申請日2010.04.20

　　公開(公告)日2010.09.01

　　IPC分類號H01M8/06; C02F3/30

　　摘要

　　一種旋轉(zhuǎn)生物陰極微生物燃料電池及其污水處理方法，屬于環(huán)境工程中污水處理及資源化技術(shù)領(lǐng)域。其特征是陰極材料為碳纖維絲，固定在圓環(huán)上。旋轉(zhuǎn)陰極生物膜外層主要為好氧硝化菌完成氨氮的短程硝化。陰極內(nèi)層生物膜以亞硝酸氮及硝酸氮為電子受體，電極為電子供體，反硝化脫氮。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)陰極轉(zhuǎn)速可控、陰極與陽極的距離可控、陰極生物膜浸入水中比例可控，運行靈活，調(diào)控方便。本發(fā)明的效果和益處是旋轉(zhuǎn)生物陰極微生物燃料電池可在單室反應(yīng)器中實現(xiàn)溶解氧的控制，降低電池內(nèi)阻，加速生物膜更新，短程硝化反硝化，低耗高效地同步完成脫碳除氮，同時從污染物中提取化學(xué)能形成電能輸出。

　　摘要附圖

 

　　權(quán)利要求書

　　1.一種旋轉(zhuǎn)生物陰極微生物燃料電池及其污水處理方法，其特征為：

　　a)陰極材料為碳纖維絲，由具有機械強度的圓環(huán)骨架固定，碳纖維絲通過中軸連接到外電路與陽極接通;

　　b)在陰極表面馴化掛膜，生物膜外層為好氧硝化菌，進行短程硝化;內(nèi)層為厭氧反硝化菌，從電極上直接獲得由陽極傳遞而來電子進行反硝化;在陽極馴化產(chǎn)電菌，降解污染物并產(chǎn)生電子;整個過程實現(xiàn)脫碳除氮，產(chǎn)生電能;

　　c)陰極轉(zhuǎn)軸由轉(zhuǎn)速可調(diào)的電極傳動;調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，變化陰極生物膜接觸氧的頻率和生物膜的更新速率;

　　d)陰極與陽極的距離可調(diào);調(diào)節(jié)陰極與陽極距離，變化陰極夾帶氧對陽極的影響和反應(yīng)器內(nèi)阻。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種旋轉(zhuǎn)生物陰極微生物燃料電池及其污水處理方法，其特征為：在反應(yīng)器左側(cè)設(shè)置4-6個出水口，調(diào)節(jié)陰極浸沒比例。

　　說明書

　　旋轉(zhuǎn)生物陰極微生物燃料電池及其污水處理方法

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明屬于環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及污水處理及中水回用技術(shù)，特別涉及應(yīng)用旋轉(zhuǎn)生物陰極微生物燃料電池產(chǎn)電的同時同步除碳脫氮的污水處理方法。

　　背景技術(shù)

　　人類的生存與活動離不開水，我國的西北、華北以及沿海缺水地區(qū)受水資源匱乏的影響，國民經(jīng)濟發(fā)展受到嚴重的制約。目前城市污水碳含量并不高，普遍具有高氮/碳比的污水，氮污染物的去除也成為人們重點關(guān)注的問題。另外，世界范圍內(nèi)，能量的需求正以指數(shù)的形式增長，但是目前，能源的供應(yīng)還是主要依賴于化石燃料的燃燒，在所預(yù)見的將來，化石燃料亦即將耗盡。全球氣候的變化，要求人們應(yīng)該以更可持續(xù)發(fā)展的方法來進行水處理以及對能源的利用。微生物燃料電池是一種利用微生物催化作用，降解污染物，同時提取電能的裝置。陽極在厭氧條件下，微生物氧化基質(zhì)中的有機或無機物，將其過程中產(chǎn)生的電子傳遞到電極表面，電子通過外電路、負載到達陰極;質(zhì)子或其他陽離子通過離子交換膜或電解液到達陰極，在陰極，電子、質(zhì)子以及氧化劑共同反應(yīng)，從而維持電流的持續(xù)產(chǎn)生。微生物燃料電池污泥產(chǎn)量低、占地面積小。目前已經(jīng)有各種各樣的物質(zhì)嘗試著作為微生物燃料電池的底物，包括各種人工的、實際的廢水以及木質(zhì)纖維素型的生物質(zhì)。但是，隨著人們生活水平的提高，城市污水氮含量相對增加，呈現(xiàn)出高氮/碳比的特征，在微生物燃料電池中去除氮也成為科學(xué)家們特別感興趣的課題。生物陰極降低了微生物燃料電池的運行和構(gòu)建成本;具有更重要意義的一點是，生物陰極負載的微生物可以直接以電極作為電子供體獲得電子，以硝酸鹽或亞硝酸鹽作為最終電子受體，進行反硝化，可以進行污泥或廢水的脫氮處理。

　　氧氣是理想的陰極氧化劑，具有較高的標準電勢，廉價易得，而且沒有二次污染，不過由于其溶解度低，使其具有較高的過電勢�？諝怅帢O微生物燃料電池直接取自空氣中的氧氣來參加反應(yīng)，解決了溶解度的問題，同時以貴金屬鉑修飾的陰極催化其反應(yīng)，從而獲得了較高的電能輸出;但是其增加了制作成本，且由于微生物的活動易于中毒，從而催化效率下降，并不符合實際應(yīng)用的需要。鐵氰化鉀以及高錳酸鉀等陰極系統(tǒng)，雖然其溶解度高，沒有氧氣那樣傳質(zhì)的問題，同時可以獲得很高的電勢，但是成本較高，同時存在再次利用的問題，造成二次污染。

　　與非生物陰極相比，生物陰極降低了微生物燃料電池的運行和構(gòu)建成本，微生物本身作為催化劑或介體參與電子傳遞，取代了貴金屬催化和不可回收的電子介體，從而解決了催化劑中毒以及氧化劑補充的問題，使微生物燃料電池得以低成本持續(xù)進行。Clauwaert等研究了生物陰極對于氧的還原作用，發(fā)現(xiàn)生物陰極可以減少金屬和非金屬催化劑的用量，提高微生物燃料電池的操作性。Douglas等人在單室無膜微生物燃料電池中發(fā)現(xiàn)其最大氫氣產(chǎn)生速率是通常雙室微生物燃料電池的兩倍。He等人研究表明旋轉(zhuǎn)生物陰極可以增加電能輸出。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明目的是提供一種增加微生物燃料電池電能輸出同時去除碳氮污染的污水處理方法，用該方法設(shè)計及建造的旋轉(zhuǎn)生物陰極微生物燃料電池，不僅能夠獲得較高的電能輸出，而且能夠同時在生物陰極實現(xiàn)短程硝化反硝化，有效地去除污水氮污染物，有利于促進水污染控制技術(shù)的節(jié)能降耗、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

　　為了上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的解決的方案是：

　　旋轉(zhuǎn)生物陰極微生物燃料電池，反應(yīng)器底部鋪設(shè)碳材料為陽極，且設(shè)有曝氮氣系統(tǒng)，為方便前期馴化保持厭氧狀態(tài)。底部陽極附著有產(chǎn)電菌，以有機物或無機物作為陽極燃料，降解的同時產(chǎn)生質(zhì)子和電子。電子通過有關(guān)途徑傳遞到電極上，通過外電路及負載傳遞到陰極，在電池內(nèi)部質(zhì)子等陽離子移動到陰極，參與反應(yīng)。陰極材料為碳纖維絲，由具有機械強度的圓環(huán)骨架固定，碳纖維絲通過中軸連接到外電路與陽極接通，整個中軸上平均分布12個左右碳纖維絲圓環(huán)，中軸由電機帶動，可以旋轉(zhuǎn)。馴化的生物陰極生物膜分為外部好氧層，內(nèi)部厭氧層，外部短程硝化，內(nèi)部以電極為電子供體反硝化。陰極旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生水流擾動，有利于傳質(zhì)，減少電池內(nèi)阻，同時水流擾動也可以促進陰極、陽極生物膜的更新，保持活躍的代謝能力，利于電能的輸出。裝置左側(cè)設(shè)有4-6個出水口，通過出水口調(diào)節(jié)控制陰極浸沒在水中的比例，從而控制溶解氧濃度，使陰極生物膜外層好氧硝化菌完成短程硝化。陰極內(nèi)層厭氧反硝化生物膜以硝酸氮、亞硝酸氮為電子受體，電極為電子供體，進行陰極反應(yīng)脫氮。整個過程最終完成COD、NH4+、NO2-、NO3-的去除且獲得電能。陰極與陽極間的距離設(shè)置可調(diào)，避免旋轉(zhuǎn)陰極夾帶溶解氧傳遞至底部陽極影響產(chǎn)電性能，且不增加電池內(nèi)阻。反應(yīng)器陰極轉(zhuǎn)速可控、陰極與陽極的距離可控、陰極生物膜浸入水中比例可控，運行靈活，調(diào)控方便。

　　本發(fā)明的效果與益處是：

　　生物陰極外層好氧硝化細菌，在有限氧的條件下，氨氮短程硝化，內(nèi)層反硝化菌以電極為電子供體反硝化;COD作為主要產(chǎn)電底物，在產(chǎn)電菌作用下降解。整個過程同時完成脫碳除氮，產(chǎn)生電能。實現(xiàn)陰極短程硝化反硝化，陽極厭氧產(chǎn)電，控制系統(tǒng)的溶解氧是關(guān)鍵。通過不同高度出水口和陰極轉(zhuǎn)速限制廢水中溶解氧的濃度。陰極不停緩慢轉(zhuǎn)動，有利于陰極生物膜均勻地接觸水、氣介質(zhì)和水中底物、離子的傳質(zhì)遷移(影響內(nèi)阻)。

　　旋轉(zhuǎn)生物陰極微生物燃料電池占地面積小，操作方便，適宜于模塊化和一體化反應(yīng)器設(shè)計，在污水處理和中水回用領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景，如：無排水管網(wǎng)系統(tǒng)的地區(qū)，如度假區(qū)、旅游風(fēng)景區(qū);有中水回用需求的地區(qū)或場所，如賓館、洗車業(yè);現(xiàn)有的城市污水處理廠的更新升級等。