CN103117405B - 多功能反硝化微生物燃料电池 - Google Patents

多功能反硝化微生物燃料电池 Download PDF

Info

Publication number
CN103117405B
CN103117405B CN201310029031.5A CN201310029031A CN103117405B CN 103117405 B CN103117405 B CN 103117405B CN 201310029031 A CN201310029031 A CN 201310029031A CN 103117405 B CN103117405 B CN 103117405B
Authority
CN
China
Prior art keywords
anode
chamber
cathode chamber
biological
volume
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201310029031.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103117405A (zh
Inventor
郑平
张吉强
邢雅娟
王兰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN201310029031.5A priority Critical patent/CN103117405B/zh
Publication of CN103117405A publication Critical patent/CN103117405A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103117405B publication Critical patent/CN103117405B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
  • Purification Treatments By Anaerobic Or Anaerobic And Aerobic Bacteria Or Animals (AREA)

Abstract

本发明公开了一种多功能反硝化微生物燃料电池。它主要由阳极室、阴极室、膜组件和外电路系统组成，通过在阳极室中接种反硝化污泥，引入有机含氮废水作为燃料，阴极室引入氧化剂作为电子受体，反硝化菌降解有机含氮废水并释放电子，释放的电子被阴极室电子受体接收而产生电能，在此过程中，负载两端的输出电压与阳极液中有机物、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮浓度线性相关，可用于指示反硝化进程。本发明具有同步脱氮除碳、生物产电和反硝化进程指示等多种功能，克服了传统生物脱氮技术的缺点，能有效回收含氮废水中蕴含的能量，降低生物脱氮成本，并可以电信号指示生物脱氮过程，实现基于电信号的优化控制。

Description

多功能反硝化微生物燃料电池
技术领域
本发明涉及生物燃料电池，尤其涉及一种多功能反硝化微生物燃料电池。
背景技术
近年来实施“控源减排”后，我国有机污染得到有效遏制，氮磷污染上升为主要环境问题。氮磷所致的湖泊“水华”及近海“赤潮”频频发生，已危及农业、渔业、旅游业等诸多行业，并对饮水卫生和食品安全构成严重威胁。氮素污染控制迫在眉睫，刻不容缓。
在现有氮素污染治理技术中，生物脱氮因其相对经济性和高效性而成为目前的主流技术。然而，传统的生物脱氮技术也存在较多缺陷：含氮废水本身蕴含丰富能量，却仍需消耗大量电能来进行处理，废水中能源资源并未充分回收利用，废水处理费用较高；生物脱氮过程的监测多采用传统化学测试方法，费时费力，难以满足现场监测的需要，不便于根据实际运行状况进行优化调控。在能源危机和环境污染的双重压力下，传统生物脱氮技术已经难以满足可持续发展的要求，探索节能低耗的新型生物脱氮技术势在必行。
微生物燃料电池是一种以微生物为催化剂，将化学能直接转化为电能的装置，是一种新的清洁能源生产技术。因为废水中含有许多化学污染物，蕴藏着大量化学能，所以微生物燃料电池能以废水为燃料来产电。利用微生物燃料电池技术来处理废水，不仅可以治污，而且可以回收电能，它是废水处理技术的重大创新，已成为环境工程领域的研发热点。利用微生物燃料电池来处理有机废水，已取得了重大进展，无论是对低浓度的生活污水还是对高浓度的工业废水（淀粉废水、酿酒废水、造纸废水）和农业废水（猪场废水），都显示了较好的适应性，其容积负荷可达十几公斤，COD去除率可达90%以上，功率密度可达几十W/m3或几千mW/m2。但目前利用微生物燃料电池技术来进行生物脱氮的研发还凤毛麟角，若将MFC技术用于废水生物脱氮，则可望发掘生物脱氮的治污产电潜能，并可望以电信号指示脱氮过程，实现基于电信号的优化控制。
针对现有生物脱氮技术的诸多缺陷，本发明利用多功能反硝化微生物燃料电池技术来处理含氮废水，以含氮废水为燃料生产电能，可有效回收含氮废水中蕴含的能量，实现同步废水脱氮和生物产电；可利用电信号指示反硝化进程，进行实时在线监测，便于过程优化控制。试验证明，据此开发的多功能反硝化微生物燃料电池对低、中、高浓度的含氮废水均具有较好的适应性，容积脱氮速率高，产电效率高，指示功能强，并具有很高的运行稳定性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种多功能反硝化微生物燃料电池。
多功能反硝化微生物燃料电池包括进水管、生物阳极、反硝化污泥、阳极液、膜套管、出水管、阳极室、连接导线、负载、电压采集记录仪、阴极室、分隔膜、阴极液、化学阴极；阳极室下部侧壁设有进水管，阳极室上部侧壁设有出水管，阳极室内设有生物阳极，阳极室内部装有阳极液，阳极液中接种有反硝化污泥，生物阳极上附着有反硝化污泥，阴极室下部侧壁设有进水管，阴极室上部侧壁设有出水管，阴极室内设有化学阴极，阴极室内装有阴极液，阳极室通过膜套管与阴极室相连，膜套管上设有分隔膜，生物阳极和化学阴极分别通过连接导线与负载两端相连，负载并接有电压采集记录仪。
所述的阳极室的高径比为1~3:1，阴极室的高径比为1~3:1，阳极液的体积占阳极室体积的2/3～3/4，阴极液的体积占阴极室体积的2/3～3/4，反硝化污泥的体积占阳极液体积的1/10~1/3。
所述的阳极液含有有机物、硝酸盐氮或亚硝酸盐氮的废水，pH为6.5~7.8，阴极液为高锰酸盐、重铬酸钾、过硫酸盐、铁氰化物、过氧化氢或溶解氧与磷酸盐缓冲剂的混合溶液，pH为6.5~7.8。
所述的生物阳极和化学阴极的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板，生物阳极下端到阳极室底部之间间距为2~4cm，化学阴极下端到阴极室底部之间间距为2~4cm，生物阳极和化学阴极之间的距离为4~16cm，生物阳极的面积与阳极室的体积之比为9~40 m2:1 m3，化学阴极的面积与阴极室的体积之比为9~40 m2:1 m3。
所述的分隔膜的材料为阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜、双极膜、微滤膜或超滤膜，分隔膜的面积与阳极室的体积之比为3~25 m2:1 m3，分隔膜的面积与阴极室的体积之比为3~25 m2:1 m3，分隔膜与生物阳极之间的距离为1~8cm，分隔膜与化学阴极之间的距离为1~8cm。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：（1）以含氮废水为燃料生产电能，可有效回收含氮废水中蕴含的能量，实现同步废水脱氮和生物产电，降低生物脱氮成本。（2）对低、中、高浓度的含废水均具有较好的适应性，处理效果好，性能高效稳定。（3）电信号具有良好的指示作用，输出电压大小可反映阳极液中COD浓度、硝酸盐氮浓度或亚硝酸盐氮浓度变化，指示反硝化进程，输出电压突变点可判断反硝化终点，利用电信号指示反硝化进程，实时监测反应器运行状况，便于及时进行运行调控。实验室运试结果表明，多功能反硝化微生物燃料电池可处理COD为15000mg/L，硝酸盐氮浓度为3000 mg/L的高浓度含氮废水，其最大容积脱氮速率和最大容积COD去除速率分别可达1.33kgN/m3·d和5.36kgCOD/m3·d，最大电压达到1.014V，电信号与反硝化进程的线性相关系数高达0.996。
附图说明
图1是多功能反硝化微生物燃料电池结构示意图；
图中：进水管1、生物阳极2、反硝化污泥3、阳极液4、膜套管5、出水管6、阳极室7、连接导线8、负载9、电压采集记录仪10、阴极室11、分隔膜12、阴极液13、化学阴极14。
具体实施方式
如图1所示，多功能反硝化微生物燃料电池包括进水管1、生物阳极2、反硝化污泥3、阳极液4、膜套管5、出水管6、阳极室7、连接导线8、负载9、电压采集记录仪10、阴极室11、分隔膜12、阴极液13、化学阴极14；阳极室7下部侧壁设有进水管1，阳极室7上部侧壁设有出水管6，阳极室7内设有生物阳极2，阳极室7内部装有阳极液4，阳极液4中接种有反硝化污泥3，生物阳极2上附着有反硝化污泥3，阴极室11下部侧壁设有进水管1，阴极室11上部侧壁设有出水管6，阴极室11内设有化学阴极14，阴极室11内装有阴极液13，阳极室7通过膜套管5与阴极室11相连，膜套管5上设有分隔膜12，生物阳极7和化学阴极11分别通过连接导线8与负载9两端相连，负载9并接有电压采集记录仪10。
所述的阳极室7的高径比为1~3:1，阴极室11的高径比为1~3:1，阳极液4的体积占阳极室7体积的2/3～3/4，阴极液13的体积占阴极室11体积的2/3～3/4，反硝化污泥3的体积占阳极液4体积的1/10~1/3。
所述的阳极液4为含有有机物、硝酸盐氮或亚硝酸盐氮的废水，pH为6.5~7.8，阴极液13为高锰酸盐、重铬酸钾、过硫酸盐、铁氰化物、过氧化氢或溶解氧与磷酸盐缓冲剂的混合溶液，pH为6.5~7.8。
所述的生物阳极2和化学阴极14的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板，生物阳极2下端到阳极室7底部之间间距为2~4cm，化学阴极14下端到阴极室11底部之间间距为2~4cm，生物阳极2和化学阴极14之间的距离为4~16cm，生物阳极2的面积与阳极室7的体积之比为9~40 m2:1 m3，化学阴极14的面积与阴极室11的体积之比为9~40 m2:1 m3。
所述的分隔膜12的材料为阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜、双极膜、微滤膜或超滤膜，分隔膜12的面积与阳极室7的体积之比为3~25 m2:1 m3，分隔膜12的面积与阴极室11的体积之比为3~25 m2:1 m3，分隔膜12与生物阳极2之间的距离为1~8cm，分隔膜12与化学阴极14之间的距离为1~8cm。
反硝化污泥接种至阳极室内，含氮废水从进水管进入阳极室中，阴极室中加入阴极液，接通外电路系统。在反硝化细菌的作用下，废水中的有机物分解释放出电子，其中一部分电子被硝酸盐氮或亚硝酸盐氮接收，硝酸盐氮或亚硝酸盐氮被逐步还原为氮气，完成反硝化脱氮过程；另一部分电子经反硝化细菌电子传递链外泄至细胞外，被生物阳极接收，生物阳极接受的电子经连接导线和负载传递到阴极，电子被阴极液中的电子受体还原，完成产电过程；在此过程中，负载两端的输出电压被电压采集记录仪测量记录，通过输出电压的变化可监测反硝化进程，便于过程及时调控。

Claims (1)

1.一种多功能反硝化微生物燃料电池，其特征在于它包括进水管（1）、生物阳极（2）、反硝化污泥（3）、阳极液（4）、膜套管（5）、出水管（6）、阳极室（7）、连接导线（8）、负载（9）、电压采集记录仪（10）、阴极室（11）、分隔膜（12）、阴极液（13）、化学阴极（14）；阳极室（7）下部侧壁设有进水管（1），阳极室（7）上部侧壁设有出水管（6），阳极室（7）内设有生物阳极（2），阳极室（7）内部装有阳极液（4），阳极液（4）中接种有反硝化污泥（3），生物阳极（2）上附着有反硝化污泥（3），阴极室（11）下部侧壁设有进水管（1），阴极室（11）上部侧壁设有出水管（6），阴极室（11）内设有化学阴极（14），阴极室（11）内装有阴极液（13），阳极室（7）通过膜套管（5）与阴极室（11）相连，膜套管（5）上设有分隔膜（12），生物阳极（2）和化学阴极（14）分别通过连接导线（8）与负载（9）两端相连，负载（9）并接有电压采集记录仪（10）；所述的阳极室（7）的高径比为1~3:1，阴极室（11）的高径比为1~3:1，阳极液（4）的体积占阳极室（7）体积的2/3～3/4，阴极液（13）的体积占阴极室（11）体积的2/3～3/4，反硝化污泥（3）的体积占阳极液（4）体积的1/10~1/3；所述的阳极液（4）为含有有机物、硝酸盐氮或亚硝酸盐氮的废水，pH为6.5~7.8，阴极液（13）为高锰酸盐、重铬酸钾、过硫酸盐、铁氰化物、过氧化氢或溶解氧与磷酸盐缓冲剂的混合溶液，pH为6.5~7.8。
2.根据权利要求1所述的一种多功能反硝化微生物燃料电池，其特征在于所述的生物阳极（2）和化学阴极（14）的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板，生物阳极（2）下端到阳极室（7）底部之间间距为2~4cm，化学阴极（14）下端到阴极室（11）底部之间间距为2~4cm，生物阳极（2）和化学阴极（14）之间的距离为4~16cm，生物阳极（2）的面积与阳极室（7）的体积之比为9~40 m2:1 m3，化学阴极（14）的面积与阴极室（11）的体积之比为9~40 m2:1 m3。
3. 根据权利要求1所述的一种多功能反硝化微生物燃料电池，其特征在于所述的分隔膜（12）的材料为阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜、双极膜、微滤膜或超滤膜，分隔膜（12）的面积与阳极室（7）的体积之比为3~25 m2:1 m3，分隔膜（12）的面积与阴极室（11）的体积之比为3~25 m2:1 m3，分隔膜（12）与生物阳极（2）之间的距离为1~8cm，分隔膜（12）与化学阴极（14）之间的距离为1~8cm。
CN201310029031.5A 2013-01-25 2013-01-25 多功能反硝化微生物燃料电池 Expired - Fee Related CN103117405B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310029031.5A CN103117405B (zh) 2013-01-25 2013-01-25 多功能反硝化微生物燃料电池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310029031.5A CN103117405B (zh) 2013-01-25 2013-01-25 多功能反硝化微生物燃料电池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103117405A CN103117405A (zh) 2013-05-22
CN103117405B true CN103117405B (zh) 2014-11-19

Family

ID=48415716

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310029031.5A Expired - Fee Related CN103117405B (zh) 2013-01-25 2013-01-25 多功能反硝化微生物燃料电池

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103117405B (zh)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103872368B (zh) * 2014-01-24 2016-06-22 河海大学 交互式三室生物燃料电池装置及其应用于废水脱氮的方法
CN103887552B (zh) * 2014-04-02 2015-10-28 江苏省城市规划设计研究院 可实现同步硝化反硝化的无膜微生物燃料电池反应器
CN104064794B (zh) * 2014-07-14 2016-04-13 中国海洋大学 一种原位修复地下水硝酸盐污染的微生物燃料电池
CN105036326B (zh) * 2015-08-28 2017-09-19 浙江工商大学 一种具有直接电子转移机制的活性生物膜电极的制备方法
CN105470546B (zh) * 2016-01-04 2019-03-08 武汉理工大学 微生物燃料电池回收废水中硫的方法
CN106450398B (zh) * 2016-10-06 2019-02-19 浙江大学 快速建立微生物燃料电池硝化系统的方法
CN108565483B (zh) * 2018-05-30 2024-05-28 西安建筑科技大学 一种基于零价铁的同步脱氮除磷微生物燃料电池及脱氮除磷方法
CN108862837A (zh) * 2018-06-26 2018-11-23 北京工业大学 一种反硝化燃料电池耦合iem-uf氮富集组合膜硝化脱氮装置
CN108585383A (zh) * 2018-06-26 2018-09-28 北京工业大学 一种高效反硝化燃料电池耦合iem-uf组合膜脱氮装置
CN113697938B (zh) * 2021-08-27 2022-06-28 北京林业大学 一种微生物燃料电池装置及其耦合电活化过硫酸盐方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102324544A (zh) * 2011-09-05 2012-01-18 浙江工商大学 一种脱氮除硫微生物燃料电池
CN203179992U (zh) * 2013-01-25 2013-09-04 浙江大学 一种多功能反硝化微生物燃料电池

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102324544A (zh) * 2011-09-05 2012-01-18 浙江工商大学 一种脱氮除硫微生物燃料电池
CN203179992U (zh) * 2013-01-25 2013-09-04 浙江大学 一种多功能反硝化微生物燃料电池

Also Published As

Publication number Publication date
CN103117405A (zh) 2013-05-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103117405B (zh) 多功能反硝化微生物燃料电池
Hua et al. Microbial electrolysis cell as an emerging versatile technology: a review on its potential application, advance and challenge
Zhang et al. Submersible microbial desalination cell for simultaneous ammonia recovery and electricity production from anaerobic reactors containing high levels of ammonia
Zhang et al. Microbial electrolysis cells turning to be versatile technology: recent advances and future challenges
Feng et al. A horizontal plug flow and stackable pilot microbial fuel cell for municipal wastewater treatment
Jiang et al. A system combining microbial fuel cell with photobioreactor for continuous domestic wastewater treatment and bioelectricity generation
CN102290590B (zh) 一种生物阴极型微生物燃料电池
CN100468854C (zh) 微生物燃料电池及其处理啤酒废水的方法
CN103094597B (zh) 高效同步脱氮除碳微生物燃料电池
CN104600345B (zh) 一种连续流厌氧生物阴极微生物燃料电池
CN102324544B (zh) 一种脱氮除硫微生物燃料电池
CN108275776B (zh) 厌氧流化床串联人工湿地型微生物燃料电池装置及方法
Kim et al. Determination of optimum electrical connection mode for multi-electrode-embedded microbial fuel cells coupled with anaerobic digester for enhancement of swine wastewater treatment efficiency and energy recovery
CN108033546A (zh) 一种微生物燃料电池耦合膜生物反应器的污水处理及水质预警方法
Modin et al. Opportunities for microbial electrochemistry in municipal wastewater treatment–an overview
CN107964552B (zh) 一种厌氧消化与mfc耦合提高甲烷合成效率的方法
CN100380724C (zh) 从有机废水中发电的空气阴极生物燃料电池
Cao et al. Trickling filter in a biocathode microbial fuel cell for efficient wastewater treatment and energy production
Duţeanu et al. Microbial fuel cells–an option for wastewater treatment
CN103715444B (zh) 序批式电极反转微生物燃料电池及其应用
CN203179992U (zh) 一种多功能反硝化微生物燃料电池
CN203119032U (zh) 一种高效同步脱氮除碳微生物燃料电池
CN104577171A (zh) 一种设有外加磁场的高效除磷硝化微生物燃料电池
Waller et al. Review of microbial fuel cells for wastewater treatment: large-scale applications, future needs and current research gaps
He et al. Using microbial fuel cells to treat raw sludge and primary effluent for bioelectricity generation

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20141119

Termination date: 20190125

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee