一种处理含Pb(Ⅱ)废水的CW-MFC装置的制作方法

一种处理含pb(ⅱ)废水的cw-mfc装置
技术领域
1.本实用新型属于污水处理及其资源化利用技术领域，具体涉及污水处理及其资源化利用。


背景技术：

2.铅(pb)是一种难处理、有毒、易生物富集的无机污染物，重金属铅主要通过含铅废水排放和大气沉降的方式进入水体，对地表和地下水资源构成了严重威胁。研究表明，铅是一种多亲和性有毒物质，它不能被降解，会对生物体内多系统产生影响，最终造成多脏器不可逆性损伤和疾病，危害人类及其他生物的生命及健康。面对铅污染的严重危害，如何能够实现对铅污染水体的高效处理和净化已经逐渐成为当前一个重要的科研课题。
3.尽管化学沉淀、离子交换和膜分离等方法均能较好地去除环境中的pb(ⅱ) 离子，但高价格、复杂的工艺及化学药剂带来的负面影响成为上述方法的不足。近些年，国内外学者研究了多种方式对含pb(ⅱ)废水进行处理和资源化利用。微生物燃料电池(mfc)是一种生物电化学系统，通过外源细菌作为催化剂，能够将有机能量和生物质能转化为电能，可广泛应用于各种污染物废水的处理。人工湿地(cw)是一种模拟自然湿地系统的污染水体生态处理技术，在废水处理领域已被广泛应用。由于cw内部具有天然的氧化还原电位梯度，这种下部缺氧、上部好氧的结构特点使其可以与mfc进行结合，改造成为人工湿地微生物燃料电池系统(cw-mfc)，使系统同时具有人工湿地和微生物燃料电池在污水处理方面的优势，mfc的电化学特性可以有效提高cw中的微生物活性，提升单位面积人工湿地对各种污染物的净化效率。碳源是为微生物生长过程提供碳素来源的物质，是影响污染物去除的关键。cw-mfc多采用液体碳源作为电子供体，但液态碳源存在成本高，系统运行复杂容易造成二次污染的问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种结构简单、使用方便的用于处理含pb(ⅱ)废水的cw-mfc装置，是一种资源化利用废物的新技术，为废水中pb(ⅱ)的去除和资源化利用开辟了新的途径。
5.为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：一种处理含pb(ⅱ)废水的 cw-mfc装置，包括人工湿地系统、微生物燃料电池系统、碳源投加区和供水系统，微生物燃料电池系统的阳极和阴极均位于人工湿地系统中，碳源投加区位于人工湿地系统中，供水系统与人工湿地系统的底部连通，含pb(ⅱ)的废水通过供水系统进入到人工湿地系统。
6.进一步的，所述人工湿地系统包括有机玻璃柱体、基质、植物和微生物，基质填充在有机玻璃柱体中，微生物位于基质中与微生物燃料电池系统的阳极和阴极接触，植物位于有机玻璃柱体内且处于上方位置。
7.进一步的，所述基质包括鹅卵石层、砾石层、活性炭层、细沙层、和上覆水层，鹅卵石层、砾石层、活性炭层、细沙层、和上覆水层由下到上依次设于有机玻璃柱体内，植物为水
生植物，水生植物种植在上覆水层上。
8.进一步的，所述mfc系统包括第一阳极、第二阳极、第三阳极、阴极、导线、电阻和数据采集器，第一阳极、第二阳极、第三阳极设于活性炭层内，阴极设于上覆水层上水气交界处，阴极由导线接出并通过电阻连接阳极形成闭合回路，电阻位于人工湿地系统的外部，数据采集器通过导线连接在电阻两端。
9.进一步的，所述碳源投加区包括塑料穿孔管，塑料穿孔管内填充有缓释碳源，碳源投加区位于有机玻璃柱体内的中部，鹅卵石层、砾石层、活性炭层、细沙层位于塑料穿孔管的外围。
10.进一步的，所述供水系统包括储水箱、进水管和蠕动泵，有机玻璃柱体底部设置有进水口，进水管的一端连接进水口，进水管的另一端插入储水箱液面以下，在进水管中部接入蠕动泵，蠕动泵通过进水管和进水口与人工湿地系统连通。
11.进一步的，所述有机玻璃柱体上在距顶部5cm处设置有出水口，在进水口以上出水口以下侧面设置与第一阳极、第二阳极、第三阳极对应的位置分别设有第一取样口、第二取样口、第三取样口，采集第一阳极、第二阳极和第三阳极处的水样。
12.进一步的，所述鹅卵石层由粒径为30-50mm的鹅卵石填充，砾石层由粒径为4-6mm的砾石填充，活性炭层由粒径为2-5mm的活性炭填充，细沙层由粒径 0.5-1mm的细河砂填充；鹅卵石层、砾石层和细沙层的高度均为5cm，活性炭层的高度为20cm，上覆水层高度为10cm。
13.进一步的，所述阳极和阴极的电极均为外径20cm，内径10cm的环形碳毡，导线均为铜导线，电阻是为1000ω的可调电阻。
14.进一步的，所述塑料穿孔管的直径为6cm，穿孔孔径为8mm，同排相邻小孔圆心间的间距为2cm。
15.采用本实用新型技术方案的优点为：
16.1、本实用新型通过化学、生物、物理相互协同作用来实现对pb(ⅱ)的处理，大大提升了传统人工湿地对pb(ⅱ)的去除能力，同时可将污水中的化学能转化为电能，同步实现废水净化和资源化利用，有利于节能减排。
17.2、本实用新型采用多阳极的构造，可有效保证mfc对cw中pb(ⅱ)去除效率和产电效能的促进作用；采用纤维素类碳源作为缓释碳源，廉价易得，并且固体碳源可同时充当微生物反硝化所需要电子供体的来源和生物膜的载体，所使用的碳源投加区比混合式或层埋式更加方便。
18.3、本实用新型提供的装置系统构建简单、材料易得且无毒无害，且通常在常温，常压及接近中性的环境中运行，不需要额外的电压输入，这使得系统经济高效、安全性强、便于管理，具有很好的推广前景。
附图说明
19.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：
20.图1为本实用新型处理含pb(ⅱ)废水的cw-mfc装置示意图。
21.上述图中的标记分别为：1、进水箱，2、进水管，3、蠕动泵，4、进水口，5、第一取样口，6、第二取样口，7、第三取样，8、出水口，9、鹅卵石层，10、砾石层，11、活性炭层，12、第一
阳极，13、第二阳极，14、第三阳极，15、细沙层，16、上覆水层，17、阴极，18、水生植物，19、电阻，20、碳源投加区，21、有机玻璃柱体。
具体实施方式
22.在本实用新型中，需要理解的是，术语“长度”；“宽度”；“上”；“下”；“前”；“后”；“左”；“右”；“竖直”；“水平”；“顶”；“底”“内”；“外”；“顺时针”；“逆时针”；“轴向”；“平面方向”；“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位；以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
23.如图1所示，一种处理含pb(ⅱ)废水的cw-mfc装置，包括人工湿地系统、微生物燃料电池系统、碳源投加区20和供水系统，微生物燃料电池系统的阳极和阴极均位于人工湿地系统中，碳源投加区20位于人工湿地系统中，供水系统与人工湿地系统的底部连通，含pb(ⅱ)的废水通过供水系统进入到人工湿地系统。
24.人工湿地系统包括有机玻璃柱体21、基质、植物和微生物，基质填充在有机玻璃主体21中，微生物位于基质中与微生物燃料电池系统的阳极和阴极接触，植物位于有机玻璃柱体21内且处于上方位置。基质包括鹅卵石层9、砾石层10、活性炭层11、细沙层15、和上覆水层16，鹅卵石层9、砾石层10、活性炭层 11、细沙层15、和上覆水层16由下到上依次设于有机玻璃柱体21内，植物为水生植物18，水生植物18种植在上覆水层16上。
25.优选的，鹅卵石层9中鹅卵石的粒径为30-50mm；砾石层10中砾石的粒径为4-6mm；细沙层15中细沙的粒径为0.5-1mm；活性炭层11中活性炭的粒径为2-5mm。鹅卵石层9、砾石层10和细沙层15的高度均为5cm，活性炭层11 的高度为20cm，上覆水层16高度为10cm。
26.采用的水生植物18为菖蒲、千屈菜、睡莲、芦苇、美人蕉中的一种或多种植物组合。
27.mfc系统即微生物燃料电池系统包括第一阳极12、第二阳极13、第三阳极 14、阴极17、导线、电阻19和数据采集器，第一阳极12、第二阳极13、第三阳极14设于活性炭层11内，阴极17设于上覆水层16上水气交界处，阴极由导线接出并通过电阻19连接阳极形成闭合回路，电阻19位于人工湿地系统的外部，数据采集器通过导线连接在电阻19两端。
28.优选的，阳极和阴极的电极均为外径20cm，内径10cm的环形碳毡，导线均为铜导线，电阻是为1000ω的可调电阻。第一阳极放置于活性炭层之中，距底部15cm；第二阳极放置于活性炭层之中，距底部20cm；第三阳极放置于活性炭层之中，距底部25cm；阴极放置于水气交界面；阳极和阴极分别由导线接出并通过外电阻连接形成闭合回路，裸露的导线用环氧导电胶密封防止腐蚀。
29.碳源投加区20包括塑料穿孔管，塑料穿孔管内填充有缓释碳源，碳源投加区20位于有机玻璃柱体21内的中部，鹅卵石层9、砾石层10、活性炭层11、细沙层15位于塑料穿孔管的外围。优选的，塑料穿孔管的直径为6cm，穿孔孔径为8mm，同排相邻小孔圆心间的间距为2cm。
30.缓释碳源为纤维素类碳源不仅可以长时间工作，还可以为微生物创造稳定的生存环境，且来源充足、成本低廉、取材方便，在作为廉价、无毒的碳源的同时，又可以解决农业废弃物的处理问题。
31.供水系统包括储水箱1、进水管2和蠕动泵3，有机玻璃柱体21底部设置有进水口4，
进水管2的一端连接进水口4，进水管2的另一端插入储水箱1液面以下，在进水管2中部接入蠕动泵3，其目的在于将储水箱中的液体泵入有机玻璃柱体21中，蠕动泵3通过进水管2和进水口4与人工湿地系统连通。
32.有机玻璃柱体21上在距顶部5cm处设置有出水口8，在进水口4以上出水口8以下侧面设置与第一阳极12、第二阳极13、第三阳极14对应的位置分别设有第一取样口5、第二取样口6、第三取样口7，采集第一阳极12、第二阳极 13和第三阳极14处的水样。
33.下面通过具体的实例进行说明：
34.本实施例处理系统用于含pb(ⅱ)废水的处理，其中cw部分由有机玻璃制成人工湿地主体，有机玻璃柱体在底部设置有进水口；在距顶部5cm处设置有出水口；在进水口以上出水口以下侧面设置有第一取样口(距底部15cm)、第二取样口(距底部20cm)、第三取样口(距底部25cm)，相邻取样口采用同侧设置，其目的在于采集第一阳极、第二阳极、第三阳极处水样；系统从下至上依次包括鹅卵石层(高度5cm)、砾石层(高度5cm)、活性炭层(填充高度20cm)、细沙层(高度5cm)、上覆水层(高度10cm)和水生植物。鹅卵石层由粒径为30-50mm的鹅卵石填充；下砾石层和上砾石层由粒径为4-6mm的砾石填充；下活性炭层和上活性炭层由粒径为2-5mm的活性炭填充；水生植物可为黄菖蒲、凤眼莲、睡莲、芦苇、美人蕉中的一种或多种植物组合。
35.mfc系统包括第一阳极、第二阳极、第三阳极、阴极、导线、外电阻和数据采集器，电极均为外径20cm，内径10cm的环形碳毡；导线均为铜导线；电阻是设置为1000ω的可调电阻；第一阳极放置于活性炭层之中，距底部15cm；第二阳极放置于活性炭层之中，距底部20cm；第三阳极放置于活性炭层之中，距底部25cm；阴极放置于水气交界面；阳极和阴极分别由导线接出并通过外电阻连接形成闭合回路，裸露的导线用环氧导电胶密封防止腐蚀。数据采集器由导线连接在电阻两端。其中，阴阳极碳毡在使用前，使用质量分数为10％的氢氧化钠和质量分数为10％的盐酸浸泡后用去离子水冲洗，去除碳毡表面的金属离子和杂质。
36.碳源投加区为一塑料穿孔管，管直径6cm，穿孔孔径为8mm，同排相邻小孔圆心间的间距为2cm。
37.供水系统包括储水箱、进水管和蠕动泵。进水管一端连接进水口，另一端插入储水箱液面以下，进水管中间接入蠕动泵；其目的在于将储水池中的液体泵入柱体中。
38.该污泥处理系统的工作过程为：
39.a：cw-mfc系统构建。以上行式垂直流人工湿地结构为基础，装置中下到上依次填充有鹅卵石层、砾石层、活性炭层、细沙层、上覆水层和水生植物。系统的进出水口和取样口均采用单向截止阀，防止进样过程中空气的进入和系统回流现象。取样口由橡胶管连接，用夹子固定保证良好的密封状态。阳极和阴极为环形碳毡，接头处用环氧导电胶连接，分别由铜导线接出，并通过外电阻连接形成闭合回路。
40.b：cw-mfc系统接种和启动。向碳源投加系统内投加缓释碳源，以城镇污水处理厂的厌氧消化污泥上清液为阳极产电菌接种物，恒温富集驯化产电菌后与营养物质1:1混合，经由供水系统泵入系统中以启动cw-mfc系统。为缩短启动时间，将50％出水回流至装置内，以加速产电菌的富集。同时在启动过程中，需经常搅拌进水箱以保证混合液的均匀性。
41.c：cw-mfc系统连续运行和效果监测。运行正式启动后，定期从进出水口和取样口
取样，测定pb(ⅱ)含量、orp、cod、ph等指标，同时实时监控输出电压的情况，以此判定系统的运行状况和产电效能。
42.采用本实用新型处理含pb(ⅱ)废水的cw-mfc装置，不需要额外的电能输入，采用缓释碳源作为电子供体，整个系统能实现同步pb(ⅱ)去除、农业废弃物资源化利用、能量回收的功能，是一种污水处理处置的新形式。
43.以上结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。