申請日2015.09.22

　　公開(公告)日2016.02.03

　　IPC分類號C02F3/34; H01M8/16

　　摘要

　　本發(fā)明涉及一種微生物燃料電池及其處理廢水的方法，所述電池包括主反應(yīng)區(qū)1、生物選擇調(diào)節(jié)區(qū)2、溢流出水槽3、穿孔布水管4、生物陽極5、空氣陰極6、電極支架6a、電極卡槽6b、陰陽極電極插孔密封圈7、參比電極8、PH及DO電極插孔9-I和II、外電阻10、進水管11、監(jiān)測口12、排空管13和14、出水管15;本發(fā)明的方法利用毛細作用巧妙地避免了MFC的陰極曝氣，減少能耗，提高了MFC陰極氧氣傳質(zhì)效率;可穩(wěn)定高效脫氮除碳，COD的去除率可達到75～94.4%，總氮(TN)去除率42～99.9%。

　　摘要附圖

 

　　權(quán)利要求書

　　1.一種基于毛細作用的微生物燃料電池，其特征在于，所述電池包括主反應(yīng)區(qū) 1、生物選擇調(diào)節(jié)區(qū)2、溢流出水槽3、穿孔布水管4、生物陽極5、空氣陰極6、電極支架6a、電極卡槽6b、陰陽極電極插孔密封圈7、參比電極8、PH及DO電極插孔9-I和II、外電阻10、進水管11、監(jiān)測口12、排空管13和14、出水管15;主反應(yīng)區(qū)1為敞開式柱狀或立方體結(jié)構(gòu)，電極插孔9-I和II設(shè)置在主反應(yīng)區(qū)1上;空氣陰極置于主反應(yīng)區(qū)上層、生物陽極置于主反應(yīng)區(qū)下層，同時生物陰極的部分暴露至空氣中，所述暴露于空氣中的陰極面積占整個陰極面積的25～90%;其它附屬儀器設(shè)備有進水池16、蠕動泵17、數(shù)據(jù)采集卡18、數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)19、以及出水池20，生物陰極、生物陽極通過導(dǎo)線分別從電極插孔9-I和II密封引出，并外接電阻后連入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)18和數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)19。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1的微生物燃料電池，其特征在于，所述微生物燃料電池主體材質(zhì)可以由有機玻璃、塑料、玻璃、鋼結(jié)構(gòu)或混凝土制成。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求1的微生物燃料電池，其特征在于，所述陽極采用碳氈、碳棒、石墨板、碳刷或活性炭顆粒類導(dǎo)電材料制成。

　　4.根據(jù)權(quán)利要求1的微生物燃料電池，其特征在于，所述陰極采用具有毛細作用的導(dǎo)電或?qū)щ娦揎椀牟牧稀?/P>

　　5.根據(jù)權(quán)利要求4的微生物燃料電池，其特征在于，所述陰極采用碳氈、石墨、碳布、碳纖維材料。

　　6.根據(jù)權(quán)利要求1的微生物燃料電池，其特征在于，所述用于固定陰陽電極的電極支架和電極卡槽材質(zhì)由非導(dǎo)電性材料組成。

　　7.根據(jù)權(quán)利要求1的微生物燃料電池，其特征在于，所述陰陽極采用支架、電極卡槽固定組成。

　　8.一種利用權(quán)利要求1至7任一所述的微生物燃料電池處理廢水的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

　　步驟一、啟動微生物燃料電池：將含氮有機廢水緩慢注入微生物燃料電池的前端生物選擇調(diào)節(jié)區(qū)2內(nèi)，通過生物作用對進水進行預(yù)調(diào)節(jié)，隨后折流進入主反應(yīng)區(qū)1;接種來自城市污水處理廠二沉池的活性污泥于主反應(yīng)區(qū)1中，接種比例為按重量計 5%～10%;最后，連接置于主反應(yīng)區(qū)內(nèi)PH及DO電極插孔9-I和II，同時將陰、陽兩電極用導(dǎo)線分別與外電阻、數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)連接;所述含氮有機廢水中氮氨 NH4+-N含量為20mg/L～1000mg/L，C/N比為0.5:1～10:1;在反應(yīng)溫度為20.0～35.0℃、外接電阻為1000Ω的條件下進行啟動運行;當電池電壓低于10mV時，更換反應(yīng)器內(nèi)的廢水，待負載電壓輸出出現(xiàn)較小波動、且持續(xù)穩(wěn)定出現(xiàn)較高輸出電壓過程，即完成該型微生物燃料電池啟動;

　　步驟二、微生物燃料電池連續(xù)運行：利用蠕動泵將含氮有機廢水由底部連續(xù)泵入上述已啟動微生物燃料電池生物選擇區(qū)后，經(jīng)折流進入主反應(yīng)區(qū)內(nèi)，通過生物選擇區(qū)調(diào)節(jié)后，由主反應(yīng)區(qū)內(nèi)陰、陽電極上馴化培養(yǎng)的活性微生物對污染物進行處理，實現(xiàn)同時脫氮產(chǎn)電，最后出水由上部溢流至出水槽外排;所述過程中通過調(diào)節(jié)蠕動泵轉(zhuǎn)速來變化進水流速，實現(xiàn)裝置的水力停留時間控制，進一步調(diào)整進水的有機負荷和氨氮負荷變化;記錄電池的電壓，采集頻率為每2分鐘一個點，每天采樣測定化學需氧量 COD、氨氮和總氮，對處理過程進行實時調(diào)控。

　　9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于，所述含氮有機廢水氨氮含量在 200mg/L～500mg/L之間;C/N比為3:1～8:1。

　　10.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于，微生物燃料電池處理含氮有機廢水的主反應(yīng)區(qū)內(nèi)，廢水溶解氧DO值均小于等于1.0mg/L。

　　說明書

　　一種微生物燃料電池及其用于處理廢水的方法

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明屬于廢水可持續(xù)生物處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種微生物燃料電池及其處理廢水的方法。

　　技術(shù)背景

　　能源環(huán)境危機蔓延，正在成為制約21世紀人類發(fā)展的主要瓶頸。而我國經(jīng)濟快速發(fā)展的同時每年產(chǎn)生大量廢水，污染環(huán)境且危害居民健康。廢水中污染物通常經(jīng)傳統(tǒng)生物厭氧、好氧曝氣-物化處理后排放，但上述過程中污染物去除不僅耗能大，而且產(chǎn)生大量的污泥，造成處理成本高，更重要的是污染物中蘊含的大量化學能被白白浪費。因而，亟待開發(fā)一種效率高、成本低、資源化的可持續(xù)污水處理技術(shù)。新興的微生物燃料電池(Microbialfuelcells，MFCs)是一種利用電化學活性的微生物催化氧化有機物，將其中的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，因其能同時處理廢水和產(chǎn)生電能，抵消部分水處理成本而越來越受到人們關(guān)注。研究報道稱，MFC能使活性污泥法中曝氣能耗減半，污泥產(chǎn)量減少50～90%，其對有機污染物有很好的去除(COD去除率 80～99%)，氮磷也有一定的去除，為微生物燃料電池展示了良好的應(yīng)用前景。

　　雖然MFCs技術(shù)兼有污染物去除與能源回收等優(yōu)點，但也存在一些問題：1)雙室體系需要外加隔膜，易造成膜兩側(cè)pH梯度，減弱微生物代謝活性，而且其價格昂貴，增加成本(質(zhì)子交換膜約4000～12000元人民幣/m2);2)無隔膜MFCs體系內(nèi)，陰極需以高昂的貴重金屬作為催化劑(5%的鉑碳售價為118980元人民幣/kg);3)鐵氰化鉀、高錳酸鉀或重鉻酸鉀等化學氧化劑作為電子受體，存在污染和再生問題，不利于實際應(yīng)用;氧氣作為電子受體，具有來源廣、廉價易得和產(chǎn)物為水無污染等優(yōu)點，但是氧氣在水中的溶解度有限，溶氧利用效率低，造成大量曝氣能耗。專利號 201020139304.3公開了一種厭氧氨氧化微生物燃料電池，以厭氧氨氧化菌接種啟動微生物燃料電池脫氮，雖然不需要曝氣，但是需要外加硝化產(chǎn)物亞硝酸鹽為電子受體，而且厭氧氨氧化菌存在生長緩慢、易受溫度影響及來水要求苛刻等缺點。專利號 201010166534.3公開了一種旋轉(zhuǎn)生物陰極微生物燃料電池及其污水處理方法，但是該旋轉(zhuǎn)的生物陰極不僅需要動能驅(qū)動，而且電極的轉(zhuǎn)動極易夾帶氧傳遞至底部陽極從而降低其產(chǎn)電性能。專利號201310745120.X公開了一種微生物燃料電池空氣陰極片的制備方法，但是擴散層和催化層的制備程序相對繁瑣，限制了其實際應(yīng)用。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明目的是提供一種微生物燃料電池，以及將其用于處理廢水的方法。

　　本發(fā)明涉及一種基于毛細作用的微生物燃料電池，其特征在于，所述電池包括主反應(yīng)區(qū)1、生物選擇調(diào)節(jié)區(qū)2、溢流出水槽3、穿孔布水管4、生物陽極5、空氣陰極 6、電極支架6a、電極卡槽6b、陰陽極電極插孔密封圈7、參比電極8、PH及DO電極插孔9-I和II、外電阻10、進水管11、監(jiān)測口12、排空管13和14、出水管15;主反應(yīng)區(qū)1為敞開式柱狀或立方體結(jié)構(gòu)，電極插孔9-I和II設(shè)置在主反應(yīng)區(qū)1上;空氣陰極置于主反應(yīng)區(qū)上層、生物陽極置于主反應(yīng)區(qū)下層，同時生物陰極的部分暴露至空氣中，所述暴露于空氣中的陰極面積占整個陰極面積的25～90%;其它附屬儀器設(shè)備有進水池16、蠕動泵17、數(shù)據(jù)采集卡18、數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)19、以及出水池 20，生物陰極、生物陽極通過導(dǎo)線分別從電極插孔9-I和II密封引出，并外接電阻后連入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)18和數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)19。

　　所述微生物燃料電池主體材質(zhì)可以由有機玻璃、塑料、玻璃、鋼結(jié)構(gòu)或混凝土等制成。

　　所述陽極采用碳氈、碳棒、石墨板、碳刷或活性炭顆粒等導(dǎo)電材料制成。

　　所述陰極采用具有毛細作用的導(dǎo)電或?qū)щ娦揎椀牟牧�，包括但不限于碳氈、石墨、碳布、碳纖維等材料，優(yōu)選碳氈或石墨。

　　所述用于固定陰陽電極的電極支架和電極卡槽材質(zhì)可以由非導(dǎo)電性材料組成，如工程塑料ABS、PTFE支架等，或經(jīng)防腐絕緣處理的不銹鋼、鐵架。

　　所述陰陽極采用支架、電極卡槽固定組成，可以是一對電極，或多對電極模塊化置于反應(yīng)器當中。

　　進一步地，本發(fā)明提供一種利用上述微生物燃料電池處理廢水的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

　　步驟一、啟動微生物燃料電池：將含氮有機廢水緩慢注入微生物燃料電池的前端生物選擇調(diào)節(jié)區(qū)2內(nèi)，通過生物作用對進水進行預(yù)調(diào)節(jié)，隨后折流進入主反應(yīng)區(qū)1;接種來自城市污水處理廠二沉池的活性污泥于主反應(yīng)區(qū)1中，接種比例為按重量計 5%～10%;最后，連接置于主反應(yīng)區(qū)內(nèi)PH及DO電極插孔9-I和II，同時將陰、陽兩電極用導(dǎo)線分別與外電阻、數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)連接;所述含氮有機廢水中氮氨 NH4+-N含量為20mg/L～1000mg/L，C/N比為0.5:1～10:1(以化學需氧量COD和氨氮比值計算);在反應(yīng)溫度為20.0～35.0℃、外接電阻為1000Ω的條件下進行啟動運行;當電池電壓低于10mV時，更換反應(yīng)器內(nèi)的廢水，待負載電壓輸出出現(xiàn)較小波動、且持續(xù)穩(wěn)定出現(xiàn)較高輸出電壓過程，即完成該型微生物燃料電池啟動;

　　步驟二、微生物燃料電池連續(xù)運行：利用蠕動泵將含氮有機廢水由底部連續(xù)泵入上述已啟動微生物燃料電池生物選擇區(qū)后，經(jīng)折流進入主反應(yīng)區(qū)內(nèi)，通過生物選擇區(qū)調(diào)節(jié)后，由主反應(yīng)區(qū)內(nèi)陰、陽電極上馴化培養(yǎng)的活性微生物對污染物進行處理，實現(xiàn)同時脫氮產(chǎn)電，最后出水由上部溢流至出水槽外排;所述過程中通過調(diào)節(jié)蠕動泵轉(zhuǎn)速來變化進水流速(Qin)，實現(xiàn)裝置的水力停留時間(HRT)控制，進一步調(diào)整進水的有機負荷(OLR)和氨氮負荷(NLR)變化。記錄電池的電壓，采集頻率為每2分鐘一個點，每天采樣測定化學需氧量COD、氨氮和總氮，對處理過程進行實時調(diào)控。

　　步驟一中的預(yù)調(diào)節(jié)包括均質(zhì)、溶解氧(DO)和pH值等。

　　優(yōu)選地、所述含氮有機廢水氨氮含量可以在200mg/L～500mg/L之間;C/N比為 3:1～8:1(以化學需氧量COD和氨氮比值計算)。

　　所述方法中，微生物燃料電池處理含氮有機廢水的主反應(yīng)區(qū)內(nèi)，廢水溶解氧DO 值均小于等于1.0mg/L。

　　所述方法中，處理含氮有機廢水的pH值在6～9。

　　所述方法中，微生物燃料電池處理對象可以是含乙酸鈉、葡萄糖等廢水，也可以是市政污水、城市垃圾填埋滲濾液、源分離尿液、污泥消化脫水液等廢水。

　　上述方法中，具體過程是由蠕動泵17將進水池16內(nèi)廢水先泵至微生物燃料電池內(nèi)反應(yīng)處理，而后出水溢流至出水池20中;空氣陰極5和生物陽極6分別由導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集卡18連接，將處理過程數(shù)據(jù)存置于19中。

　　本發(fā)明所涉及的采用上述微生物燃料電池處理廢水的原理是利用毛細作用使暴露于空氣中的陰極表面浸潤，促進氧氣在陰極的傳質(zhì)從而增強還原作用，避免了陰極曝氣能耗;此外，部分暴露于空氣的陰極存在一定的氧擴散梯度，在外層的氧含量相對較高有利于硝化作用，其產(chǎn)生的硝酸鹽和亞硝酸鹽也可以作為電子受體，在陰極內(nèi)層氧濃度較低，易在生物膜的催化下將上述氧化型氮還原為氮氣(反硝化作用)，從而完成有機物和氮素污染物的同時除去并伴隨電能的產(chǎn)生。整個生物電化學過程如下：陽極附著的電化學活性微生物通過新陳代謝氧化廢水中有機物獲得電子、并生成質(zhì)子，所獲得的電子從微生物轉(zhuǎn)移到陽極，然后電子通過外電路到達陰極，同時生成的質(zhì)子經(jīng)過水溶液遷移到陰極;陰極的毛細作用不僅促進了氧在電極表面的還原作用，而且形成的一定的氧擴散梯度環(huán)境有利于好氧微生物將廢水中氨氮(NH4+-N) 降解產(chǎn)生亞硝態(tài)氮或硝態(tài)氮(NO2--N或NO3--N)，該類氮素同樣可作為電子受體形成回路完成產(chǎn)電。

　　除非另有說明，本申請中的“%”為重量百分比。

　　本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

　　1)、利用毛細作用巧妙地避免了MFC的陰極曝氣，減少能耗，提高了MFC陰極氧氣傳質(zhì)效率;

　　2)、本發(fā)明的技術(shù)方法，陰極不需要催化劑，具有工藝簡單、成本低、性能穩(wěn)定、易實施等優(yōu)點，可用于含氮有機廢水的處理，同時將廢水中污染物的化學能轉(zhuǎn)變成電能以補償水處理成本，為可持續(xù)處理含氮有機廢水提供了新途徑。

　　3)、本發(fā)明的微生物燃料電池可穩(wěn)定高效脫氮除碳，COD的去除率可達到 75～94.4%，總氮(TN)去除率42～99.9%。