本發明涉及污水處理領域，具體涉及一種人工濕地處理黑臭水體的裝置及方法。

背景技術：

1、黑臭水體是當前備受關注的環境問題之一。這種現象的產生主要是由于大量未經處理的污染物直接排入水體，微生物進行好氧分解，使水體中耗氧速率超過復氧速率，導致水體中溶解氧減少，形成缺氧甚至厭氧環境，從而降低了水體的自凈能力。在缺氧或厭氧條件下，有機物被厭氧分解，生成不同類型的致黑和致臭物質，使得水體變黑并散發出惡臭，對環境造成了顯著的影響。懸浮絮體是黑臭水體中致黑物質的主要載體，包括馬基諾礦(四方相硫化亞鐵)和腐殖酸等，馬基諾礦可以直接影響入射到水體中光線的吸收而致黑；除了自身為黑色物質外，腐殖酸還會促進馬基諾礦的產生和懸浮而致黑。富里酸是溶解態的促黑物質，可以通過羥基、羧基以及分子間氫鍵與馬基諾礦作用，促進馬基諾礦的懸浮致黑。

2、對于黑臭水體的治理，工程上常用的處理技術主要有物理修復、化學修復及生物修復三類。人工濕地-微生物燃料電池技術作為一種生物修復技術，與物理、化學修復技術相比，具有建設費用低、污染物去除率高、污染修復效果持久的優點。人工濕地-微生物燃料電池技術將人工濕地中天然存在的厭氧區和好氧區作為微生物燃料電池的陰極和陽極，在擁有良好的污染物處理性能的同時，實現了電力生產，同步實現環境效益和經濟效益，具有廣闊的應用前景。然而黑臭水體中可生物利用的有機物含量較低，氮污染物的濃度較高，這一特點往往影響到反硝化過程的進行，最終導致氮污染物去除率低，系統的產電能力下降。同時常規人工濕地-微生物燃料電池系統對于黑臭水體中腐殖酸、富里酸、硫化氫等致黑致臭物質的去除率不高。

3、為此，我們提出一種人工濕地處理黑臭水體的裝置及方法。

技術實現思路

1、針對現有技術的上述不足，本發明提供了一種人工濕地處理黑臭水體的裝置及方法，以解決在人工濕地-微生物燃料電池處理黑臭水體時污染物去除和產電效率不夠高的問題。

2、為達到上述發明目的，本發明所采用的技術方案為：

3、一種人工濕地處理黑臭水體的裝置，包括：燃料電池組件，包括反應容器、反應容器內由上至下的陰極區、陽極區和緩沖區，陰極區包括有催化填料，陽極區包括有氧化填料，緩沖區包括有緩沖填料，氧化填料為復合材料，復合材料用于吸附黑臭水體的臭氣、截留馬基諾礦以及提升對腐殖酸、富里酸的降解效果；通水組件，與陽極區的連通、用于為陽極區緩慢通入黑臭水體，反應容器上豎向間隔設有若干水平的出水管；集電組件，與陽極區、陰極區電性連接，集電組件用于收集和觀測燃料電池組件內產生的電能。

4、通過采用具有吸附黑臭水體臭氣作用以及能夠截留馬基諾礦、提升對腐殖酸、富里酸的降解效果的復合材料作為陽極的填料，能夠極大的減小黑臭水體的臭味，并且能夠提高致臭致黑物質的去除效果，提升對黑臭水體的處理效果。

5、進一步限定，陰極區還包括陰極隔網和第一導電碳氈，第一導電碳氈置于陰極隔網上，陰極隔網水平設于催化填料內，催化填料為石英砂，催化填料上種植有風車草；設置陰極隔網對第一導電碳氈進行承托，并將陰極隔網設于催化填料中，對第一導電碳氈的設置更加的簡單，在催化填料上種植風車草能夠通過風車草的根須穩定催化填料，并且在風車草的根須處會聚集微生物群落，更利于燃料電池的運行。

6、進一步限定，陽極區還包括陽極隔網和第二導電碳氈，第二導電碳氈置于陽極隔網上，陽極隔網水平設于復合材料內，復合材料包括可降解固態碳和負載于可降解固態碳上的錳的氧化物。

7、進一步限定，錳的氧化物包括氧化錳和二氧化錳，可降解固態碳包括聚丁二酸丁二醇酯；通過將聚丁二酸丁二醇酯與mno2進行復合形成復合材料，復合材料對于臭氣具有一定的吸附效果，然后通過復合材料上富集的微生物將臭氣充分降解；復合材料對馬基諾礦有截留作用，馬基諾礦為四方相硫化亞鐵，在陽極能夠激活鐵循環，誘導富集更多的電活性功能微生物，由此提升有機物去除率和產電效率；復合材料上附著有電活性微生物，可以通過共代謝作用對腐殖酸、富里酸等致黑物質進行降解，微生物在代謝過程中產生的電子可以直接轉移到電極上，形成電流，這一過程提高了微生物對腐殖酸、富里酸的降解效率；復合材料中的mno2可以作為電子供體為微生物提供電子,增加微生物電化學作用向外部電路提供的電流，促進電循環的進行，間接促進有機物的降解；在mno2的催化作用下，部分反應會形成超氧自由基，該自由基具有很強的氧化能力，能夠氧化難降解的腐殖酸、富里酸；復合材料中的mno在反應中形成的錳離子也會與各種形態的硫離子絡合沉淀，從而提高對致臭物質的去除。

8、進一步限定，聚丁二酸丁二醇酯、氧化錳、二氧化錳的比例為1～4：1：1。

9、進一步限定，緩沖填料為粒徑50～80mm的礫石，復合材料的粒徑為20～30mm，催化填料的粒徑為30～50mm。

10、進一步限定，通水組件包括儲水容器、蠕動泵和通水管；蠕動泵的輸入端通過通水管與儲水容器連通、輸出端通過通水管與陰極區連通；采用蠕動泵作為輸送黑臭水體的泵體輸送效果更好，能夠提升裝置的穩定性。

11、進一步限定，集電組件包括負載電阻和電壓采集系統，負載電阻的兩端分別通過導線連接在第一導電碳氈和第二導電碳氈上，電壓采集系統的兩個接線端分別連接在負載電阻兩端的導線上；通過設置集電組件能夠對燃料電池產生的電能進行收集和觀測。

12、一種制作方法，用于制作上述的復合材料，包括如下步驟：

13、s1.對聚丁二酸丁二醇酯進行加熱，得到熔融的聚丁二酸丁二醇酯；

14、s2.向熔融的聚丁二酸丁二醇酯中加入氧化錳、二氧化錳粉末，而后將混合物混合均勻，進行二次加熱得到熔融的混合物；

15、s3.將二次加熱得到的熔融的混合物進行冷卻、洗滌和干燥形成復合材料，將復合材料進行切割打碎成顆粒狀。

16、進一步限定，步驟s1中的加熱溫度為120～130℃，加熱時長為10～20分鐘；步驟s2中的二次加熱溫度也為120～130℃，加熱時長為5～10分鐘。

17、本發明的有益效果為：通過設置聚丁二酸丁二醇酯、氧化錳和二氧化錳制作的復合材料作為燃料電池的陽極填料，能夠減少黑臭物質的形成，提升燃料電池對黑臭水體的處理效果。

技術特征：

1.一種人工濕地處理黑臭水體的裝置，其特征在于，包括：

2.根據權利要求1所述的人工濕地處理黑臭水體的裝置，其特征在于，所述陰極區(12)還包括陰極隔網(122)和第一導電碳氈(123)，所述第一導電碳氈(123)置于所述陰極隔網(122)上，所述陰極隔網(122)水平設于所述催化填料(121)內，所述催化填料(121)為石英砂，所述催化填料(121)上種植有風車草(16)。

3.根據權利要求2所述的人工濕地處理黑臭水體的裝置，其特征在于，所述陽極區(13)還包括陽極隔網(132)和第二導電碳氈(133)，所述第二導電碳氈(133)置于所述陽極隔網(132)上，所述陽極隔網(132)水平設于所述復合材料內，所述復合材料包括可降解固態碳和負載于所述可降解固態碳上的錳的氧化物。

4.根據權利要求3所述的人工濕地處理黑臭水體的裝置，其特征在于，所述錳的氧化物包括氧化錳和二氧化錳，所述可降解固態碳包括聚丁二酸丁二醇酯。

5.根據權利要求4所述的人工濕地處理黑臭水體的裝置，其特征在于，所述聚丁二酸丁二醇酯、氧化錳、二氧化錳的比例為1～4：1：1。

6.根據權利要求5所述的人工濕地處理黑臭水體的裝置，其特征在于，所述緩沖填料(141)為粒徑50～80mm的礫石，所述復合材料的粒徑為20～30mm，所述催化填料(121)的粒徑為30～50mm。

7.根據權利要求5所述的人工濕地處理黑臭水體的裝置，其特征在于，所述通水組件(2)包括儲水容器(21)、蠕動泵(22)和通水管(23)；所述蠕動泵(22)的輸入端通過所述通水管(23)與所述儲水容器(21)連通、輸出端通過所述通水管(23)與所述陰極區(12)連通。

8.根據權利要求5所述的人工濕地處理黑臭水體的裝置，其特征在于，所述集電組件(3)包括負載電阻(31)和電壓采集系統(32)，所述負載電阻(31)的兩端分別通過導線連接在所述第一導電碳氈(123)和所述第二導電碳氈(133)上，所述電壓采集系統(32)的兩個接線端分別連接在所述負載電阻(31)兩端的導線上。

9.一種制作方法，用于制作如權利要求1-5中任一所述的復合材料，其特征在于，包括如下步驟：

10.根據權利要求9所述的一種制作方法，其特征在于，所述步驟s1中的加熱溫度為120～130℃，加熱時長為10～20分鐘，所述步驟s2中的二次加熱溫度也為120～130℃，加熱時長為5～10分鐘。

技術總結
本發明公開了污水處理領域的一種人工濕地處理黑臭水體的裝置，包括：燃料電池組件包括反應容器、反應容器內由上至下的陰極區、陽極區和緩沖區，陰極區包括有催化填料，陽極區包括有氧化填料，緩沖區包括有緩沖填料，氧化填料為復合材料；通水組件與陽極區的連通、用于為陽極區緩慢通入黑臭水體，反應容器上豎向間隔設有若干水平的出水管；集電組件與陽極區、陰極區電性連接；以及一種制作方法；本發明的有益效果為：通過設置聚丁二酸丁二醇酯、氧化錳和二氧化錳制作的復合材料作為燃料電池的陽極填料，能夠減少黑臭物質的形成，提升燃料電池對黑臭水體的處理效果。

技術研發人員：陳一,王一初,劉濤,李宏,楊兵,郎濤,李思涵,張子航
受保護的技術使用者：重慶大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28