CN104505529B - 藻菌协同生态型微生物燃料电池及利用其净水产电的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种藻菌协同生态型微生物燃料电池及利用其净水产电的方法。所述燃料电池由燃料电池池体、进水布水系统、厌氧反应区、湿地型生态阳极区和藻菌共生阴极区构成。本发明在基质中添加阳离子交换树脂，湿地基质采用麦秆生物炭，提高导电性能，降低内阻；构建藻类生态阴极节能低碳；在阳极区的下层增加深度厌氧区，适应较高浓度COD的污水进水，增加电池体的高度，提高电池的电效能。本发明将生态湿地与微生物燃料电池结合，构造成湿地生态型阳极和藻菌共生释放氧气的生态阴极，形成生态型微生物燃料电池，实现污水处理与能源回收。

Description

藻菌协同生态型微生物燃料电池及利用其净水产电的方法

技术领域

本发明属于环保清洁能源领域，涉及一种利用藻菌协同生态系统处理污水的同步回收能源装置及利用其净水产电的方法。

背景技术

微生物燃料电池是燃料电池中特殊的一类。它遵循生物电化学原理，利用微生物将污水中的有机污染物降解，同时将污染物中的化学能转变为电能，除了在理论上具有很高的能量转化效率之外，还有其它燃料电池不具备的若干特点：原料广泛，可以利用一般燃料电池所不能利用的多种有机质，甚至污水中的有机质；操作条件温和，一般在常温、常压、中性的条件下工作，这使得电池安全、低碳、可资源回收、维护成本低。

微生物燃料电池的工作原理为：微生物在阳极氧化有机质，产生电子，电子从微生物直接转移到电极上，电极将电能传递到外电路，通过外电路负载到达阴极，与阴极内的阳离子在阴极上结合完成一次放电过程。

人工湿地污水生态处理技术因具有处理效果好，建设成本、运行成本低、易于管理、景观性能好的优势而成为小城镇污水处理技术的首选。

人工湿地生态污水处理原理：人工湿地生态污染治理技术主要是利用湿地基质、微生物以及植物这个复合生态系统对污水进行物理、化学和生物三重作用，通过湿地基质过滤、吸附、湿地植物吸收分解以及湿地微生物降解来实现污水净化的方法。植物根系菌群以及湿地基质中的微生物将水体中大颗粒、大分子的有机污染物分解成为小颗粒和离子态的小分子被植物同化吸收，成为植物生长的营养物质，促进植物生长的同时净化水质，实现生态净化水质。

将生态湿地与微生物燃料电池结合，构造成湿地生态型阳极和藻菌共生生态阴极，形成生态型微生物燃料电池，实现污水处理与能源回收。

目前公知的湿地沉积微生物燃料电池具有如下问题：

1、虽然结构简单，但是没有实现阳极阴极双生态结构，效率低，充氧型需要消耗能源提供溶解氧，不能有效回收CO₂；

2、内阻大：无膜型湿地沉积物燃料电池，由于内电路中产生的阳离子（质子）在湿地基质中扩散速度慢，扩散内电阻大，形成很大的浓差极化，导致电池效率低下。

3、抗高浓度有机物冲击负荷能力差：由于采用湿地植物来构建生物燃料电池，湿地植物对有机污染物的耐受度有限，当COD（有机物浓度）浓度大于1000mg/L,即便耐污能力强的芦苇都会死亡。

4、产能低：进水的有机物浓度受限，COD浓度低于1000mg/L,生物阳极中没有深度厌氧配合，有利于产电细菌作为底物的小分子单糖、乙酸、甲酸等有机物浓度低，这必然会导致产能低。

目前公知的与本发明类似的微生物燃料电池为单池无膜型湿地沉积微生物燃料电池，其主要结构为：阳极区位于湿地底层厌氧区，采用碳纤维或碳毡为电极材料，利用湿地基质及根系菌群形成微生物阳极；阴极区位于湿地顶层，与空气相接处的开放水面，利用贵金属最为阴极材料，利用自然溶氧或者人工曝气的氧气完成阴极电极反应，具有以下问题：

1、湿地基质材料导电性能差，影响质子的基质内扩散，导致电池内阻大，电池效能低；

2、电池的阴极为非生态型，或者菌群单一型，阴极的氧气来源自然溶氧或者人工充氧，没有利用藻类微生物菌群实现光合作用产氧；

3、没有严格厌氧区域配合，进水COD浓度不能太高，否则会抑制湿地植物的生长，甚至导致植物死亡，由于较低的COD浓度，也限制了产电细菌的营养来源，产电效能低。

发明内容

针对公知的单池型湿地沉积物微生物燃料电池的问题，本发明提供了一种藻菌协同生态型微生物燃料电池及利用其净水产电的方法，在基质中添加阳离子交换树脂，湿地基质采用麦秆生物炭，提高导电性能，降低内阻；构建藻类生态阴极节能低碳；在阳极区的下层增加深度厌氧区，适应较高浓度COD的污水进水，增加电池体的高度，提高电池的电效能。本发明将生态湿地与微生物燃料电池结合，构造成湿地生态型阳极和藻菌共生释放氧气的生态阴极，形成生态型微生物燃料电池，实现污水处理与能源回收。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种藻菌协同生态型微生物燃料电池，主要包括燃料电池池体、进水布水系统、厌氧反应区、湿地型生态阳极区和藻菌共生阴极区，其中：

所述燃料电池池体的底部设置有污水进口，顶部设置有排水口；

所述进水布水系统由进水管和与进水管相垂直的多根平行设置的穿孔布水管组成，进水管紧贴燃料电池池体底板并与污水进口相连；

所述厌氧反应区位于燃料电池池体底部；

所述湿地型生态阳极区位于厌氧反应区之上，由根系混和兼氧区、阳极基质氧化区和与池底平行设置的三维网状钛阳极构成，根系混和兼氧区为以湿地植物根系为主的兼氧区域，阳极基质氧化区位于根系混和兼氧区之上，三维网状钛阳极位于阳极基质氧化区内，阳极基质氧化区由麦秆生物炭和阳离子交换树脂构成；

所述藻菌共生阴极区位于湿地型生态阳极区之上，由三维网状钛阴极和藻类构成，三维网状钛阴极与池底平行设置，并通过外电路与三维网状钛阳极相连。

一种利用上述藻菌协同生态型微生物燃料电池净水产电的过程为：

一、污水经燃料电池池体底部进入进水管，然后经过穿孔布水管均匀布水；

二、均匀布水后污水进入厌氧反应区，形成水力升流，经过厌氧反应区水解酸化处理，大分子的难溶的有机质变成小分子的溶解态的有机质，进入湿地型生态阳极区；

三、在湿地型生态阳极区内，由湿地植物根系和阳极基质氧化区构成的微观生态系统完成对污水的有机物、无机物的吸附、吸收、微生物同化异化分解净化，硝化、除磷，并同步产生电子，完成了在湿地型生态阳极区的生物电化学反应产生电子，电子传递给三维网状钛阳极，并由该电极传到外电路，通过负载到达三维网状钛阴极，参与三维网状钛阴极的电化学反应；

四、净化后的污水继续上升，进入藻菌共生阴极区；

五、在藻菌共生阴极区内，藻类通过光合作用，利用CO₂、污水中的N、P合成生命体，并产生氧气，氧气在网状钛阴极发生还原反应，最后与网状钛阳极产物质子，结合产生水，生物燃料电池的阴极反应完成；

六、到达顶层的充分净化后的水经排水口达标排放。

具体电极反应如下：

一、阳极反应：

C₆H₁₂O₆ + 6H2O –24e-(微生物、产电细菌协同) → 6CO2 + 24H⁺

二、阴极反应：

6O₂+24 e^-+24H⁺→12H₂O(氧气来自于藻类光合作用)

总反应：C₆H₁₂O₆+6O2→6CO2+6H₂O

本发明具有如下优点：

1、本发明具有从严格厌氧菌到湿地微生态系统及藻菌共生生态系统的多菌种分层组合，多生态组合的运行产电模式，能够处理回收较高浓度的有机污水，具有产电能效高的特点。

2、该燃料电池的阴极为藻菌共生生态阴极，微生物藻类能够利用光合作用，吸收污水中的CO₂、氮、P作为营养源，深度净化污水的同时产生氧气，低碳更环保；同时阴极电极材料选择Ti基涂钌的网状电极降低氧在阴极的氧化还原电位，电极的氧电极反应活性更高，有利于提高阴极效能。

3、高效传导型湿地基质区，湿地基质采用麦秆生物炭，并在湿地基质层中添加阳离子交换树脂，提高质子（H+）和其他阳离子在基质中由阳极到阴极的扩散速度，降低浓差极化，降低内阻，提高电池效率。

4、该燃料电池的阳极区采用钛网金属电极复合颗粒麦秆生物炭的三维立体电极，麦秆生物炭具有较高的比表面积能有效吸附污水中的有机质，同时麦秆生物炭中K离子的含量更高，更有利于阳离子在基质中的有效传递到达阳极，参与电极反应，同时采用TI网复合颗粒麦秸生物碳阳极，电极的生物活性更好，更有利于产电微生物在生物碳表面吸附，形成生物膜，电极效能更高。

5、在生态微生物燃料电池的底部设置严格厌氧反应区，使该燃料电池能够利用COD浓度4000mg/L以内的较高浓度的有机污水，也规避了普通的湿地沉积型燃料电池进水的COD浓度不能太高的问题，使产能大幅度提高。

6、该燃料电池能够实现从深度厌氧到湿地微生态到藻菌共生生态系统的多形态菌群分层组合的微生物运行模式，具有结构简单、生态治理污水同步产能、景观效果好等优点，具有其他单一型生物燃料电池所不具有的技术优势，是一种新型的微生物燃料电池。

附图说明

图1为藻菌共生微生物燃料电池的立面布置图；

图2为图1的2-2剖面图；

图3为图1的1-1剖面图；

图4为藻菌共生微生物燃料电池布水系统图；

图5为图4的a-a剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1-5所示，本发明提供了一种藻菌协同生态型微生物燃料电池，所述微生物燃料电池由燃料电池池体7、进水布水系统1、厌氧反应区2、湿地型生态阳极区3和藻菌共生阴极区4构成。

所述燃料电池池体7为矩形池体，底部设置有污水进口，顶部设置有排水口。

所述进水布水系统1由进水管1-2和穿孔布水管1-1组成，进水管1-2紧贴燃料电池池体7底板并与污水进口相连，污水由池底部的进水管1-2进入池内经与进水管1-2相垂直的多根穿孔布水管1-1排入燃料电池池体7底部，形成由下向上的水力升流反应池，同时具有搅拌污水的功能，可以根据污水处理的水量及水力停留时间设计水池的尺寸。穿孔布水管1-1采用通长设计，遍布池底；穿孔布水管1-1开孔率大于40%，小于60%，保证布水均匀。

所述厌氧反应区2位于燃料电池池体7底部，由于顶部的湿地型生态阳极区3和流动水面藻菌共生阴极区4的存在，而确保厌氧反应区2的溶解浓度低于0.2mg/L，形成深度厌氧，有利于大分子的、颗粒态的有机物水解酸化为小分子的溶解态的有机物，为湿地型生态阳极区3的厌氧、兼氧电化学氧化产电创造条件。厌氧反应区2根据进水水质设计停留时间、区域尺寸，污水在厌氧反应区2形成升流式的厌氧反应，实现对污水的水解酸化作用，由于它位于活动水面和湿地基质下方，所以具有严格厌氧的特点。

所述湿地型生态阳极区3位于厌氧反应区2之上，它包括根系混和兼氧区3-1、阳极基质氧化区3-3和与池底平行设置的三维网状钛阳极3-2构成。根系混和兼氧区3-1为以湿地植物5根系为主的兼氧区域，由于湿地植物5对氧气的传导作用，在阳极基质氧化区3-3底部根系菌群具有兼氧特点，在这个区域内对来水、根系分泌物、根系释放的溶解氧进行充分混合，形成兼氧反应，完成植物根系菌群与根系分泌物与来水的均匀混合，由于湿地植物5对氧气的输送作用，该区域为兼氧区，污水经过兼氧氧化，使部分难降解的有机物转化为可生物降解的有机物，同时消耗溶解氧。混合后的污水进入阳极基质氧化区3-3，阳极基质氧化区3-3具有麦秆生物炭吸附、碳表面生物膜生化、根系菌群生化、生物碳和离子交换树脂导电等多重功效，在该区域内污水首先在颗粒生物碳上形成吸附，然后在颗粒碳表面的微生物菌群协同作用下厌氧氧化生电子，电子经过生物碳传递到三维网状钛阳极3-2，经过三维网状钛阳极3-2传递到外电路6，完成了阳极产电生物电化学过程。三维网状钛阳极3-2设置不少于2层，其中位于阳极基质氧化区3-3底部的三维网状钛阳极3-2兼具基质承托和根系生长控制功能；根系混合兼氧区3-1的层高大于1m；阳极基质氧化区3-3的厚度不小于80cm，由粒径3-4mm的麦秆生物炭颗粒和占氧化区总体积的30%的阳离子交换树脂混合组成，具有重量轻，导电性能好的优点；湿地植物5为根系发达，耐污，景观效果好，叶子不发达的富贵竹等。

所述藻菌共生阴极区4位于湿地型生态阳极区3之上，该区域为活动水面的区域。由于与大气接触而包含溶解氧，为好氧区，在该区内包含有大量的藻类4-2和好氧微生物，藻类4-2通过光合作用利用好氧菌氧化有机物产生的CO₂、H₂O合成藻类有机体，释放氧气，同时氧气扩散到三维网状钛阴极4-1表面，在表面获得电子，与内扩散的质子结合生成水。完成了阴极电化学反应。

湿地排水，采用顶位排水。

所述工艺段的过程为：

污水经过格栅、沉淀等预处理后，经污水提升泵从燃料电池的底部排入进水布水系统1，经过进水管1-2和穿孔布水管1-1均匀进入厌氧反应区2，向上升流，流经湿地型生态阳极区3、藻菌共生阴极区4，由位于顶部的排水口排出。污水分别在厌氧反应区2、湿地型生态阳极区3和藻菌共生阴极区4内经过多菌种、多生态形式充分厌氧、兼氧、好氧净化后达标排放。同时在湿地型生态阳极区3产生电子和质子，电子通过三维网状钛阳极3-2收集传递到外电路6经过负载到达三维网状钛阴极4-1。质子在湿地内通过麦秆生物炭、阳离子交换树脂跟随上升的污水内扩散至三维网状钛阴极4-1与外电路6达到三维网状钛阴极4-1的电子以及藻类4-2光合作用产生的溶解氧、大气复氧，共同完成阴极反应，实现产电。

Claims (10)

1.一种藻菌协同生态型微生物燃料电池，其特征在于所述燃料电池由燃料电池池体、进水布水系统、厌氧反应区、湿地型生态阳极区和藻菌共生阴极区构成，其中：

所述燃料电池池体的底部设置有污水进口，顶部设置有排水口；

所述进水布水系统由进水管和与进水管相垂直的多根平行设置的穿孔布水管组成，进水管紧贴燃料电池池体底板并与污水进口相连；

所述厌氧反应区位于燃料电池池体底部；

所述湿地型生态阳极区位于厌氧反应区之上，由根系混和兼氧区、阳极基质氧化区和与池底平行设置的三维网状钛阳极构成，根系混和兼氧区为以湿地植物根系为主的兼氧区域，阳极基质氧化区位于根系混和兼氧区之上，三维网状钛阳极位于阳极基质氧化区内；

所述藻菌共生阴极区位于湿地型生态阳极区之上，由三维网状钛阴极和藻类构成，三维网状钛阴极与池底平行设置，并通过外电路与三维网状钛阳极相连。

2.根据权利要求1所述的藻菌协同生态型微生物燃料电池，其特征在于所述燃料电池池体为矩形池体。

3.根据权利要求1所述的藻菌协同生态型微生物燃料电池，其特征在于所述穿孔布水管的开孔率大于40%，小于60%。

4.根据权利要求1所述的藻菌协同生态型微生物燃料电池，其特征在于所述三维网状钛阳极设置不少于2层。

5.根据权利要求1所述的藻菌协同生态型微生物燃料电池，其特征在于所述根系混合兼氧区的层高大于1m。

6.根据权利要求1所述的藻菌协同生态型微生物燃料电池，其特征在于所述阳极基质氧化区的厚度不小于80cm。

7.根据权利要求1或6所述的藻菌协同生态型微生物燃料电池，其特征在于所述阳极基质氧化区由麦秆生物炭和阳离子交换树脂构成。

8.根据权利要求7所述的藻菌协同生态型微生物燃料电池，其特征在于所述麦秆生物炭的粒径为3-4mm。

9.根据权利要求7所述的藻菌协同生态型微生物燃料电池，其特征在于所述阳离子交换树脂占阳极基质氧化区总体积的30%。

10.一种利用权利要求1所述的藻菌协同生态型微生物燃料电池净水产电的方法，其特征在于所述方法步骤如下：

一、污水经燃料电池池体底部进入进水管，然后经过穿孔布水管均匀布水；

二、均匀布水后污水进入厌氧反应区，形成水力升流，经过厌氧反应区水解酸化处理，大分子的难溶的有机质变成小分子的溶解态的有机质，进入湿地型生态阳极区；

三、在湿地型生态阳极区内，由湿地植物根系和阳极基质氧化区构成的微观生态系统完成对污水的有机物、无机物的吸附、吸收、微生物同化异化分解净化，硝化、除磷，并同步产生电子，完成了在湿地型生态阳极区的生物电化学反应产生电子，电子传递给三维网状钛阳极，并由该电极传到外电路，通过负载到达三维网状钛阴极，参与三维网状钛阴极的电化学反应；

四、净化后的污水继续上升，进入藻菌共生阴极区；

五、在藻菌共生阴极区内，藻类通过光合作用，利用CO₂、污水中的N、P合成生命体，并产生氧气，氧气在网状钛阴极发生还原反应，最后与网状钛阳极产物质子，结合产生水，生物燃料电池的阴极反应完成；

六、到达顶层的充分净化后的水经排水口达标排放。