CN103123977A

CN103123977A - 一种同步脱氮除磷微生物燃料电池

Info

Publication number: CN103123977A
Application number: CN2013100728616A
Authority: CN
Inventors: 蔡靖; 罗涛; 孙培德; 郭茂新; 楼菊青; 方婧; 宋英琦
Original assignee: Zhejiang Gongshang University
Current assignee: Zhejiang Outuo Electrical Co ltd
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2033-03-07
Also published as: CN103123977B

Abstract

本发明公开了一种同步脱氮除磷微生物燃料电池。本发明包括恒温搅拌系统、反应系统和数据采集监测系统。恒温搅拌系统包括恒温磁力搅拌器和磁力搅拌子；反应系统包括阴极反应室、阳极反应室和质子交换膜，阴极、阳极反应室分别设有进水管和出水管，阴极、阳极反应室内设有阴极、阳极产电基质，产电基质中浸有活性污泥和附着该活性污泥的挂膜阴极、挂膜阳极，阴极、阳极反应室顶部均设有导线固定管、取样管和参比电极固定管，阴极反应室的出水管与外置曝气装置相连；质子交换膜固定在阳极、阳极反应室之间。数据采集监测系统包括负载、导线、数据采集器和计算机。本发明可连续或间歇运行，无需投加电子中介体，能够实现同步脱氮除磷和生物产电功能。

Description

一种同步脱氮除磷微生物燃料电池

技术领域

本发明属于生物燃料电池技术领域，尤其涉及一种同步脱氮除磷微生物燃料电池。

背景技术

氮、磷过量排放引起的水体富营养化是当前国家政府和公众最为关注的环境问题之一。中国农科院最新研究结果显示，我国水污染的核心问题就是水体的氮、磷富营养化。目前，随着有机碳污染治理已经从技术上基本解决，同步生物脱氮除磷工艺成为废水生物处理技术研究的热点。同步生物脱氮除磷工艺可通过A（缺氧）/O（好氧）工艺实现。废水和回流污泥先进入缺氧池，与此同时，后续反应器内已充分反应的硝化液也部分回流到缺氧池。缺氧池内的反硝化菌以废水中有机物作为电子供体，以回流液中硝酸盐作为电子受体，将硝酸盐还原为氮气，聚磷菌在缺氧条件下，将菌体内积累的磷分解，释放到环境中；之后，混合液进入好氧池，硝化菌完成硝化反应，聚磷菌则过量吸磷，有机物也得到氧化分解，从而实现同步脱氮除磷效果。

微生物燃料电池（Microbial fuel cell, MFC）是一种以酶或微生物作为催化剂，将化学能直接转化成电能的装置。采用MFC处理废水，不仅是废水处理理念的更新，也是废水处理技术的创新。它不单纯将废水中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，不仅净化了废水，而且获得了能量；还具有能量转化率高，可在常温常压下运行等优点。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。

以葡萄糖作为基质的MFC为例，其阳极和阴极反应如下式所示：

阳极反应　C₆H₁₂O₆ + 6H₂O → 6CO₂ + 24 e^- + 24H⁺

阴极反应　6O₂ + 24e^- + 24H⁺ → 12H₂O

其具体工作过程为：阳极室内的微生物代谢葡萄糖，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。阴阳两级之间存在电位差，从而产生可捕获的电能。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种同步脱氮除磷微生物燃料电池。

本发明包括恒温搅拌系统、反应系统和数据采集监测系统，恒温搅拌系统包括恒温磁力搅拌器和磁力搅拌子；反应系统包括阴极反应室、阳极反应室和质子交换膜。阴极反应室设有阴极进水管和阴极出水管，阳极反应室设有阳极进水管和阳极出水管。阴极反应室内装有阴极产电基质，阴极产电基质中浸有活性污泥和附着该活性污泥的挂膜阴极，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，阴极出水管与外置曝气装置管路相连，外置曝气装置的出水口与蠕动泵的一端管路相连；蠕动泵的另一端与阴极进水管管路连接。阳极反应室内装有阳极产电基质，阳极产电基质中浸有活性污泥和附着该活性污泥的挂膜阳极，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；阴极反应室和阳极反应室之间设置有质子交换膜，质子交换膜外围设置有密封圈，防止阴极产电基质和阳极产电基质泄漏。数据采集监测系统包括负载、导线、数据采集器和计算机，负载两端通过导线分别与挂膜阴极和挂膜阳极相连；同时负载两端通过导线与数据采集器的输入端相连接，数据采集器的输出端与计算机输入端相连接。

所述的活性污泥为具有脱氮除磷功能的活性污泥。

所述的阳极产电基质为含有有机物、氨氮和磷酸盐的废水，pH值为7.0～7.5。

所述的阴极反应室和阳极反应室高径比为1～3:1，阴极产电基质体积占阴极反应室体积的2/3～3/4，阳极产电基质体积占阳极反应室体积的2/3～3/4，具有脱氮除磷功能的活性污泥体积占产电基质体积的1/3～1/5。

所述的挂膜阴极和挂膜阳极的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板，挂膜阴极和挂膜阳极表面附着有具有脱氮除磷功能的生物膜，挂膜阴极和挂膜阳极之间的距离为3～6cm，挂膜阴极或挂膜阳极面积与阴极反应室或阳极反应室体积之比为9～40 m²:1 m³。

所述的数据采集器为普通数据采集器。

本发明具有的有益效果：

（1）本发明利用具有脱氮除磷功能的活性污泥进行废水处理和生物产电，无需添加电子中介体；可实现废水污染控制和电能生产同时进行；

（2）本发明产电基质为无机离子为主，电池内阻低，电池性能好，产电效率高；

（3）本发明以含有有机物、氨氮和磷酸盐的废水为产电基质，运行方式为连续或间歇进出水，既可同时去除有机物、氨氮和磷酸盐，而且可输出稳定的电能，便于运行和管理。

附图说明

图1 是一种同步脱氮除磷微生物燃料电池结构示意图。

其中：恒温磁力搅拌器1、磁力搅拌子2、蠕动泵3、外置曝气装置4、阴极进水管5、活性污泥6、阴极出水管7、阴极反应室8、阴极产电基质9、挂膜阴极10、阴极取样管11、阴极导线固定管12、阴极参比电极固定管13、导线14、负载15、质子交换膜16、阳极取样管17、阳极导线固定管18、阳极参比电极固定管19、挂膜阳极20、阳极产电基质21、阳极出水管22、阳极反应室23、阳极进水管24、数据采集器25、计算机26。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种同步脱氮除磷微生物燃料电池，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；反应系统包括阴极反应室8、阳极反应室23和质子交换膜16。阴极反应室8设有阴极进水管5和阴极出水管7，阳极反应室23设有阳极进水管24和阳极出水管22。阴极反应室8内装有阴极产电基质9，阴极产电基质9中浸有活性污泥6和附着该活性污泥的挂膜阴极10，阴极反应室8顶部设有阴极导线固定管12、阴极取样管11和阴极参比电极固定管13，阴极出水管7与外置曝气装置4管路相连，外置曝气装置4的出水口与蠕动泵3的一端管路相连；蠕动泵3的另一端与阴极进水管5管路连接。阳极反应室23内装有阳极产电基质21，阳极产电基质21中浸有活性污泥6和附着该活性污泥的挂膜阳极20，阳极反应室23顶部设有阳极导线固定管18、阳极取样管17和阳极参比电极固定管19；阴极反应室8和阳极反应室23之间设置有质子交换膜16，质子交换膜16外围设置有密封圈，防止阴极产电基质9和阳极产电基质21泄漏。数据采集监测系统包括负载15、导线14 、数据采集器25和计算机26，负载15两端通过导线14分别与挂膜阴极10和挂膜阳极20相连；同时负载15两端通过导线14与数据采集器25的输入端相连接，数据采集器25的输出端与计算机26输入端相连接。

所述的活性污泥6为具有脱氮除磷功能的活性污泥。

所述的阴极反应室8和阳极反应室23高径比为1～3:1，阴极产电基质体积占阴极反应室体积的2/3～3/4，阳极产电基质体积占阳极反应室体积的2/3～3/4，具有脱氮除磷功能的活性污泥体积占产电基质体积的1/3～1/5。

所述的挂膜阴极和挂膜阳极的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板，挂膜阴极和挂膜阳极表面附着有具有脱氮除磷功能的生物膜，挂膜阴极和挂膜阳极之间的距离为3～6cm，挂膜阴极或挂膜阳极面积与阴极反应室8或阳极反应室23体积之比为9～40 m²:1 m³。

所述的数据采集器25为普通数据采集器。

本发明工作过程如下：

将含有有机物、氨氮和磷酸盐的废水连续泵入阳极反应室内，并回流阴极反应基质至阳极反应室内。活性污泥中反硝化菌氧化废水中有机物，将回流液中硝酸盐还原为氮气，活性污泥中聚磷菌分解其体内的聚磷酸盐，并释放磷酸盐；然后来自阳极反应室的富含磷酸盐和氨氮的泥水混合物进入阴极反应室内，氧气由外置曝气装置提供。活性污泥中硝化菌将氨氮氧化为硝酸盐，而活性污泥中聚磷菌将磷酸盐过量吸收，有机物也得到氧化分解，从而实现同步脱氮除磷效果。在这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挂膜阴极。反应系统产生的电信号被数据采集器收集，并传输到计算机中，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

1. 一种同步脱氮除磷微生物燃料电池，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：

恒温搅拌系统包括恒温磁力搅拌器（1）和磁力搅拌子（2）；反应系统包括阴极反应室（8）、阳极反应室（23）和质子交换膜（16）；阴极反应室（8）设有阴极进水管（5）和阴极出水管（7），阳极反应室（23）设有阳极进水管（24）和阳极出水管（22）；阴极反应室（8）内装有阴极产电基质（9），阴极产电基质（9）中浸有活性污泥（6）和附着该活性污泥的挂膜阴极（10），阴极反应室（8）顶部设有阴极导线固定管（12）、阴极取样管（11）和阴极参比电极固定管（13），阴极出水管（7）与外置曝气装置（4）管路相连，外置曝气装置（4）的出水口与蠕动泵（3）的一端管路相连；蠕动泵（3）的另一端与阴极进水管（5）管路连接。

2.阳极反应室（23）内装有阳极产电基质（21），阳极产电基质（21）中浸有微生物（6）和附着该微生物的挂膜阳极（20），阳极反应室（23）顶部设有阳极导线固定管（18）、阳极取样管（17）和阳极参比电极固定管（19）；阴极反应室（8）和阳极反应室（23）之间设置有质子交换膜（16），质子交换膜（16）外围设置有密封圈，防止阴极产电基质（9）和阳极产电基质（21）泄漏。

3.数据采集监测系统包括负载（15）、导线（14）、数据采集器（25）和计算机（26），负载（15）两端通过导线（14）分别与挂膜阴极（10）和挂膜阳极（20）相连；同时负载（15）两端通过导线（14）与数据采集器（25）的输入端相连接，数据采集器（25）的输出端与计算机（26）输入端相连接。

4.根据权利要求1所述的一种同步脱氮除磷微生物燃料电池，其特征在于所述的阳极产电基质（21）为含有有机物、氨氮和磷酸盐的废水，pH值为7.0～7.5。

5.根据权利要求1所述的一种同步脱氮除磷微生物燃料电池，其特征在于所述的阴极反应室（8）和阳极反应室（23）高径比为1～3:1，阴极产电基质（9）体积占阴极反应室（8）体积的2/3～3/4，阳极产电基质（21）体积占阳极反应室（23）体积的2/3～3/4，微生物（6）体积占阴极产电基质（9）或阳极产电基质（21）体积的1/3～1/5。

6.根据权利要求1所述的一种同步脱氮除磷微生物燃料电池，其特征在于所述的挂膜阴极（10）和挂膜阳极（20）的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板，挂膜阴极（10）和挂膜阳极（20）表面附着有具有脱氮除磷功能的生物膜，挂膜阴极（10）和挂膜阳极（20）之间的距离为3～6cm，挂膜阴极（10）或挂膜阳极（20）面积与阴极反应室（8）或阳极反应室（23）的体积之比为9～40 m²:1 m³。