CN104600345A - 一种连续流厌氧生物阴极微生物燃料电池 - Google Patents

一种连续流厌氧生物阴极微生物燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种连续流厌氧生物阴极微生物燃料电池，由阴极室(16)和阳极室(12)以及阳离子交换膜(14)和法兰(6)密封连接，阴极室(16)和阳极室(12)的体积之比2～5:1；阴极室(16)设有进水口(15)、回流进口(5)、中间出水口(3)、出水口(2)和回流出口(17)，阴极室(16)内设有可拆卸穿孔隔板(4)和阴极电极(1)和参比电极(19)；阴极电极(1)和负载(21)以及阳极室(12)的进泥口(13)通过外部导线(20)连接；阳极室(12)内设有阳极电极(7)和搅拌子(10)，阳极室(12)下部设有磁力搅拌装置(9)；阳极室(12)还设有排泥口(11)。本发明能同时去除水中氧化性污染物和剩余污泥中的有机物，并同步产电，广泛适用于地下水、电镀废水、轧钢废水、选矿废水等中氧化性污染物的连续去除。

Description

一种连续流厌氧生物阴极微生物燃料电池
技术领域
本发明涉及一种连续流厌氧生物阴极微生物燃料电池。具体是一种同步处理剩余污泥和水中氧化性污染物的连续流厌氧生物阴极微生物燃料电池。属于环境保护技术和新能源领域。
背景技术
城市污水厂污泥中有机物含量约为城市污水的10倍，占其总量的60％以上，其中易降解有机物也在40％以上，是影响污泥稳定性的主要因素。污泥中含有丰富的有机物，如蛋白质、多糖类和脂肪类等，是一种极具潜力的生物燃料。污泥的处理费用占污水处理厂总运行费用的25％～60％，污泥处理已成为制约污水处理事业发展的瓶颈问题。微生物燃料电池(MFC)是一种以微生物为催化剂、将燃料中化学能转化为电能的电化学装置。大量研究表明，MFC能以有机污染物作为电子供体，净化污染的同时输出电能，在环境保护技术和新能源领域展现了巨大前景。因此，MFC利用污泥为燃料，不仅能解决污泥处理处置问题，还能将污泥中化学能转化为电能。
近年来，我国自然水体以及污废水中的氧化性污染物均呈现上升态势，其主要类型包括：无机离子化合物如重铬酸盐、砷酸盐、溴酸盐、硒酸盐、高氯酸盐等，和有机化合物如氯酚类、氯硝基苯类、苯酚、三氯乙烯等。大多数氧化性污染物由于具有较高的价态和较为稳定的化学结构，难以被传统的物化处理技术如高级氧化等和生物处理过程如活性污泥法等所去除。少部分氧化性污染物如硝酸盐等，可采用生物反硝化过程去除，但往往也要面对因碳源不足而外加碳源的问题，一方面增加了成本，另一方面须严格控制用量以防带来二次污染。氧化性污染物问题在地下水、电镀废水、轧钢废水和选矿废水的净化处理中尤为突出。
厌氧生物阴极微生物燃料电池在阴极和阳极同时以电化学活性菌催化反应的进行，具有降低阴极成本、避免催化剂中毒、直接或间接将电子受体还原为低毒还原态并将电子传递到电路中等优点。
然而，现有的微生物燃料电池还存在不少缺陷，并不适合于连续去除水中氧化性污染物。一是由于处理污泥和污水需要的电子数目不对称，现有的燃料电池需要对污水和污泥分别处理，并通常使用铁氰化钾、葡萄糖作为阴、阳极燃料，成本较高，且易造成二次污染。二是现有的燃料电池多为左右室结构，不利于提高容积，提高日处理量。三是传统的方体结构燃料电池水力条件不适合连续流进水，不利于电池长期稳定产电。四是传统燃料电池使用污泥作为燃料时易导致污泥沉积，形成污泥自我消化，降低电池的利用效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种连续流厌氧生物阴极微生物燃料电池。该微生物燃料电池可同步去除水中氧化性污染物和城市污水厂剩余污泥中的有机物，并实现生物产电。
为了达到上述目的，本发明针对现有微生物燃料电池技术的诸多缺陷，提供了一种连续流厌氧生物阴极微生物燃料电池，可用于连续去除水中氧化性污染物和城市污水厂剩余污泥中的有机物，并同步产电。试验证明，据此开发的连续流厌氧生物阴极微生物燃料电池具有良好的氧化性污染物去除效果和污泥减量效果，产电性能稳定。
具体结构如下：连续流厌氧生物阴极微生物燃料电池由阴极室和阳极室组成，阴极室和阳极室通过配有硅胶垫片的法兰密封连接，两个法兰中间设有阳离子交换膜；阴极室和阳极室的体积之比2～5:1；阴极室自下而上设有进水口、回流进口、中间出水口、出水口和回流出口，阴极室顶端设有可拆卸穿孔隔板，阴极电极通过与阴极室顶端固结的阴极盖板固定安装在阴极室内，穿过阴极盖板并与其固结有参比电极；阴极电极和负载以及阳极室的进泥口通过外部导线连接；阳极室内设有阳极电极，阳极电极底部设有搅拌子，搅拌子与阳极室下部设有的支架内的磁力搅拌装置构成搅拌系统；阳极室还设有排泥口。
所述的阴极电极的材料为碳纸、碳布、碳纤维刷、碳毡、玻璃碳、碳纳米管、石墨或石墨烯电极材料。
所述的阳极电极的材料为碳纸、碳布、碳纤维刷、碳毡、玻璃碳、碳纳米管、石墨或石墨烯电极材料。
所述的阴极室为下表面较大的圆锥台，下表面面积与上表面面积之比为1.5～3:1，阴极室内投加市政污水厂厌氧污泥及无机碳源，驯化培养自养反硝化产电菌，用于去除水中氧化性污染物。
所述的阳极室的进泥口与水平线成45～60°角，其中的阳极室内投加的用于处理城市污水厂剩余污泥厌氧发酵液(包括市政污水厂厌氧污泥及有机碳源，驯化培养异养产电菌)的液面高于阳离子交换膜。
所述的可拆卸穿孔隔板上均匀分布圆孔，圆孔孔径为0.5-1mm。
上述的微生物燃料电池中，所述的回流进口和进水口与水平线成30～45°角。
上述的微生物燃料电池中，所述负载为电能收集装置，可用于仪表控制。
所述的回流进口和进水口与水平线成30-45°角。
所述的负载为电能收集装置，可用于仪表控制。
本发明的有益效果为：
1.利用本发明提供的连续流厌氧生物阴极微生物燃料电池可以去除水中氧化性污染物和城市污水厂剩余污泥中的有机物，并同步产电，实现三效合一。
2.由于本发明的厌氧生物阴极微生物燃料电池采用上下双室结构，阴极在上，阳极在下，可以根据实际水质状况加高阴极，调节阴阳双室的体积比，适合于去除水中氧化性污染物，以充分利用污泥发酵液中大量有机物厌氧发酵产生的自由电子。
3.本发明的厌氧生物阴极微生物燃料电池阴极进水口设在阴极室底部，采用连续流进水，并分层设置多个出水口，溢流出水，可以调节阴极液位和阴极液的水力停留时间，也保证了燃料电池的长期稳定运行。
4.本发明的厌氧生物阴极微生物燃料电池阴极室采用圆锥台体，减少了阴极液对阳离子交换膜的压力。
5.本发明的厌氧生物阴极微生物燃料电池阴极室采用自回流混合均匀，并且回流进水口与阳离子交换膜成一定角度，可防止阴极电极上掉落的生物膜在阳离子交换膜上沉积，当使用活性炭颗粒作为阴极电极时，可使用阴极室的可拆卸穿孔隔板作为承托。
6.本发明的厌氧生物阴极微生物燃料电池的阳极室采用较矮的圆柱体，可便于阳极污泥中有机物被充分降解。本发明的厌氧生物阴极微生物燃料电池的阳极室进泥口液位高于阳离子交换膜，以期阳极液与阳离子交换膜充分接触，同时也便于对阳极室内污泥的更换和取样观测。
7.相较于传统的厌氧生物阴极燃料电池，本发中的厌氧生物阴极微生物燃料电池能够充分利用剩余污泥厌氧发酵液中有机质氧化产生的大量电子，更适合于去除水中氧化性污染物，并同时保证燃料电池的长期稳定运行和较高的产电效果。
附图说明
图1为本发明的连续流厌氧生物阴极微生物燃料电池示意图。
图中：
1－阴极电极；2－出水口；3－中间出水口；4－可拆卸穿孔隔板；5－回流进口；6－配有硅胶垫片的法兰；7－阳极电极；8－支架；9－磁力搅拌装置；10－搅拌子；11－排泥口；12－阳极室；13－进泥口；14－阳离子交换膜；15－进水口；16－阴极室；17－回流出口；18－阴极盖板；19－参比电极；20－外部导线；21－负载。
具体实施方式
实施例1
采用本发明的厌氧生物阴极微生物燃料电池处理含有硝酸盐、溴酸盐和硒酸盐的模拟地下水。
本实施例中的阴极室16和阳极室12的体积比为2:1，阴极电极1和阳极电极7的均为石墨纤维刷。
本实施例中的阴极室16为下表面较大的圆锥台，下表面面积与上表面面积之比为1.5:1。
本实施例中的阳极室的进泥口13与水平线成45°角，其中的阳极液液面高于阳离子交换膜。
本实施例中的回流进口5和进水口15与水平线成30°角。
本实施例所指负载21指设为1000欧姆的电阻箱。
本实施例所指污泥厌氧发酵液指经过厌氧发酵的城市污水厂剩余污泥，COD约为3000mg/L。
本实施例所指地下水指含有20mg/L硝酸盐、10mg/L溴酸盐和1mg/L硒酸盐的模拟地下水。
本实施例中，阴极连续进水，水力停留时间为12小时，阳极液每10天更换一次。
本实施例中，在上述工况稳定运行情况下，阴极出水硝酸盐、溴酸盐浓度均低于检测线，硒酸盐浓度小于0.01mg/L，输出电压在实验过程中稳定在0.4-0.5V，10天后的阳极污泥发酵液浓度约为500mg/L。
实施例2
采用本发明的厌氧生物阴极微生物燃料电池处理含有硝酸盐的轧钢废水。
轧钢废水中含有大量硝酸盐，目前大多数企业都采用反渗透工艺进行废水回用工艺，反渗透过程会产生30％左右的浓盐水，浓盐水中硝酸盐会浓缩3-4倍，达到50-100mg/L，且碳源极少。
本实施例中的阴极室16和阳极室12的体积比为3:1，阴极电极1和阳极电极7的均为碳毡。
本实施例中的阴极室16为下表面较大的圆锥台，下表面面积与上表面面积之比为2:1。
本实施例中的阳极室的进泥口13与水平线成45°角，其中的阳极液液面高于阳离子交换膜。
本实施例中的回流进口5和进水口15与水平线成30°角。
本实施例所指负载21指设为1000欧姆的电阻箱。
本实施例所指污泥厌氧发酵液指经过厌氧发酵的城市污水厂剩余污泥，COD约为3000mg/L。
本实施例所指轧钢废水指含有70mg/L硝酸盐的模拟轧钢废水。
本实施例中，阴极连续进水，水力停留时间为24小时，阳极液每8天更换一次。
本实施例中，在上述工况稳定运行情况下，阴极出水硝酸盐浓度低于检测线，输出电压在实验过程中稳定在0.2-0.3V，10天后的阳极污泥发酵液浓度约为300mg/L。
实施例3
采用本发明的厌氧生物阴极微生物燃料电池处理含有重铬酸盐的模拟废水。
在选矿、冶炼、电镀、印染、皮革及无机盐生产等工业过程中，都会产生含铬废废水。在铬化合物中，六价铬毒性最强，三价铬次之，二价铬和铬本身的毒性很小或无毒。
本实施例中的阴极室16和阳极室12的体积比为5:1，阴极电极1和阳极电极7的均为碳布。
本实施例中的阴极室16为下表面较大的圆锥台，下表面面积与上表面面积之比为3:1。
本实施例中的阳极室的进泥口13与水平线成45°角，其中的阳极液液面高于阳离子交换膜。
本实施例中的回流进口5和进水口15与水平线成30°角。
本实施例所指负载21指设为1000欧姆的电阻箱。
本实施例所指污泥厌氧发酵液指经过厌氧发酵的城市污水厂剩余污泥，COD约为3000mg/L。
本实施例所指轧钢废水指含有100mg-Cr/L重铬酸盐的模拟废水。
本实施例中，阴极连续进水，水力停留时间为36小时，阳极液每5天更换一次。
本实施例中，在上述工况稳定运行情况下，阴极出水重铬酸盐浓度小于5mg-Cr/L，输出电压在实验过程中稳定在0.6-0.7V，10天后的阳极污泥发酵液浓度约为400mg/L。
工作原理
本发明提供的厌氧生物阴极微生物燃料电池包括阴极室16和阳极室12两个腔室；阴极室16和阳极室12之间采用阳离子交换膜14分隔。向阳极室12内加入污泥厌氧发酵液，驯化培养异养产电菌，并使其液面高于阳离子交换膜14，保证与阳离子交换膜14的接触良好。发酵液中的有机物在异养产电菌作用下被氧化并释放电子；电子被传递到阳极电极7后，经外电路上的负载21传递至阴极；将自养反硝化产电菌接种至阴极室16，含有低浓度氧化性污染物的水从阴极底部进水口15进入阴极室16；阴极自养产电菌接受阳极传来的电子，利用无机碳源将水中的氧化性污染物还原；阴极室16中的水通过自回流出口17到回流进口5的回流达到均匀并阻止污泥沉积；经过处理的水从阴极室16上部的出水口2溢流流出燃料电池，从而完成水和污泥的处理过程并同步产电。

Claims (8)

1.一种连续流厌氧生物阴极微生物燃料电池，其特征在于：由阴极室(16)和阳极室(12)组成，阴极室(16)和阳极室(12)通过配有硅胶垫片的法兰(6)密封连接，两个法兰(6)中间设有阳离子交换膜(14)；阴极室(16)和阳极室(12)的体积之比2～5:1；阴极室(16)自下而上设有进水口(15)、回流进口(5)、中间出水口(3)、出水口(2)和回流出口(17)，阴极室(16)内自下而上设有可拆卸穿孔隔板(4)和阴极电极(1)，阴极电极(1)与阴极室(16)顶端固结的阴极盖板(18)固定连接；参比电极(19)穿过阴极盖板(18)并与其固结；阴极电极(1)和负载(21)以及阳极室(12)的进泥口(13)通过外部导线(20)连接；阳极室(12)内设有阳极电极(7)，阳极电极(7)底部设有搅拌子(10)，搅拌子(10)与阳极室(12)下部设有的支架(8)内的磁力搅拌装置(9)构成搅拌系统；阳极室(12)还设有排泥口(11)。
2.根据权利要求1所述的一种连续流厌氧生物阴极微生物燃料电池，其特征在于：所述的阴极电极(1)的材料为碳纸、碳布、碳纤维刷、碳毡、玻璃碳、碳纳米管、石墨或石墨烯电极材料。
3.根据权利要求1所述的一种连续流厌氧生物阴极微生物燃料电池，其特征在于：所述的阳极电极(7)的材料为碳纸、碳布、碳纤维刷、碳毡、玻璃碳、碳纳米管、石墨或石墨烯电极材料。
4.根据权利要求1所述的一种连续流厌氧生物阴极微生物燃料电池，其特征在于：所述的阴极室(16)为下表面较大的圆锥台，下表面面积与上表面面积之比为1.5～3:1。
5.根据权利要求1所述的一种连续流厌氧生物阴极微生物燃料电池，其特征在于：所述的阳极室(12)的进泥口(13)与水平线成45～60°角，其中的阳极室内城市污水厂剩余污泥厌氧发酵液的液面高于阳离子交换膜(14)。
6.根据权利要求1所述的一种连续流厌氧生物阴极微生物燃料电池，其特征在于：所述的可拆卸穿孔隔板(4)上均匀分布圆孔，圆孔孔径为0.5-1mm。
7.根据权利要求1所述的一种连续流厌氧生物阴极微生物燃料电池，其特征在于：所述的回流进口(5)和进水口(15)与水平线成30～45°角。
8.根据权利要求1所述的一种连续流厌氧生物阴极微生物燃料电池，其特征在于：所述的负载(21)为电能收集装置，可用于仪表控制。
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