CN104577171A - 一种设有外加磁场的高效除磷硝化微生物燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种设有外加磁场的高效除磷硝化微生物燃料电池。该燃料电池包括反应系统、外加磁场和数据采集监测系统。反应系统包括阳极反应系统和阴极反应系统，其中阳极反应系统包括阳极微生物、阳极电极、阳极室、进取样口和电解液。阴极反应系统包括阴极微生物、阴极电极、阴极室、进样管、回流管、鼓气泵、棕色缓冲瓶、导气管、曝气头、恒流泵和电解液。外加磁场包括两块一样的磁铁。数据采集监测系统包括导电丝、导线、外电阻、数据采集系统。本发明可同时去除废水中碳和磷，并将废水中氮氧化为硝态氮，实现高效同步除磷、除碳、硝化和产电。外加磁场有效提高了微生物燃料电池的产电及污水处理性能。

Description

一种设有外加磁场的高效除磷硝化微生物燃料电池

技术领域

本发明属于生物燃料电池领域，尤其涉及一种设有外加磁场的高效除磷硝化微生物燃料电池。

背景技术

随着人类对环境资源开发利用活动日益增加，工农业生产大规模地迅速发展，工业化带来了“城市化”现象，使得大量含有污染物难降解有机物、氮、磷等的污水排入湖泊、水库和河流。城市湖泊及邻近城镇的水库出现了大面积的水体富营养化现象。富营养化初期，水体中藻类及其他浮游生物迅速繁殖、水体生产能力提高；富营养化后期，水体溶解氧含量下降、藻类、浮游生物、植物、水生生物和鱼类衰亡甚至绝迹。富营养化已成为世界范围内水环境保护中的重大环境问题。

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。利用微生物燃料电池，不仅可以降解污染水体中的有机物和去除氮、磷和重金属等污染物，而且还可以将分解有机物过程中产生的电子回收，转化为电流，从而获得电能。在能源短缺和环境污染的双重压力下，微生物燃料电池因能同步处理废水和产电受到了各国政府与大公司的重视，被认为是21世纪洁净、高效的发电技术。

微生物燃料电池工作原理：厌氧微生物在阳极氧化有机物的同时，产生电子和质子。电子传递到阳极上，通过外电路到达阴极，质子通过质子交换膜到达阴极与外电路传递的质子在催化剂作用下与氧气反应生成水，从而完成电子和质子的回路。随着阳极有机物的不断氧化和阴极反应的持续进行，闭合回路下获得持续的电流。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种设有外加磁场的高效除磷硝化微生物燃料电池。

一种设有外加磁场的高效除磷硝化微生物燃料电池，包括反应系统、外加磁场和数据采集监测系统，所述反应系统包括阳极反应系统和阴极反应系统，其中阳极反应系统包括阳极微生物、阳极电极、阳极室、进取样口和电解液；阴极反应系统包括阴极微生物、阴极电极、阴极室、进样管、回流管、鼓气泵、棕色缓冲瓶、导气管、曝气头、恒流泵和电解液；阴极反应系统中电解液依次经过回流管、棕色缓冲瓶、进样管，在恒流泵的作用下形成内循环；鼓气泵通过导气管与棕色缓冲瓶中曝气头连接；阳极室和阴极室结构和大小完全相同，且两者由质子交换膜隔开，阳极电极和阴极电极分别紧贴在质子交换膜两侧；外加磁场包括两块磁铁，两块磁铁分别紧贴在阳极室和阴极室外侧，与质子交换膜、阳极电极和阴极电极方向平行；数据采集监测系统包括导电丝、导线、外电阻、数据采集系统；阳极电极和阴极电极均连接有导电丝，导电丝再通过导线与外电阻连接形成闭合回路；外电阻两端还通过导线与数据采集系统连接。

进一步的，回流管与阴极室顶部的出水口连接，进样管穿过阴极室顶部的进水口并伸入阴极室内底部。

进一步的，外加磁场中的两块磁铁是大小、结构、磁场强度相同的永磁铁，且与阳极室和阴极室紧靠的磁铁平面平整光滑；两块磁铁为异性磁极相对或同性磁极相对。

进一步的，除进样和取样过程外，阳极室顶部的进取样口一直呈关闭状态，以确保阳极室是厌氧环境；鼓气泵一直是打开状态，使得阴极反应系统一直呈好氧状态；棕色缓冲瓶中曝气量大小由鼓气泵流量控制按钮调节。

进一步的，两块磁铁表面的磁场强度为0~200 mT。

进一步的，所述的电解液是含氮磷有机废水，初始pH为7.0~7.5。

进一步的，阳极室内溶解氧为0.02~0.05 mg/L，棕色缓冲瓶内电解液溶解氧为0.5~5.0 mg/L，不同阴极室溶解氧微生物燃料电池输出电压、除磷、除碳及氮硝化效果均不同，在低溶解氧条件下甚至有可能同时除氮。

进一步的，当该微生物燃料电池输出电压小于50 mV后，将棕色缓冲瓶内电解液排到反应系统外，将阳极室中电解液回流至棕色缓冲瓶中，后在阳极室中加满新鲜未处理含氮磷有机废水，如此循环运行。

进一步的，阳极室和阴极室的高度大于等于水平方向的宽度。

进一步的，阳极电极和阴极电极面积相同，均为碳布、碳纸、碳毡、石墨毡或石墨板，两者可相同也可不同，电极面积与反应室的体积比为1 cm²：0.1~10 cm³

进一步的，所述的阳极微生物和阴极微生物是污水处理厂处理生活污水的活性污泥微生物和稳定运行半年的微生物燃料电池内微生物混合体。

进一步的，阳极室和阴极室中充满电解液，初期启动时，接种菌液为体积比为1:3:3的稳定运行半年微生物燃料电池内微生物、污水处理厂二次沉淀池的厌氧和好氧污泥上清液，接种菌液体积与反应室体积比为1:3。当输出电压小于50 mV时，将棕色缓冲瓶中的电解液排到反应系统外，阳极室内电解液全部回流至棕色缓冲瓶内，向阳极室中加入新鲜未处理的含氮磷有机废水（人工配水或实际废水均可）。

进一步的，所述的阳极室是一个严格厌氧环境，阳极液溶解氧为0.02~0.05 mg/L。棕色缓冲瓶连接的鼓气泵一直处于打开状态，且用鼓气泵流量控制按钮控制曝气量大小，从而控制阴极液的溶解氧，阴极室中溶解氧控制在0.5~5.0 mg/L范围内。

进一步的，所述的数据采集系统为吉时利2007型数据采集器。

与已有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

（1）              反应器启动时间明显缩短，且产电量增加；

（2）              外加磁场有效的降低了微生物燃料电池的内阻，提高了微生物燃料电池的性能；

（3）              该反应系统能够高效除磷和除碳，且电解液中的氮能够高效硝化；

（4）              该反应系统能够在阴极低溶解氧条件下同步脱氮、除磷、除碳并产电；

（5）              外加磁场不仅有效提高了微生物燃料电池产电及水处理性能，还减少了微生物燃料电池的运行能耗；

（6）              棕色缓冲瓶有效的提高微生物燃料电池运行稳定性，较少阴极溶解氧向阳极室的扩散。

附图说明

图1是一种设有外加磁场的高效除磷硝化微生物燃料电池结构示意图。

图2是实施例中外加磁场为50 mT，阴极溶解氧为3.5mg/L左右与空白对照组启动时产电数据对比图。

图3a、图3b分别是实施例中外加磁场为50 mT，阴极溶解氧为3.5mg/L左右与空白对照组的极化曲线与功率密度曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的实现方式进行详细描述，以下若有未特别详细说明的过程或工艺，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。

本实例中的一种设有外加磁场的高效除磷硝化微生物燃料电池，如图1所示，由阳极室3）、阳极电极5）、阳极微生物4）、进取样口6）、质子交换膜1）、阴极室16、阴极电极17、阴极微生物15、进样管13、回流管11、鼓气泵14、棕色缓冲瓶19、曝气头20、恒流泵12和磁铁2构成的双室微生物燃料电池，其阳极电极5是碳纸，阴极电极17是涂有0.5 mg/cm²铂碳的碳布，且催化层面向质子交换膜1。

电池的外接1000欧姆电阻，在室温条件下间歇运行，每当电池电压低于50 mV时，棕色缓冲瓶19内电解液排到反应系统外，阳极室3电解液回流至棕色缓冲瓶19，向阳极室3中加入新鲜未处理含氮磷有机废水。

人工模拟废水配方：NaHCO₃ 5.96 g/L、 NaC₂H₃O₂ 1.00 g/L、KH₂PO₄ 0.54 g/L、 NH₄Cl 0.21 g/L、金属及微量元素、维生素。

本发明启动如下：

将含氮磷人工模拟有机废水80 ml加到干净烧杯中，再加入接种菌液40 ml (接种菌液为体积比为1:3:3的稳定运行半年微生物燃料电池内微生物、污水处理厂二次沉淀池的厌氧和好氧污泥上清液)，混匀，将阳极室3用模拟废水和接种菌液的混合液充满约28 ml，剩余混合液约92 ml全部加到棕色缓冲瓶19中。把阳极室3顶部进取样口6封好，打开恒流泵12和鼓气泵14。两天以后，将棕色缓冲瓶19中电解液排到反应系统外，打开阳极室3顶部进取样口6，将阳极室3内电解液全部回流到棕色缓冲瓶19内。如此循环运行。以含氮磷有机废水加入反应系统到排出反应系统整个时间段作为一个反应周期。当微生物燃料电池输出电压稳定三个运行周期以上时，启动过程完成。

本发明工作过程如下：

模拟废水加入到阳极室3，经运行72 h后，电池输出电压小于50 mV，排出棕色缓冲瓶19中电解液，把阳极室3中全部电解液回流至棕色缓冲瓶19 ，阳极室3中加入新鲜未处理模拟废水，经72 h后，重复上一轮操作。

图2是实施例中外加磁场为50 mT，阴极溶解氧为3.5mg/L左右与空白对照组启动时产电数据。该条件下外加50 mT微生物燃料电池启动完成所需时间约10天，且最大输出电压为553±2 mV。空白组启动完成所需时间约16天，最大输出电压为523±2 mV。

图3a、图3b为实施例中，外加磁场为50 mT，棕色缓冲瓶19中电解液溶解氧为3.5 mg/L左右时电池功率密度和电池电压与电流密度的关系。外加50 mT微生物燃料电池在电流密度为1936 mA/m²时达到最大输出功率548 mW/ m²，电池内阻约为207欧姆。该条件下磷的去除率大于96%，COD去除率大于90%，约70%的氨氮转化成了硝态氮。空白组在电流密度为1791 mA/m²时达到最大输出功率526 mW/ m²，电池内阻约为232欧姆。该条件下磷的去除率小于93%，COD去除率约80%，约70%的氨氮转化成了亚硝态氮。

从上述实验数据可以看出，外加磁场可以显著提高微生物燃料电池产电及水处理性能。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干具体实施例子。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1. 一种设有外加磁场的高效除磷硝化微生物燃料电池，包括反应系统、外加磁场和数据采集监测系统，其特征在于：所述反应系统包括阳极反应系统和阴极反应系统，其中阳极反应系统包括阳极微生物（4）、阳极电极（5）、阳极室（3）、进取样口（6）和电解液；阴极反应系统包括阴极微生物（15）、阴极电极（17）、阴极室（16）、进样管（13）、回流管（11）、鼓气泵（14）、棕色缓冲瓶（19）、导气管（18）、曝气头（20）、恒流泵（12）和电解液；阴极反应系统中电解液依次经过回流管（11）、棕色缓冲瓶（19）、进样管（13），在恒流泵（12）的作用下形成内循环；鼓气泵（14）通过导气管（18）与棕色缓冲瓶（19）中曝气头（20）连接；阳极室（3）和阴极室（16）结构和大小完全相同，且两者由质子交换膜（1）隔开，阳极电极（5）和阴极电极（17）分别紧贴在质子交换膜（1）两侧；外加磁场包括两块磁铁（2），两块磁铁（2）分别紧贴在阳极室（3）和阴极室（16）外侧，与质子交换膜（1）、阳极电极（5）和阴极电极（17）方向平行；数据采集监测系统包括导电丝（7）、导线（9）、外电阻（8）、数据采集系统（10）；阳极电极（5）和阴极电极（17）均连接有导电丝（7），导电丝（7）再通过导线（9）与外电阻（8）连接形成闭合回路；外电阻（8）两端还通过导线（9）与数据采集系统（10）连接。

2. 根据权利要求1所述的一种设有外加磁场的高效除磷硝化微生物燃料电池，其特征在于回流管（11）与阴极室（16）顶部的出水口连接，进样管（13）穿过阴极室（16）顶部的进水口并伸入阴极室（16）内底部。

3. 根据权利要求1所述的一种设有外加磁场的高效除磷硝化微生物燃料电池，其特征在于外加磁场中的两块磁铁（2）是大小、结构、磁场强度相同的永磁铁，且与阳极室（3）和阴极室（16）紧靠的磁铁（2）平面平整光滑；两块磁铁（2）为异性磁极相对或同性磁极相对。

4. 根据权利要求1所述的一种设有外加磁场的高效除磷硝化微生物燃料电池，其特征在于除进样和取样过程外，阳极室（3）顶部的进取样口（6）一直呈关闭状态，以确保阳极室（3）是厌氧环境；鼓气泵（14）一直是打开状态，使得阴极反应系统一直呈好氧状态；棕色缓冲瓶（19）中曝气量大小由鼓气泵（14）流量控制按钮调节。

5. 根据权利要求1所述的一种设有外加磁场的高效除磷硝化微生物燃料电池，其特征在于两块磁铁（2）表面的磁场强度为0~200 mT。

6. 根据权利要求1所述的一种设有外加磁场的高效除磷硝化微生物燃料电池，其特征在于所述的电解液是含氮磷有机废水，初始pH为7.0~7.5。

7. 根据权利要求1所述的一种设有外加磁场的高效除磷硝化微生物燃料电池，其特征在于阳极室（3）内溶解氧为0.02~0.05 mg/L，棕色缓冲瓶（19）内电解液溶解氧为0.5~5.0 mg/L。

8. 根据权利要求1所述的一种设有外加磁场的高效除磷硝化微生物燃料电池，其特征在于当该微生物燃料电池输出电压小于50 mV后，将棕色缓冲瓶（19）内电解液排到反应系统外，将阳极室（3）中电解液回流至棕色缓冲瓶（19）中，后在阳极室（3）中加满新鲜未处理含氮磷有机废水，如此循环运行。

9. 根据权利要求1所述的一种设有外加磁场的高效除磷硝化微生物燃料电池，其特征在于阳极室（3）和阴极室（16）的高度大于等于水平方向的宽度。

10. 根据权利要求1所述的一种设有外加磁场的高效除磷硝化微生物燃料电池，其特征在于阳极电极（5）和阴极电极（17）面积相同，均为碳布、碳纸、碳毡、石墨毡或石墨板，两者可相同也可不同，电极面积与反应室的体积比为1 cm²：0.1~10 cm³。