申请日2014.07.30
公开(公告)日2014.11.12
IPC分类号H01M8/06; C02F3/34; H01M8/16
摘要
本发明属于污水处理技术领域，公开了一种利用微生物燃料电池去除及回收污水中氨氮的装置及方法。通过构建双室微生物燃料电池系统和氨气回收装置，向阳极室接种经过驯化的产电混合菌液，加入乙酸钠作为电子供体，用pH为7.0的磷酸盐缓冲溶液与培养液加满阳极室;阴极室加入含氨氮的污水，并通过曝气装置通入空气;氨气回收装置中加入0.1mol L-1的H2SO4，然后启动微生物燃料电池，阴极室的氨氮转化为气态的氨气从污水中去除并被氨气回收装置回收利用。通过本发明的装置及方法用于污水中氨氮的去除及回收，具有良好的经济效益和环保效益。
权利要求书
1.一种利用微生物燃料电池去除及回收污水中氨氮的装置，其特征在于： 所述装置由双室微生物燃料电池系统和氨气回收装置组成，双室微生物燃料电 池系统包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室通过阳离子交换膜分隔开，阳极 室设置电池阳极加液口和阳极电极，阴极室设置曝气装置、氨气出口和阴极电 极，曝气装置设置在阴极室底部，阳极电极和阴极电极通过外电路连接，外电 路设置负载电阻和电路开关;氨气回收装置与阴极室的氨气出口通过管道相连。
2.根据权利要求1所述的一种利用微生物燃料电池去除及回收污水中氨氮 的装置，其特征在于：所述的阳极电极和阴极电极的制备材料为碳纸、碳布、 石墨毡、不锈钢网或泡沫镍。
3.根据权利要求2所述的一种利用微生物燃料电池去除及回收污水中氨氮 的装置，其特征在于：所述的石墨毡为经过预处理的石墨毡，所述的预处理方 法为将石墨毡置于质量分数为10%的双氧水溶液中，在温度为90℃条件下水浴 煮2h，接着用去离子水在同一温度下水浴煮2h，再用烘箱烘干。
4.根据权利要求1所述的一种利用微生物燃料电池去除及回收污水中氨氮 的装置，其特征在于：所述的负载电阻的电阻值为50Ω～1000Ω。
5.一种利用权利要求1～4任一项所述的装置去除及回收污水中氨氮的方法， 其特征在于包括以下操作步骤：
向阳极室接种经过驯化的产电混合菌液，加入乙酸钠作为电子供体，用pH 为7.0的磷酸盐缓冲溶液与培养液的混合溶液加满阳极室;阴极室加入含氨氮的 污水，并通过曝气装置通入空气;然后闭合电路开关连通外电路，微生物燃料 电池运行启动，阴极室的氨氮转化为气态的氨气从污水中去除并被氨气回收装 置回收。
6.根据权利要求5所述的去除及回收污水中氨氮的方法，其特征在于：所 述的产电混合菌取自废水处理好氧池的活性污泥;所述的驯化是指在30℃恒温 恒湿培养箱中，用20mmol L-1的乙酸钠进行驯化。
7.根据权利要求5所述的去除及回收污水中氨氮的方法，其特征在于：阳 极室中乙酸钠的浓度为20mmol L-1。
8.根据权利要求5所述的去除及回收污水中氨氮的方法，其特征在于：所 述的培养液成分包括1.0g L-1NaHCO3、0.10g L-1FeSO4、0.10g L-1KCl、0.015g L-1CaCl2、0.25g L-1NH4Cl、10mL L-1矿物质溶液和10mL L-1维他命。
9.根据权利要求8所述的去除及回收污水中氨氮的方法，其特征在于：所 述矿物质溶液成分包括1.5g L-1C6H6NO6·3Na·12H2O、0.13g L-1ZnCl2、3.0g L-1MgSO4、0.01g L-1CuSO4·5H2O、0.5g L-1MnSO4·H2O、0.01g L-1AlK(SO4)2·12H2O、1.0g L-1NaCl、0.01g L-1H3BO3、0.1g L-1FeSO4·7H2O、0.025 g L-1Na2MoO4、0.1g L-1CaCl2·2H2O、0.024g L-1NiCl2·6H2O、0.1g L-1CoCl2·6H2O 和0.025g L-1Na2WO4·2H2O。
10.根据权利要求5所述的去除及回收污水中氨氮的方法，其特征在于： 所述的氨气回收装置是指装有0.1mol L-1硫酸的装置。
说明书
利用微生物燃料电池去除及回收污水中氨氮的装置及方法
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种利用微生物燃料电池去除及 回收污水中氨氮的装置及方法。
背景技术
废水处理一直是高能耗的行业。据统计，仅我国每年用于废水处理的耗电 量就占全国总发电量的1%，而美国等发达国家更高达3%。而废水除氨氮更是 废水处理中重要的一部分。随着能源短缺的日益加剧，节能已经成为废水处理 行业急需解决的问题。目前，废水除氨可供选择的方法通常有物理、化学及生 物处理法等。物理法有反渗透、蒸馏、氨吹脱、土壤灌溉;化学法有离子交换、 折点加氯、含氨副产品生产、焚烧、催化裂解、电渗析、电化学处理;生物法 有藻类养殖、生物消化等。虽然许多方法都能在理论上有效地去除氨氮，但仅 有少数几种方法能在工程上真正用于含氨氮废水的处理。氨氮废水处理技术的 选择主要取决于废水的组成、要求达到的处理效果及经济性。
近年来，由于生物技术的不断发展，污水的生物处理成为了污水处理领域 的主要技术，得到了研究者的广泛重视。由于微生物燃料电池高效、清洁、环 保的优势，利用微生物燃料电池技术处理含氨氮废水也将快速发展。
因此为实现废水中氨氮去除，同时回收电能及氨氮、实现资源的有效利用， 我们利用传统微生物燃料电池的方式，来实现氨氮去除，同时回收能量和氨氮， 为拓展传统水处理方式和微生物燃料电池提供了新的思路。
发明内容
为了解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种利 用微生物燃料电池去除及回收污水中氨氮的装置。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述装置去除及回收污水中氨氮的方 法。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种利用微生物燃料电池去除及回收污水中氨氮的装置，由双室微生物燃 料电池装置和氨气回收装置组成，双室微生物燃料电池装置包括阳极室和阴极 室，阳极室和阴极室通过阳离子交换膜分隔开，阳极室设置电池阳极加液口和 阳极电极，阴极室设置曝气装置、氨气出口和阴极电极，曝气装置设置在阴极 室底部，阳极电极和阴极电极通过外电路连接，外电路设置负载电阻和电路开 关;氨气回收装置与阴极室的氨气出口相连。
所述的阳极电极和阴极电极的材料优选碳纸、碳布、石墨毡、不锈钢网或 泡沫镍;更优选经过预处理的石墨毡，所述的预处理方法为将石墨毡置于质量 分数为10%的双氧水溶液中，在温度为90℃条件下水浴煮2h，接着用去离子 水在同一温度下水浴煮2h，再用烘箱烘干。
所述的负载电阻的电阻值优选50Ω～1000Ω。
一种利用上述装置去除及回收污水中氨氮的方法，包括以下操作步骤：
向阳极室接种经过驯化的产电混合菌液，加入乙酸钠作为电子供体，用pH 为7.0的磷酸盐缓冲溶液与培养液加满阳极室;阴极室加入含一定浓度氨氮的污 水，并通过曝气装置通入空气;氨气回收装置中加入0.1mol L-1的H2SO4，然后 闭合电路开关连通外电路，微生物燃料电池运行启动，阴极室的氨氮转化为气 态的氨气从污水中去除并被氨气回收装置回收。
所述的产电混合菌取自废水处理好氧池的活性污泥，所述的驯化是指在 30℃恒温恒湿培养箱中，用20mmol L-1的乙酸钠进行驯化。
所述乙酸钠的浓度优选为20mmol L-1。
所述的培养液成分包括1.0g L-1NaHCO3、0.10g L-1FeSO4、0.10g L-1KCl、 0.015g L-1CaCl2、0.25g L-1NH4Cl、10mL L-1矿物质溶液和10mL L-1维他命。
所述矿物质溶液成分包括1.5g L-1C6H6NO6·3Na·12H2O、0.13g L-1ZnCl2、 3.0g L-1MgSO4、0.01g L-1CuSO4·5H2O、0.5g L-1MnSO4·H2O、0.01g L-1AlK(SO4)2·12H2O、1.0g L-1NaCl、0.01g L-1H3BO3、0.1g L-1FeSO4·7H2O、0.025 g L-1Na2MoO4、0.1g L-1CaCl2·2H2O、0.024g L-1NiCl2·6H2O、0.1g L-1CoCl2·6H2O 和0.025g L-1Na2WO4·2H2O。
所述的氨气回收装置是指装有0.1mol L-1硫酸的装置。
本发明的原理为：
通过构建具有阳极室和阴极室的微生物燃料电池，阳极室中的产电菌利用 乙酸钠产生电子和质子，电子依次通过阳极电极、外电路和阴极电极进入阴极 室中，与曝气的O2结合产生OH-，使阴极室中的pH增大，废水中的氨氮转化 为氨气析出，析出的氨气通过回收系统回收;同时质子通过阳离子交换膜进入 阴极室，使得阳极室pH保持恒定，确保产电混合菌的生存环境。
电极的材料优选经过预处理的石墨毡，石墨毡具有较高的比表面积、良好 的生物相容性及合理的价格，将石墨毡进行预处理有利于提高其稳定性和导电 性。
氨气回收装置中的硫酸可与析出的氨气进行反应，形成农业肥料的的主要 成分(NH4)2SO4。
通过本发明的方法及装置具有如下优点及有益效果：
(1)本发明采用微生物燃料电池来实现污水中氨氮的回收，一方面可以实 现氨氮的去除，另一方面在去除氨氮的同时产生电能，达到回收能源资源的作 用;
(2)本发明采用硫酸回收氨气，吸收氨气后形成农业肥料的主要成分硫酸 铵，可用于农业施肥;
(3)本发明通过特定的培养液成分培养的产电混合菌，具有显著的产电效 率及氨氮去除效率;
(4)本发明所述装置除了用于处理氨氮污水，还可以用于处理含氮量极高 的人与动物的尿液。
