CN103715444B - 序批式电极反转微生物燃料电池及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种序批式电极反转微生物燃料电池，属于环境工程中污水处理及资源化技术领域。该电池包括两个对称的SBR反应器，中间有垫片用于固定交换膜；每个SBR反应器作为半电池；电动机安装在SBR反应器的顶部；厌氧阶段和缺氧阶段通过电动机带动搅拌杆搅拌；好氧阶段通过位于SBR反应器底部的曝气头进行曝气，由位于SBR反应器液位以上的排气孔进行排气；以碳材料作为电极连接外电路；通过进水口进水，出水口出水。本发明的效果和益处是以SBR反应器为半电池，运行灵活；产电菌生物膜催化阴阳极反应，降解污染物，产生电能；极室序批运行而造成电极极性反转，减缓pH梯度造成的过电势；好氧段可抑制产甲烷菌的生长，提高电能回收率；厌氧好氧段可实现对磷去除。
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，特别涉及电极厌氧/好氧/缺氧序批运行而极性反转的微生物燃料电池，产电同步去除碳氮磷的污水处理方法。
背景技术
我国面临水资源短缺和水污染严重的双重压力，中水回用是解决该问题的有效手段之一，SBR反应器采用时间分割代替空间分割的方式，集生物降解、沉淀等功能于一池，构造简单，运行灵活，具有脱氮除磷效果，且利于污水处理厂的扩建和改造。
随着全球人口和经济规模的不断增长，化石能源使用带来的环境问题也愈发严重。发展以低碳能源为特征的新型能源来逐步替代传统能源，是解决化石能源枯竭和环境污染问题的重要途径。生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，是具有广泛使用价值的新能源。微生物燃料电池技术是将废水看作是能源与资源的载体，利用有机污染物作为燃料，将生物质能进一步转化为最清洁的能源—电能，实现废水处理和电能产生的统一，可在技术上支持和推动“低碳经济”的发展。
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，微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）生物阴极负载的微生物可以直接以电极作为电子供体，以硝酸盐或亚硝酸盐作为最终电子受体，进行反硝化，可以提高低碳氮比废水的脱氮效率。Clauwaert等首次研究了生物阴极对于硝酸盐的还原作用，发现电极可以作为电子供体在微生物的作用下实现硝酸盐的完全反硝化，拓宽了微生物燃料电池所能转化去除的污染物范畴。Virdis等研究了生物阴极微生物燃料电池同时脱氮除碳，在阴极，通过外加硝化反应器或者在线曝气实现同步硝化反硝化，实现氮污染物的去除，该研究组提出了阴极生物膜的分层，对于同步硝化反硝化实现氮化合物的去除起决定性的作用。
然而，微生物燃料电池作为一种独立的污水处理技术很难满足日益严格的出水标准，所以各种各样的MFC耦合其他水处理技术不断涌现，如MFC-MBR，MFC-RBC等。MFC-SBR的耦合技术也有相应的研究，Liu等将一个MFC反应器放置于一个活性污泥系统（SBR）中，整个SBR反应器作为阴极室，水流依次经过MFC，进入阴极室（SBR），最终形成出水。显然，该系统并没有实现真正意义上的耦合，而是两种反应器物理意义上的简单相加堆叠。
Cheng等研究发现，MFC中驯化培养的阳极生物膜不仅可以很好地完成有机物的氧化，向电极传递电子（阳极反应），而且在向这些生物膜提供电子受体时（氧气或者硝酸氮），可以实现从电极上接受电子，进行还原反应（阴极反应）。也就是说，同一生物膜在不同条件下可以催化两种截然不同的氧化还原反应，实现方向相反的电子（电流）传递方向。该方法可以缓解传统微生物燃料电池由于长期运行而产生的pH梯度，从而可以降低由此而产生的氧化还原反应过电势，提高微生物燃料电池的产电效率。生物阴极的生物膜和阳极电活性菌生物膜的菌落组成相似性也说明了催化这两种反应的菌落可能是同一组细菌。
发明内容
本发明目的是提供一种极室序批运行的微生物燃料电池，用于回收电能，同时完成碳氮磷污染物的去除。用该方法设计及建造的序批式电极反转微生物燃料电池，不仅可以抑制产甲烷菌的生长，减缓pH梯度，催化阴阳极反应，提高MFC的效率；而且可以在一个周期内，厌氧段释磷，好氧段吸磷，实现磷的去除。该发明有利于促进水污染控制技术的节能降耗、实现可持续发展。
本发明采用的技术方案是：
一种序批式电极反转微生物燃料电池，该电池包括两个对称的SBR反应器，两个对称的SBR反应器的中间有垫片用于固定交换膜，且防止漏水；每个SBR反应器作为半电池，经历厌氧阶段、好氧阶段和缺氧阶段，电动机安装在反应器顶部，厌氧阶段和缺氧阶段通过电动机带动搅拌杆搅拌；好氧阶段通过位于SBR反应器底部的曝气头进行曝气，由位于SBR反应器液位以上的排气孔进行排气；两个对称的SBR反应器的序批差异使两个对称的SBR反应器之间存在电势差异，以碳材料作为电极连接外电路，产生电流；序批式电极反转微生物燃料电池通过进水口进水，出水口出水。所述的电极在厌氧阶段为阳极，在好氧阶段和缺氧阶段为阴极。
所述的序批式电极反转微生物燃料电池可以用于污水处理厂或现有SBR工艺的改造升级。
电池的启动运行：两个SBR半电池作为阳极，首先按照传统的微生物燃料电池运行，驯化挂膜，培养电化学活性菌，以产电电压作为指示参数，电压稳定后，认为驯化成熟；将两个驯化成熟的SBR半电池按照前述构造组装，时序设置为错时运行，一面的厌氧段对应另一面的好氧段或缺氧段，反之亦然。在组装运行的同时，每个SBR加入活性污泥。厌氧段为阳极阶段，电化学活性菌以废水中有机物作为燃料，产生质子和电子，分别通过交换膜和外电路迁移到对电极室，同时活性污泥释磷。好氧段电极极性发生反转，变为阴极，氧气作为电子受体，同时活性污泥将氨氮转化为硝酸氮，活性污泥吸磷；缺氧段的极性为阴极，前一阶段转化而来的硝酸氮作为电子受体，反硝化脱氮，自此完成一个周期内的主要功能。一个周期包括进水、厌氧、好氧、缺氧、沉淀和出水。根据水质和运行条件（如HRT，交换比等）不同，反应器时段可以灵活的调整。
本发明的效果和益处是本发明以SBR反应器为半电池，运行参数（周期、交换比等）可以灵活的调整；产电菌生物膜催化阴阳极反应，降解污染物，产生电能，降低污水处理成本；极室序批运行而造成电极极性反转，一个周期内阴阳极反应可以在同一个极室中进行，减缓pH梯度而造成的过电势，提高MFC的效率；好氧段可以抑制产甲烷菌的生长，增加库伦效率；厌氧段释磷好氧段吸磷可以通过排泥实现对磷去除。该方法有利于促进水污染控制技术的节能降耗、实现可持续发展。
本发明的序批式电极反转微生物燃料电池构造简单，运行灵活，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
附图是序批式电极反转微生物燃料电池示意图。
图中：1外电路；2电动机；3排气孔；4垫片；5搅拌杆；6交换膜；7采样口或出水口；8电极；9曝气头；10进水口。
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
一种序批式电极反转微生物燃料电池，电池的构造：该电池包括两个对称的SBR反应器，两个对称的SBR反应器的中间有垫片用于固定阳离子交换膜，且防止漏水；每个SBR反应器作为半电池，经历厌氧，好氧和缺氧段，电动机安装在反应器顶部，厌氧阶段和缺氧阶段通过电动机带动搅拌杆搅拌；好氧阶段通过位于SBR反应器底部的曝气头进行曝气，由位于SBR反应器液位以上的排气孔进行排气；两个对称的SBR反应器的序批差异使两个对称的SBR反应器之间存在电势差异，以碳毡作为电极连接外电路，产生电流；序批式电极反转微生物燃料电池通过进水口进水，出水口出水。所述的厌氧段包括进水时段，所述的缺氧段包含沉淀和出水时段。以处理生活污水水量按1000m3/d计，COD浓度为300mg/L，TN浓度为50mg/L为例。设计序批式电极反转微生物燃料电池HRT约为12h，每个SBR反应器容积250m3。具体尺寸为：长10，宽5m，有效水深5m，超高1m，总高6米。交换膜宽10m，高5m；滗水器最低位置距池底2.5m，即设置交换比为50%，一个运行周期为6h。碳毡附于四壁作为电极，且用导线连接于外电路通过电器元件（电阻或电容）与另一极室电极相连，池底铺设曝气设施。
反应器启动：反应器用成熟的产电菌接种（或离线驯化，待产电稳定后，移植到SBR反应器中）和投加用于脱氮除磷的活性污泥。两边分别进水，一边常规进水，首先经过一段厌氧阶段；另一边反应器进不含有机物但含氨氮的废水，曝气启动，以后进常规废水。在线监测电压，pH，氧化还原电位和DO。
实际污水集中储存在蓄水池中，由进水泵从池底进水口10以250m3/h的流量进水。在一面，水中一部分易降解的有机物在附着于碳毡电极上电化学活性菌的作用下用于产电，作为阳极；另一面，曝气（氧气为电子受体）或缺氧（硝氮为电子受体），与外电路提供电子反应，实现氧气还原产电或者反硝化自养脱氮产电。同时整个周期活性污泥释磷吸磷，经过一个周期的生物降解后，最终完成碳氮磷的去除。
Claims (5)
1.一种序批式电极反转微生物燃料电池，其特征为：该电池包括两个对称的SBR反应器，两个对称的SBR反应器的中间有垫片用于固定交换膜；每个SBR反应器作为半电池，经历厌氧阶段、好氧阶段和缺氧阶段，电动机安装在SBR反应器的顶部，其中，厌氧阶段和缺氧阶段通过电动机带动搅拌杆搅拌；好氧阶段通过位于SBR反应器底部的曝气头进行曝气，由位于SBR反应器液位以上的排气孔进行排气；以碳材料作为电极连接外电路，产生电流；序批式电极反转微生物燃料电池通过进水口进水，出水口出水；所述的电极在厌氧阶段为阳极，在好氧阶段和缺氧阶段为阴极。
2.根据权利要求1所述的一种序批式电极反转微生物燃料电池，其特征在于：所述的碳材料为碳毡。
3.根据权利要求1或2所述的一种序批式电极反转微生物燃料电池，其特征在于：所述的交换膜为阳离子交换膜。
4.权利要求1或2所述的序批式电极反转微生物燃料电池的应用，其特征在于：所述的序批式电极反转微生物燃料电池用于污水处理厂或SBR工艺的改造升级。
5.权利要求3所述的序批式电极反转微生物燃料电池的应用，其特征在于：所述的序批式电极反转微生物燃料电池用于污水处理厂或SBR工艺的改造升级。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| 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 | ||
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Granted publication date: 20151014 Termination date: 20181125 |