CN102290590A - 一种生物阴极型微生物燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物阴极型微生物燃料电池。所述微生物燃料电池包括阳极室和阴极室;所述阴极室包括好氧阴极室和缺氧阴极室;所述阳极室、好氧阴极室和缺氧阴极室内均设有填料,所述填料上均负载产电微生物膜;所述阳极室与所述好氧阴极室之间设有阳离子交换膜;所述阳极室与所述缺氧阴极室之间设有阴离子交换膜;所述阳离子交换膜与所述阴离子交换膜的两侧均设有集电金属网;所述集电金属网的两端通过导线相连通,所述导线上设有负载;所述好氧阴极室的底部设有曝气装置。利用本发明提供的微生物燃料电池在去除有机物和产电的同时进行脱氮,实现三效合一。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物阴极型微生物燃料电池。
背景技术
随着经济社会的发展和人口的迅速增长,水体污染和能源紧缺的问题日益加剧。近年来,我国污水处理厂的建设逐步加快。截至2010年9月底,我国城镇污水处理厂污水处理量达到1.22亿吨/天。但是,常规的污水处理工艺需要消耗大量的电能。在发达国家,全国3~5%的电能用于污水处理,在我国,也约有1.5%~3%的电能用于污水处理。因此,迫切需要开发低能耗的污水处理技术。
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,简称MFC)是近十年发展起来的一种新型污水处理技术。它能够在降解污水中有机物的同时将有机物所蕴含的化学能转化为电能。由于MFC能够在污水处理的同时收获电能,从而成为一种极具发展前景的水处理技术。MFC一般由阳极、分隔材料和阴极3部分组成。早期的MFC的阴极采用化学催化剂,仅在阳极具有降解有机物的能力。而污水中除有机污染物外,氨氮和氮氧化物等含氮污染物也是一种浓度较高的污染物。含氮污染物是引起水体富营养化的主因之一。因而需要对MFC的水处理功能进行拓展。2007年Clauwaert等研究者开发了两种以微生物作为阴极催化剂的生物阴极型MFC,它们分别以氧气和氮氧化物作为电子受体(Clauwaert,P.,Rabaey,K.,Aelterman,P.,De Schamphelaire,L.,2007a.Ham TH,Boeckx P,et al.Biological denitrification in microbial fuel cells.Environ.Sci.Technol.41,3354-3360.Clauwaert,P.,Van der Ha,D.,Boon,N.,Verbeken,K.,Verhaege,M.,Rabaey,K.,Verstraete,W.,2007b.Open air biocathode enables effective electricity generation withmicrobial fuel cells.Environ.Sci.Technol.41,7564-7569.)。前者在阴极室形成好氧环境,因此可以将水中氨氮氧化为硝态氮。后者在产电的同时实现了反硝化。谢珊等研究者将上述两种生物阴极型MFC在水路上进行串联,完全由MFC实现了有机物去除、脱氮和产电的三效合一的过程(Xie,S.,Liang,P.,Chen,Y.,Xia,X.,Huang,X.,2011.Simultaneous carbon and nitrogen removal using an oxic/anoxic-biocathode microbial fuelcells coupled system.Bioresour.Technol.102,348-354.)。但是,该工艺和装置均较为复杂,操作参数中变量较多,不适宜于实际推广。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物阴极型微生物燃料电池及其在处理废水中的应用,该微生物燃料电池可进行同步产电和脱氮的污水处理工艺。
本发明提供的一种生物阴极型微生物燃料电池,所述微生物燃料电池包括阳极室和阴极室;所述阴极室包括好氧阴极室和缺氧阴极室;所述阳极室、好氧阴极室和缺氧阴极室内均设有填料,所述填料上均负载产电微生物膜,所述阳极室内为厌氧产电微生物膜,所述好氧阴极室内为好氧产电微生物膜,所述缺氧阴极室内为缺氧产电微生物膜;所述阳极室与所述好氧阴极室之间设有阳离子交换膜;所述阳极室与所述缺氧阴极室之间设有阴离子交换膜;所述阳离子交换膜与所述阴离子交换膜的两侧均设有集电金属网,其中设于所述好氧阴极室内的集电金属网与设于所述缺氧阴极室内的集电金属网之间彼此绝缘;所述集电金属网的两端分别通过导线相连通,所述导线上设有负载;所述好氧阴极室的底部设有曝气装置。
上述的微生物燃料电池中,所述填料为活性炭、石墨或碳毡,所述填料的粒径可为2mm-5mm;所述集电金属网可为钛丝网或不锈钢丝网。
上述的微生物燃料电池中,所述好氧阴极室和缺氧阴极室之间设有穿孔隔板,用于分隔两个极室中的填料。
上述的微生物燃料电池中,所述阳极室内的产电微生物膜可通过厌氧池污泥驯化得到;所述好氧阴极室内的产电微生物膜可通过好氧池污泥驯化得到;所述缺氧阴极室内的产电微生物膜可通过缺氧池污泥驯化得到。
上述的微生物燃料电池中,所述负载可为变阻箱或电能收集装置,所述电能收集装置具体可为电容。
本发明还提供了上述微生物燃料电池在废水处理中的应用。
上述的应用中,所述废水可为可生化的含氮有机废水。
上述的应用中,可按下述的步骤进行:污水首先进入阳极室的底部,污水中的有机物在产电微生物膜作用下被氧化,同时产生的电子;电子被传递到阳极填料后,由金属集电网收集,然后分别经外电路上的负载传递至阴极;内电路电流方向为:在阳极室的上半部分,水中的阳离子在电场驱动力作用下穿过阳离子交换膜到达好氧阴极室;好氧阴极室中的阴离子在电场驱动力作用下穿过阴离子交换膜进入阳极室的下半部分;污水经过阳极的初步处理后进入好氧阴极室;水中的有机物被进一步氧化;同时水中的氨氮被氧化为硝态氮;好氧阴极室出水进入缺氧阴极室;微生物接受阴极传递来的电子,将水中的硝态氮还原为氮气,从而完成产电和脱氮过程。
本发明的有益效果为:利用微生物燃料电池好氧-缺氧两段式阴极在去除有机物和产电的同时进行脱氮,实现三效合一。本发明所述工艺简单、能耗低且效率高,装置结构简单、易操作,易于生产和使用。
附图说明
图1为本发明的生物阴极型微生物燃料电池进行同步脱氮产电时的结构示意图。
图中各标记如下:A阳极室、B好氧阴极室、C缺氧阴极室、1阳离子交换膜、2阴离子交换膜、3不锈钢丝网、4活性炭、5曝气管、6穿孔隔板、7,8变阻箱。
具体实施方式
下述结合附图对发明做进一步说明,但本发明并不局限于以下实施例。
本实施例提供的生物阴极型微生物燃料电池包括阳极室A、好氧阴极室B和缺氧阴极室C三个腔室;阳极室A与好氧阴极室B之间采用阳离子交换膜1进行分隔,阳极室A与缺氧阴极室C之间采用阴离子交换膜2进行分隔;阳离子交换膜1和阴离子交换膜2的两侧面上均设有耐腐蚀的不锈钢丝网3,其中设于好氧阴极室B内的部分不锈钢丝网3与设于缺氧阴极室C内的部分不锈钢丝网3之间彼此绝缘;阳极室A、好氧阴极室B和缺氧阴极室C三个腔室内均填充有活性炭4,活性炭4的粒径为2mm-5mm,活性炭4的表面上设有产电微生物膜(图中未示出),其中,阳极室A中的产电微生物膜为厌氧产电微生物膜,采用污水处理厂厌氧池污泥驯化得到,好氧阴极室B中的产电微生物膜为好氧产电微生物膜,采用污水处理厂好氧(硝化)池污泥驯化得到,缺氧阴极室C中的产电微生物膜为缺氧产电微生物膜,采用污水处理厂缺氧(反硝化)池污泥驯化得到,同时阳极室A、好氧阴极室B和缺氧阴极室C内的活性炭4均与不锈钢丝网3紧密接触;两层不锈钢丝网3的两端通过导线相连通,该两端的导线上分别连接有变阻箱7和8;在好氧阴极室B的底部上设置曝气管5,用于保持好氧阴极室B内的好氧环境;在好氧阴极室A和缺氧阴极室B之间设置穿孔隔板6,用于分隔两个极室中的填料;好氧阴极室A的出水通过穿孔隔板6进入缺氧阴极室C中。
上述的生物阴极型微生物燃料电池中,填料还可选择为其它的材质,如石墨或碳毡;集电金属网可为其它耐腐蚀的金属,如钛丝网;导线上连接的负载还可为电能收集装置,如电容;好氧阴极室B中的好氧环境还可通过其它的曝气系统来保持。
使用上述生物阴极型微生物燃料电池处理废水时,保持阳极室A内为厌氧状态,可生化的含氮有机废水首先从阳极室A的底部进入,采用推流的运行方式;该含氮有机废水中的有机物在阳极室A内的产电微生物膜的作用下被氧化并产生电子,电子通过阳极室A中的活性炭4流向不锈钢丝网3,然后分别通过负载I7和负载II8传导至好氧阴极室B内的好氧阴极(即好氧阴极室B内的产电微生物膜)和缺氧阴极室C内的缺氧阴极(即缺氧阴极室C内的产电微生物膜);在阳极室A的上半部分,废水中的氨根等阳离子在电场驱动力作用下穿过阳离子交换膜到达好氧阴极室B;好氧阴极室B中的阴离子在电场驱动力作用下穿过阴离子交换膜进入阳极室A的下半部分;阳极室A的出水进入好氧阴极室B;好氧阴极室B通过底部曝气管5进行供氧,从而使其保持好氧状态;氧气在产电微生物膜的作用下接受来自电极的电子后被还原,完成在阳极-好氧阴极的产电过程;废水中的铵态氮被氧化为硝态氮,同时废水中的有机物被进一步氧化分解;好氧阴极室B的出水进入缺氧阴极室C;硝态氮在产电微生物膜的作用下接受来自电极的电子后被还原为氮气,从而完成反硝化过程以及阳极-缺氧阴极的产电过程。
Claims (6)
1.一种生物阴极型微生物燃料电池,所述微生物燃料电池包括阳极室和阴极室;其特征在于:所述阴极室包括好氧阴极室和缺氧阴极室;所述阳极室、好氧阴极室和缺氧阴极室内均设有填料,所述填料上均负载产电微生物膜,所述阳极室内为厌氧产电微生物膜,所述好氧阴极室内为好氧产电微生物膜,所述缺氧阴极室内为缺氧产电微生物膜;所述阳极室与所述好氧阴极室之间设有阳离子交换膜;所述阳极室与所述缺氧阴极室之间设有阴离子交换膜;所述阳离子交换膜与所述阴离子交换膜的两侧均设有集电金属网;所述集电金属网的两端分别通过导线相连通,所述导线上设有负载;所述好氧阴极室的底部设有曝气装置。
2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池,其特征在于:所述填料为活性炭、石墨或碳毡,所述填料的粒径为2mm-5mm;所述集电金属网为钛丝网或不锈钢丝网。
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:所述好氧阴极室和缺氧阴极室之间设有穿孔隔板。
4.根据权利要求1-3中任一所述的微生物燃料电池,其特征在于:所述负载为变阻箱或电能收集装置。
5.权利要求1-4中任一所述微生物燃料电池在废水处理中的应用。
6.根据权利要求5所述的应用,其特征在于:所述废水为含氮有机废水。
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