CN101817587B - 旋转生物阴极微生物燃料电池及其污水处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种旋转生物阴极微生物燃料电池及其污水处理方法，属于环境工程中污水处理及资源化技术领域。其特征是阴极材料为碳纤维丝，固定在圆环上。旋转阴极生物膜外层主要为好氧硝化菌完成氨氮的短程硝化。阴极内层生物膜以亚硝酸氮及硝酸氮为电子受体，电极为电子供体，反硝化脱氮。反应器结构实现阴极转速可控、阴极与阳极的距离可控、阴极生物膜浸入水中比例可控，运行灵活，调控方便。本发明的效果和益处是旋转生物阴极微生物燃料电池可在单室反应器中实现溶解氧的控制，降低电池内阻，加速生物膜更新，短程硝化反硝化，低耗高效地同步完成脱碳除氮，同时从污染物中提取化学能形成电能输出。
Description
技术领域
本发明属于环境工程技术领域，涉及污水处理及中水回用技术，特别涉及应用旋转生物阴极微生物燃料电池产电的同时同步除碳脱氮的污水处理方法。
背景技术
人类的生存与活动离不开水，我国的西北、华北以及沿海缺水地区受水资源匮乏的影响，国民经济发展受到严重的制约。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为人们重点关注的问题。另外，世界范围内，能量的需求正以指数的形式增长，但是目前，能源的供应还是主要依赖于化石燃料的燃烧，在所预见的将来，化石燃料亦即将耗尽。全球气候的变化，要求人们应该以更可持续发展的方法来进行水处理以及对能源的利用。微生物燃料电池是一种利用微生物催化作用，降解污染物，同时提取电能的装置。阳极在厌氧条件下，微生物氧化基质中的有机或无机物，将其过程中产生的电子传递到电极表面，电子通过外电路、负载到达阴极；质子或其他阳离子通过离子交换膜或电解液到达阴极，在阴极，电子、质子以及氧化剂共同反应，从而维持电流的持续产生。微生物燃料电池污泥产量低、占地面积小。目前已经有各种各样的物质尝试着作为微生物燃料电池的底物，包括各种人工的、实际的废水以及木质纤维素型的生物质。但是，随着人们生活水平的提高，城市污水氮含量相对增加，呈现出高氮/碳比的特征，在微生物燃料电池中去除氮也成为科学家们特别感兴趣的课题。生物阴极降低了微生物燃料电池的运行和构建成本；具有更重要意义的一点是，生物阴极负载的微生物可以直接以电极作为电子供体获得电子，以硝酸盐或亚硝酸盐作为最终电子受体，进行反硝化，可以进行污泥或废水的脱氮处理。
氧气是理想的阴极氧化剂，具有较高的标准电势，廉价易得，而且没有二次污染，不过由于其溶解度低，使其具有较高的过电势。空气阴极微生物燃料电池直接取自空气中的氧气来参加反应，解决了溶解度的问题，同时以贵金属铂修饰的阴极催化其反应，从而获得了较高的电能输出；但是其增加了制作成本，且由于微生物的活动易于中毒，从而催化效率下降，并不符合实际应用的需要。铁氰化钾以及高锰酸钾等阴极系统，虽然其溶解度高，没有氧气那样传质的问题，同时可以获得很高的电势，但是成本较高，同时存在再次利用的问题，造成二次污染。
与非生物阴极相比，生物阴极降低了微生物燃料电池的运行和构建成本，微生物本身作为催化剂或介体参与电子传递，取代了贵金属催化和不可回收的电子介体，从而解决了催化剂中毒以及氧化剂补充的问题，使微生物燃料电池得以低成本持续进行。Clauwaert等研究了生物阴极对于氧的还原作用，发现生物阴极可以减少金属和非金属催化剂的用量，提高微生物燃料电池的操作性。Douglas等人在单室无膜微生物燃料电池中发现其最大氢气产生速率是通常双室微生物燃料电池的两倍。He等人研究表明旋转生物阴极可以增加电能输出。
发明内容
本发明目的是提供一种增加微生物燃料电池电能输出同时去除碳氮污染的污水处理方法，用该方法设计及建造的旋转生物阴极微生物燃料电池，不仅能够获得较高的电能输出，而且能够同时在生物阴极实现短程硝化反硝化，有效地去除污水氮污染物，有利于促进水污染控制技术的节能降耗、实现可持续发展。
为了上述发明目的，本发明采用的解决的方案是：
旋转生物阴极微生物燃料电池，反应器底部铺设碳材料为阳极，且设有曝氮气系统，为方便前期驯化保持厌氧状态。底部阳极附着有产电菌，以有机物或无机物作为阳极燃料，降解的同时产生质子和电子。电子通过有关途径传递到电极上，通过外电路及负载传递到阴极，在电池内部质子等阳离子移动到阴极，参与反应。阴极材料为碳纤维丝，由具有机械强度的圆环骨架固定，碳纤维丝通过中轴连接到外电路与阳极接通，整个中轴上平均分布12个左右碳纤维丝圆环，中轴由电机带动，可以旋转。驯化的生物阴极生物膜分为外部好氧层，内部厌氧层，外部短程硝化，内部以电极为电子供体反硝化。阴极旋转可以产生水流扰动，有利于传质，减少电池内阻，同时水流扰动也可以促进阴极、阳极生物膜的更新，保持活跃的代谢能力，利于电能的输出。装置左侧设有4-6个出水口，通过出水口调节控制阴极浸没在水中的比例，从而控制溶解氧浓度，使阴极生物膜外层好氧硝化菌完成短程硝化。阴极内层厌氧反硝化生物膜以硝酸氮、亚硝酸氮为电子受体，电极为电子供体，进行阴极反应脱氮。整个过程最终完成COD、NH4+、NO2-、NO3-的去除且获得电能。阴极与阳极间的距离设置可调，避免旋转阴极夹带溶解氧传递至底部阳极影响产电性能，且不增加电池内阻。反应器阴极转速可控、阴极与阳极的距离可控、阴极生物膜浸入水中比例可控，运行灵活，调控方便。
本发明的效果与益处是：
生物阴极外层好氧硝化细菌，在有限氧的条件下，氨氮短程硝化，内层反硝化菌以电极为电子供体反硝化；COD作为主要产电底物，在产电菌作用下降解。整个过程同时完成脱碳除氮，产生电能。实现阴极短程硝化反硝化，阳极厌氧产电，控制系统的溶解氧是关键。通过不同高度出水口和阴极转速限制废水中溶解氧的浓度。阴极不停缓慢转动，有利于阴极生物膜均匀地接触水、气介质和水中底物、离子的传质迁移(影响内阻)。
旋转生物阴极微生物燃料电池占地面积小，操作方便，适宜于模块化和一体化反应器设计，在污水处理和中水回用领域中具有广泛的应用前景，如：无排水管网系统的地区，如度假区、旅游风景区；有中水回用需求的地区或场所，如宾馆、洗车业；现有的城市污水处理厂的更新升级等。
附图说明
附图是旋转生物阴极微生物燃料电池反应器示意图。
图中：1负载及电压测量装置；2参比电极；3碳纤维阳极；4圆环碳丝阴极；5中空转轴；6传动轴；7进水泵；8废水；9进水口；10曝气管；11反应器上盖；12电机。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例
处理生活污水水量按40m3/d计，COD浓度为200mg/L，TN浓度为50mg/L。设计旋转生物阴极微生物燃料电池HRT为8h，反应器容积16m3。具体尺寸为：长4m，宽1m，有效水深3.5m，超高0.5m，总高4米。阴极圆环直径取0.9m，转轴上每间隔0.3m设置一个碳丝阴极圆环；阳极碳纤维为4×1m2。圆环与池底最大距离为2.6m，最小距离为0m，阴极圆环转速小于10rpm。
驯化挂膜：反应器用厌氧污泥接种，期间反应池盖上盖子11，曝N2使整个反应器处于厌氧状态，以产电量作为驯化成熟指标，用电压表1进行监控；当达到预期产电时，打开上盖11，暴露少量空气驯化好氧硝化菌，使碳丝阴极外层硝化菌，内层反硝化菌。
实际污水集中储存在蓄水池8中，由进水泵7从池底部以2m3/h的流量进水。水中COD主要在底部产电菌的作用下降解。阴极在电机12，传动轴6的作用下，缓慢旋转，可以造成水流对阳极生物膜的扰动，促进水中底物、离子迁移，使阴极生物膜均匀地进行硝化反硝化。经过生物降解后的处理水由反应器上部的出水口排出。
Claims (2)
1.一种应用旋转生物阴极微生物燃料电池的污水处理方法，其特征为：
a)阴极材料为碳纤维丝，由具有机械强度的圆环骨架固定，碳纤维丝通过中轴连接到外电路与阳极接通；
b)在阴极表面驯化挂膜，生物膜外层为好氧硝化菌，进行短程硝化；内层为厌氧反硝化菌，从电极上直接获得由阳极传递而来电子进行反硝化；在阳极驯化产电菌，降解污染物并产生电子；整个过程实现脱碳除氮，产生电能；
c)阴极转轴由转速可调的电极传动；调节电机转速，变化阴极生物膜接触氧的频率和生物膜的更新速率；
d)阴极与阳极的距离可调；调节阴极与阳极距离，变化阴极夹带氧对阳极的影响和反应器内阻。
2.根据权利要求1所述的一种应用旋转生物阴极微生物燃料电池的污水处理方法，其特征为：在反应器左侧设置4-6个出水口，调节阴极浸没比例。
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