極，同時(shí)質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜也到達(dá)陰極室。在陰極室中，電子、質(zhì)子和電子受體(通常為空氣或溶解氧)發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)生h20。陽極室中產(chǎn)生的電子被不斷的傳遞、消耗，從而形成閉合回路產(chǎn)生續(xù)電流；將生物能轉(zhuǎn)化為電能，從而供給水泵和曝氣裝置的耗能；這樣就同時(shí)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)物的去除和電流的產(chǎn)生，在產(chǎn)生電能后，mfc反應(yīng)器中的底物即藻類，可以用作堆肥，作為肥料供公園中的植物生長。
為了提高mfc反應(yīng)器產(chǎn)能的效率，向反應(yīng)器添加不同的生物試劑能夠不同程度地提高產(chǎn)電效率，其中，加入濃度為3.41mg/ml的大腸桿菌能使電壓提高0.64倍；加入濃度為300mg/l的活性炭并控制溶液ph在7-7.5之間能提高0.86倍；加入濃度為0.33g/l的葡萄糖溶液能提高電壓0.3倍。通過對比，往反應(yīng)器里加入一定體積的活性炭能夠提高反應(yīng)器的產(chǎn)電效率。
所述系統(tǒng)的取水方式為泵向湖里抽水，在泵的作用下原水經(jīng)管道流向藻類分離裝置的凹槽，水從凹槽流過，遇到一個(gè)下坡，下坡上的擋板把水中的藻類截留下來，擋板上的藻類積累到一定重量的時(shí)候會觸發(fā)重力感應(yīng)裝置，此時(shí)原水停止流動，并將藻類輸送到能源再利用裝置。能源再利用裝置分為陰陽兩室，中間由質(zhì)子交換膜隔開。陽極室有活性污泥，有藻類作為底物，陰極室有曝氣裝置。陽極與蓄電池的負(fù)極連接，陰極與正極連接。陽極的藻類在厭氧條件下通過微生物新陳代謝作用氧化為代謝產(chǎn)物，同時(shí)產(chǎn)生電子和質(zhì)子。質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜傳遞到陰極室并與水中的溶解氧發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生h2o。在此過程中產(chǎn)生的電能由蓄電池儲存以供系統(tǒng)的耗能用。原水經(jīng)過初步分離藻類后還有殘余的藻類和雜質(zhì)，在水質(zhì)處理裝置里面，通過添加絮凝劑使水中的藻類和雜質(zhì)凝聚并沉淀下來，經(jīng)過進(jìn)一步處理的水達(dá)到了公園用水水質(zhì)的要求，可直接排放到公園的景觀用水里。
本發(fā)明的有益效果是，在凈化景觀用水水質(zhì)的同時(shí)，利用水中的藻類發(fā)電，供給系統(tǒng)消耗的能量，不僅解決了景觀用水污染嚴(yán)重的問題，還達(dá)到了節(jié)能減排的效果。
附圖說明：
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是mfc反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)裝置原理圖
包括：1-進(jìn)水泵，2-壓力表，3-液體流量計(jì)，4-第一止回閥，4’-第二止回閥5-藻類收集裝置，6-擋板，7-出藻口，8-重力感應(yīng)擋板，9-水質(zhì)處理系統(tǒng)，10-出水泵，11-微生物燃料電池，12-蓄電池，13-陰極室，14-陽極室，15-陰極，16-質(zhì)子交換膜，17-陽極，18-導(dǎo)線，19-負(fù)極，20-正極。
圖3為實(shí)驗(yàn)過程中所得電壓折線圖。
具體實(shí)施方式：
下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明的實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)地說明，但如下實(shí)施例以及附圖僅是用于理解本發(fā)明，而不能限制本發(fā)明，本發(fā)明可以由權(quán)利要求限定和覆蓋的多種不同方式實(shí)施。說明書附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本發(fā)明的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。
實(shí)施例1
附圖1是本發(fā)明在的mfc反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)裝置原理圖，mfc反應(yīng)裝置(8x8x16cm的有機(jī)玻璃材質(zhì)長方體)包括陰極室13(8x8x8cm)，質(zhì)子交換膜16(8x8cm)，陽極室14(8x8x8cm)。陰極室13放入曝氣裝置和少量景觀用水，陽極室14放入1/3體積的活性污泥和500g的藻類(取自朝陽公園景觀用水),同時(shí)加入濃度為300mg/l的活性炭并控制溶液ph在7-7.5之間，陰極室13通過曝氣裝置使其中充滿氧氣，陽極室14在大氣環(huán)境下，以藻類作為底物，促進(jìn)微生物新陳代謝，同時(shí)產(chǎn)生電子和質(zhì)子(反應(yīng)式：有機(jī)物+h2o→co2+h++e-)。電子由微生物通過直接和電極接觸、中間介體的方式傳遞到陽極表面，再從陽極出發(fā)經(jīng)過蓄電池12傳導(dǎo)到陰極，同時(shí)質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜14也到達(dá)陰極室13；在陰極室13中，電子、質(zhì)子和電子受體(通常為空氣或溶解氧)發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生h20(反應(yīng)式：o2+4h++4e-→2h2o)。陽極室中產(chǎn)生的電子被不斷的傳遞、消耗，從而形成閉合回路產(chǎn)生續(xù)電流，這樣就同時(shí)實(shí)現(xiàn)了藻類的利用和持續(xù)電流的產(chǎn)生。在實(shí)驗(yàn)過程中記錄的原始電壓數(shù)據(jù)見附圖3。
實(shí)際運(yùn)行中，我們以朝陽公園為例，假設(shè)朝陽公園景觀湖面積100m2，以附圖2示例，管道直徑為100mm，進(jìn)水泵1，壓力表2，液體流量計(jì)3，第一止回閥4依次安裝在管道上。藻類收集裝置5從外觀上看是一個(gè)用水泥砌成的1x1x1m的上端全封閉式立體結(jié)構(gòu)，景觀湖中的水在泵1的作用下從進(jìn)水管進(jìn)入到達(dá)藻類收集系裝置5，藻類收集裝置5中間處安裝有一個(gè)擋板6(或格柵),將藻類截留，當(dāng)藻類積累到一定程度時(shí)，觸發(fā)重力感應(yīng)擋板8，被截留的藻類通過出藻口7進(jìn)入微生物燃料電池11的陽極室14，完成藻類收集后，實(shí)現(xiàn)一次凈化的水流繼續(xù)通過管道進(jìn)入水質(zhì)處理系統(tǒng)9，水質(zhì)處理系統(tǒng)9從外觀上看是一個(gè)用水泥砌成的1x1x1m的上端開放式立體結(jié)構(gòu)，向水質(zhì)處理系統(tǒng)9中添加絮凝劑，絮凝沉淀景觀用水中沒有被截留的殘余微小的藻類及其他膠體雜質(zhì)，完成此項(xiàng)處理過程的景觀用水再經(jīng)管道排入景觀湖中，實(shí)現(xiàn)循環(huán)。