申请日2017.09.21
公开(公告)日2018.02.06
IPC分类号H01M8/16; C02F9/14; C02F3/34
摘要
本发明涉及一种微生物燃料电池及去除废水中含氮化合物的方法。本发明的目的是提供一种以废治废、成本较低的微生物燃料电池及去除废水中含氮化合物的方法。本发明的技术方案是：一种微生物燃料电池，具有好氧阴极室，以及位于好氧阴极室下方的阳极室和厌氧阴极室，其中阳极室经多孔塑料垫片Ⅰ上的孔连通好氧阴极室，好氧阴极室经多孔塑料垫片Ⅱ上的孔连通厌氧阴极室;阳极室设有进水口，阳极室内设有用于生长产电微生物的阳极;好氧阴极室顶部设有出气口，好氧阴极室内置有好氧生物阴极;厌氧阴极室设有出水口，厌氧阴极室内置有厌氧生物阴极;阳极室内的阳极分别经电阻Ⅰ和电阻Ⅱ电连接好氧阴极室内的好氧生物阴极和厌氧阴极室内的厌氧生物阴极。
权利要求书
1.一种微生物燃料电池，其特征在于：具有好氧阴极室(4)，以及位于好氧阴极室(4)下方的阳极室(2)和厌氧阴极室(6)，其中阳极室(2)经多孔塑料垫片Ⅰ(3)上的孔连通好氧阴极室(4)，好氧阴极室(4)经多孔塑料垫片Ⅱ(5)上的孔连通厌氧阴极室(6);
所述阳极室(2)设有进水口(1)，该阳极室内设有用于生长产电微生物的阳极;所述好氧阴极室(4)顶部设有出气口(9)，该好氧阴极室内置有好氧生物阴极(13);所述厌氧阴极室(6)设有出水口(7)，该厌氧阴极室内置有厌氧生物阴极;
所述阳极室(2)内的阳极分别经电阻Ⅰ(16)和电阻Ⅱ(17)电连接所述好氧阴极室(4)内的好氧生物阴极(13)和所述厌氧阴极室(6)内的厌氧生物阴极。
2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于：所述阳极室(2)内接种有产电微生物的厌氧污泥，好氧阴极室(4)内接种好氧污泥，厌氧阴极室(6)内接种有反硝化微生物的厌氧污泥。
3.根据权利要求1或2所述的微生物燃料电池，其特征在于：所述阳极由石墨棒电极Ⅰ(12)和碳毡Ⅰ(11)共同构成，碳毡Ⅰ(11)分布于石墨棒电极Ⅰ(12)周围。
4.根据权利要求3所述的微生物燃料电池，其特征在于：所述阳极的总体积为所述阳极室(2)体积的1/3～2/3。
5.根据权利要求1或2所述的微生物燃料电池，其特征在于：所述厌氧生物阴极由石墨棒电极Ⅱ(15)和碳毡Ⅱ(14)共同构成，碳毡Ⅱ(14)分布于石墨棒电极Ⅱ(15)周围。
6.根据权利要求5所述的微生物燃料电池，其特征在于：所述厌氧生物阴极的总体积为所述厌氧阴极室(6)体积的1/3～2/3。
7.根据权利要求1或2所述的微生物燃料电池，其特征在于：所述好氧生物阴极(13)为能附着具有电化学活性的生物膜的导电载体，生物膜中包含能去除废水中的含氮化合物的硝化微生物。
8.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于：所述好氧阴极室(4)内置有供氧装置，供氧装置包括相互连通的曝气头(18)和空气泵(19)，其中曝气头(18)置于所述好氧阴极室(4)底部，所述空气泵(19)置于述好氧阴极室(4)外部。
9.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于：所述进水口(1)设置于阳极室(2)底部;所述出水口(7)设置于厌氧阴极室(6)底部。
10.一种去除废水中含氮化合物的方法，其特征在于：
废水进入阳极室(2)，阳极室(2)内阳极上的产电微生物催化废水中的有机物氧化分解产生电子和质子;
产电微生物产生的电子导出到阳极上，阳极上的电子分别流经电阻Ⅰ(16)和电阻Ⅱ(17)到达好氧阴极室(4)内的好氧生物阴极(13)和厌氧阴极室(6)内的厌氧生物阴极上;
产电微生物产生的质子随废水流至好氧阴极室(4)内，再流至厌氧阴极室(6)内;
好氧生物阴极(13)上的电子与流至好氧阴极室(4)内的质子和好氧阴极室(4)内供氧装置提供的氧气在好氧微生物的催化作用下反应生成水;废水中的含氮化合物在好氧阴极室(4)内硝化微生物的催化下，发生硝化反应产生硝氮;
硝化微生物产生的硝氮随废水一起流至厌氧阴极室(6)内;
厌氧生物阴极上的电子与流至厌氧阴极室(6)内的质子和硝氮在反硝化微生物的催化下生成氮气。
说明书
微生物燃料电池及去除废水中含氮化合物的方法
技术领域
本发明涉及一种微生物燃料电池及去除废水中含氮化合物的方法。适用于微生物燃料电池技术领域。
背景技术
能量和水资源的短缺，是全球面临的两个重要挑战，对人类社会可持续发展构成了严重威胁。应用广泛的城镇污水处理工艺包括传统活性污泥工艺及变形，如厌氧-缺氧-好氧法A2O工艺、氧化沟工艺、序批式活性污泥法SBR工艺等。这些工艺对污染物的去除效果好，但运行能耗高、剩余污泥产量大。实际上，污水中蕴含了巨大的能量，1kg化学需氧量COD完全氧化为水和CO2理论上可以产生3.86kW·h的能量，如果生活污水以400mg/L COD计，则所含能量为1.544kW·h/m3，是我国污水处理厂处理1m3污水平均电耗的5.3倍。
近几年微生物燃料电池MFC的出现和快速发展，也实现了从废水中回收电能，但仍存在不少缺陷。一是虽然对有机污染物具有较好的去除效果，但对氮污染物的去除尚不尽如人意。二是阴极电子受体成本较高，限制了其推广和应用。若能将废水中的硝酸盐氮和亚硝酸盐氮作为电子受体，不但可以降低微生物燃料电池的运行成本，还能达到以废治废，一举多得。
已授权发明专利201310029031.5和201310029627.5都提供了反硝化微生物燃料电池，这些微生物燃料电实现硝化反硝化联合产电，利用有机物和氨氮为燃料，利用硝化产物作为电子受体，以废治废。但上述系统利用氨氮为燃料的效率较低，使得阴极可利用硝化产物量较少，同时阳极室与阴极室的隔离需要离子选择性透过膜，这使得反应器的成本大大的提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题提供一种以废治废、成本较低的微生物燃料电池及去除废水中含氮化合物的方法。
本发明所采用的技术方案是：一种微生物燃料电池，其特征在于：具有好氧阴极室，以及位于好氧阴极室下方的阳极室和厌氧阴极室，其中阳极室经多孔塑料垫片Ⅰ上的孔连通好氧阴极室，好氧阴极室经多孔塑料垫片Ⅱ上的孔连通厌氧阴极室;
所述阳极室设有进水口，该阳极室内设有用于生长产电微生物的阳极;所述好氧阴极室顶部设有出气口，该好氧阴极室内置有好氧生物阴极;所述厌氧阴极室设有出水口，该厌氧阴极室内置有厌氧生物阴极;
所述阳极室内的阳极分别经电阻Ⅰ和电阻Ⅱ电连接所述好氧阴极室内的好氧生物阴极和所述厌氧阴极室内的厌氧生物阴极。
所述阳极室内接种有产电微生物的厌氧污泥，好氧阴极室内接种好氧污泥，厌氧阴极室内接种有反硝化微生物的厌氧污泥。
所述阳极由石墨棒电极Ⅰ和碳毡Ⅰ共同构成，碳毡Ⅰ分布于石墨棒电极Ⅰ周围。
所述阳极的总体积为所述阳极室体积的1/3～2/3。
所述厌氧生物阴极由石墨棒电极Ⅱ和碳毡Ⅱ共同构成，碳毡Ⅱ分布于石墨棒电极Ⅱ周围。
所述厌氧生物阴极的总体积为所述厌氧阴极室体积的1/3～2/3。
所述好氧生物阴极为能附着具有电化学活性的生物膜的导电载体，生物膜中包含能去除废水中的含氮化合物的硝化微生物。
所述好氧阴极室内置有供氧装置，供氧装置包括相互连通的曝气头和空气泵，其中曝气头置于所述好氧阴极室底部，所述空气泵置于述好氧阴极室外部。
所述进水口设置于阳极室底部;所述出水口设置于厌氧阴极室底部。
一种去除废水中含氮化合物的方法，其特征在于：
废水进入阳极室，阳极室内阳极上的产电微生物催化废水中的有机物氧化分解产生电子和质子;
产电微生物产生的电子导出到阳极上，阳极上的电子分别流经电阻Ⅰ和电阻Ⅱ到达好氧阴极室内的好氧生物阴极和厌氧阴极室内的厌氧生物阴极上;
产电微生物产生的质子随废水流至好氧阴极室内，再流至厌氧阴极室内;
好氧生物阴极上的电子与流至好氧阴极室内的质子和好氧阴极室内供氧装置提供的氧气在好氧微生物的催化作用下反应生成水;废水中的含氮化合物在好氧阴极室内硝化微生物的催化下，发生硝化反应产生硝氮;
硝化微生物产生的硝氮随废水一起流至厌氧阴极室内;
厌氧生物阴极上的电子与流至厌氧阴极室内的质子和硝氮在反硝化微生物的催化下生成氮气。
本发明的有益效果是：本发明中好氧生物阴极和厌氧生物阴极形成复合阴极，即采用“阳极+好氧生物阴极+厌氧生物阴极”，首先在阳极室内氧化有机物产生电子，然后在好氧阴极室进行好氧生物降解，并利用氧气作为电子受体，同时进行硝化反应将氨氮氧化成硝酸盐氮和亚硝酸盐氮，最后在厌氧阴极室内利用硝化产物硝酸盐氮和亚硝酸盐氮作为电子受体，强化有机污染物和氮素污染物的去除。
本发明以废水为燃料生产电能，实现废水处理和产电的同步进行，有效回收废水中所蕴含的能量，降低废水处理的成本。
本发明利用多孔塑料垫片作为物理阻隔，保证废水从阳极室到好氧阴极室自下而上和好氧阴极室到厌氧阴极室自上而下地单向流动，并有效阻断氧气从好氧阴极室向阳极室和厌氧阴极室的扩散，保障阳极室和厌氧阴极室的厌氧环境。
本发明中废水从阳极室自下而上通过多孔塑料垫片流至好氧阴极室内，再从好氧阴极室自上而下通过多孔塑料垫片流至厌氧阴极室内，达到传递质子的目的，因此利用反应器的流态从而不需要离子选择性透过膜，降低了反应器成本。
