CN102324544B - 一种脱氮除硫微生物燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脱氮除硫微生物燃料电池。现有微生物燃料电池存在各式缺点。本发明包括恒温搅拌系统、反应系统和数据采集监测系统，恒温搅拌系统设有恒温磁力搅拌器和磁力搅拌子；反应系统设有阳极室、阴极室和质子交换膜，阳、阴极室侧面均设有进水管和出水管，顶部均设有导线固定管、取样管和参比电极固定管，阳极室内装有产电基质，产电基质中浸有游离脱氮除硫微生物和附着脱氮除硫微生物的挂膜阳极，阴极室内装有阴极电解液，阴极电解液中浸有阴极，阳、阴极室之间设有质子交换膜；数据采集监测系统设有负载、数据采集器和电脑。本发明装置可连续运行，无需曝气，无需外加中介体，能够实现同步废水脱氮除硫和产电功能。

Description

一种脱氮除硫微生物燃料电池
技术领域
本发明涉及一种生物燃料电池，尤其是一种脱氮除硫微生物燃料电池。
背景技术
微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)是以微生物作为催化剂，将化学能直接转化成电能的装置。它不再单纯将废水的污染物质作为处理对象，而是看作是一种能量来源。用MFC处理工艺，不仅净化了污水，而且可以获得额外的能量，此外，它还具有能量转化率高，可在常温、常压下运行等优点。因此近年来，MFC处理工艺日益受到关注，成为环保领域的前沿课题和研究热点，具有不可估量的发展潜力。
其具体工作过程为：阳极室内的微生物代谢基质，产生电子和质子。电子直接或间接(通过中介体)传递到阳极，再经由外电路到达阴极。质子则通过膜渗透到阴极室。在阴极室内，质子、电子和电子受体反应生成水。阴阳两极之间存在电位差，从而产生可捕获的电能。目前绝大多数微生物燃料电池以有机物为产电基质，产电微生物为兼性厌氧菌，电池构型通常分为双室和单室两类。这些微生物燃料电池存在以下缺点：(1)在已发现的兼性厌氧产电菌中，除腐败希瓦氏菌、铁还原红螺菌、地杆菌等几种细菌外，其余产电菌的电子传递效率很低，需要额外添加中性红、2,6-蒽醌等电子中介体来强化电子传递，中介体大多有毒且价格较高；(2)产电基质为有机物，电导率低，电池内阻大，产电效率低，有时需要额外添加无机离子以增强其导电性；(3)运行方式以间歇运行为主，运行周期内闭路电压变化较大，不能稳定输出。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种脱氮除硫微生物燃料电池。
本发明的生物燃料电池包括恒温搅拌系统、反应系统和数据采集监测系统。
恒温搅拌系统包括恒温磁力搅拌器和磁力搅拌子；
反应系统包括阳极反应室、阴极反应室和质子交换膜；所述的阳极反应室和阴极反应室均为一面开放、五面封闭的方形箱体，阳极反应室开放的一面与阴极反应室开放的一面对应，阳极反应室和阴极反应室开放面之间设有密封圈并通过法兰连接，质子交换膜用密封圈固定在阳极反应室和阴极反应室之间；阳极反应室和阴极反应室设置有磁力搅拌子；
阳极反应室的一侧设有阳极进水管和阳极出水管，阳极反应室内装有产电基质，产电基质中浸有脱氮除硫微生物和附着脱氮除硫微生物的挂膜阳极，所述的挂膜阳极表面附着有脱氮除硫生物膜，阳极反应室顶部设有阳极导线固定管、阳极取样管和阳极参比电极固定管；
阴极反应室的一侧设有阴极进水管和阴极出水管，阴极反应室内装有阴极电解液，阴极电解液中浸有阴极，阴极反应室顶部设有阴极导线固定管、阴极取样管和阴极参比电极固定管；
数据采集监测系统包括负载、数据采集器和电脑，负载两端通过导线分别与挂膜阳极和阴极连接，数据采集器采集负载两端的电信号，电脑与数据采集器连接，处理数据采集器采集的电信号。
所述的产电基质为含有硫化物和硝酸盐，或硫化物和亚硝酸盐的废水，pH值为7.0～7.5。
所述的阳极反应室和阴极反应室的长宽高比均为1～2∶1∶1～3；阳极反应室内的产电基质体积为阳极反应室体积的2/3～3/4，产电基质内的脱氮除硫微生物体积为产电基质体积的1/3～1/5；阴极反应室内的阴极电解液体积为阴极反应室体积的2/3～3/4。
所述的挂膜阳极和阴极的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡、石墨板中的一种，挂膜阳极和阴极之间的距离为3～6cm，阳极反应室内的挂膜阳极的表面积与阳极反应室体积之比为9～40m2∶1m3，阴极反应室内的阴极的表面积与阴极反应室体积之比为9～40m2∶1m3。
本发明以脱氮除硫微生物为产电微生物，无需添加电子中介体；以含有硫化物和硝酸盐(或亚硝酸盐)的废水为产电基质，可以连续运行，无需外加曝气装置，无需投加电子中介体，既可同时去除硫化物和硝酸盐(或亚硝酸盐)，又能产生稳定的电能。
本发明具有以下有益效果：(1)利用脱氮除硫微生物进行废水处理和生物产电，可实现废水污染控制和电能生产同时进行；(2)产电基质为无机离子，电池内阻低，电池性能好，产电效率高；(3)运行方式为连续进出水，不仅便于运行和管理，而且可输出稳定的电能。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
其中：恒温磁力搅拌器1、磁力搅拌子2、阳极进水管3、脱氮除硫微生物4、阳极出水管5、阳极反应室6、产电基质7、挂膜阳极8、阳极取样口9、阳极导线固定管10、阳极参比电极固定管11、导线12、密封圈13、负载14、质子交换膜15、阴极取样管16、阴极导线固定管17、阴极参比电极固定管18、阴极19、阴极电解液20、阴极出水管21、阴极反应室22、阴极进水管23、数据采集器24、电脑25。
具体实施方式
如图1所示，一种脱氮除硫微生物燃料电池包括恒温搅拌系统、反应系统和数据采集监测系统。
恒温搅拌系统包括恒温磁力搅拌器1和磁力搅拌子2。
反应系统包括阳极反应室6、阴极反应室23和质子交换膜15，阳极反应室6和阴极反应室23均为一面开放、五面封闭的方形箱体，方形箱体的长宽高比均为1～2∶1∶1～3。阳极反应室6开放的一面与阴极反应室23开放的一面对应，阳极反应室23和阴极反应室6开放面之间设有密封圈13并通过法兰连接，质子交换膜15用密封圈13固定在阳极反应室23和阴极反应室6之间；阳极反应室23和阴极反应室6设置有磁力搅拌子2。
阳极反应室6的一侧设有阳极进水管3和阳极出水管5。阳极反应室6内装有产电基质7，产电基质7为含有硫化物和硝酸盐(或亚硝酸盐)的废水，pH值为7.0～7.5，产电基质7体积为阳极反应室6体积的2/3～3/4。产电基质7中浸有脱氮除硫微生物4和附着脱氮除硫微生物的挂膜阳极8。脱氮除硫微生物4体积为产电基质7体积的1/3～1/5。挂膜阳极8的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡、石墨板中的一种，表面附着有脱氮除硫生物膜，挂膜阳极8的表面积与阳极反应室6体积之比为9～40m2∶1m3。阳极反应室6顶部设有阳极导线固定管10、阳极取样管9和阳极参比电极固定管11。
阴极反应室22一侧设有阴极进水管23和阴极出水管21，阴极反应室23内装有阴极电解液20，阴极电解液20体积为阴极反应室23体积的2/3～3/4。阴极电解液20中浸有阴极19，阴极19的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡、石墨板中的一种，阴极19的表面积与阴极反应室23体积之比为9～40m2∶1m3，阴极19与挂膜阳极8之间的距离为3～6cm。阴极反应室23顶部设有阴极导线固定管17、阴极取样管16和阴极参比电极固定管18。
数据采集监测系统包括负载14、数据采集器24和电脑25，负载14两端通过导线12分别与挂膜阳极8和阴极19连接，数据采集器24采集负载14两端的电信号，电脑25与数据采集器24连接，处理数据采集器24采集的电信号。
工作时，开启恒温磁力搅拌器，带动磁力搅拌子，使阳极反应室中脱氮除硫微生物与产电基质充分接触，将阴极反应室中阴极电解液混合均匀。将含有硫化物和硝酸盐(或亚硝酸盐)的废水从阳极进水管连续泵入阳极反应室内。在脱氮除硫微生物作用下，产电基质硫化物被氧化为单质硫，硝酸盐(或亚硝酸盐)被还原为氮气，处理后废水经阳极出水管排出。将阴极电解液从阴极进水管泵入阴极反应室中，多余阴极电解液从阴极出水管回流，阴极电解液可重复使用。在脱氮除硫过程中释放的电子由挂膜阳极收集并通过外电路导线传递到阴极。反应系统产生的电信号被数据采集器收集，并传输到连线电脑中，通过电信号变化可同时监测反应系统的运行情况，便于过程及时调控。

Claims (5)

1.一种脱氮除硫微生物燃料电池，包括恒温搅拌系统、反应系统和数据采集监测系统，其特征在于：
所述的恒温搅拌系统包括恒温磁力搅拌器和磁力搅拌子；
所述的反应系统包括阳极反应室、阴极反应室和质子交换膜；所述的阳极反应室和阴极反应室均为一面开放、五面封闭的方形箱体，阳极反应室开放的一面与阴极反应室开放的一面对应，阳极反应室和阴极反应室开放面之间设有密封圈并通过法兰连接，质子交换膜用密封圈固定在阳极反应室和阴极反应室之间；阳极反应室和阴极反应室设置有磁力搅拌子；
阳极反应室的一侧设有阳极进水管和阳极出水管，阳极反应室内装有产电基质，产电基质中浸有脱氮除硫微生物和附着脱氮除硫微生物的挂膜阳极，所述的挂膜阳极表面附着有脱氮除硫生物膜，阳极反应室顶部设有阳极导线固定管、阳极取样管和阳极参比电极固定管；所述的产电基质为含有硫化物和硝酸盐，或硫化物和亚硝酸盐的废水，pH值为7.0～7.5；
阴极反应室的一侧设有阴极进水管和阴极出水管，阴极反应室内装有阴极电解液，阴极电解液中浸有阴极，阴极反应室顶部设有阴极导线固定管、阴极取样管和阴极参比电极固定管；
所述的数据采集监测系统包括负载、数据采集器和电脑，负载两端通过导线分别与挂膜阳极和阴极连接，数据采集器采集负载两端的电信号，电脑与数据采集器连接，处理数据采集器采集的电信号。
2.如权利要求1所述的一种脱氮除硫微生物燃料电池，其特征在于：所述的阳极反应室和阴极反应室的长宽高比均为1～2∶1∶1～3。
3.如权利要求1所述的一种脱氮除硫微生物燃料电池，其特征在于：阳极反应室内的产电基质体积为阳极反应室体积的2/3～3/4，产电基质内的脱氮除硫微生物体积为产电基质体积的1/3～1/5；阴极反应室内的阴极电解液体积为阴极反应室体积的2/3～3/4。
4.如权利要求1所述的一种脱氮除硫微生物燃料电池，其特征在于：所述的挂膜阳极和阴极的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡、石墨板中的一种，挂膜阳极和阴极之间的距离为3～6cm。
5.如权利要求1所述的一种脱氮除硫微生物燃料电池，其特征在于：阳极反应室内的挂膜阳极的表面积与阳极反应室体积之比为9～40m2∶1m3，阴极反应室内的阴极的表面积与阴极反应室体积之比为9～40m2∶1m3。
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