CN105355950B - 一种大型生物阴极微生物燃料电池堆装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水处理技术领域，涉及一种大型生物阴极微生物燃料电池堆装置。该装置包含多个生物阴极微生物燃料电池，利用阳极中厌氧微生物除去有机废水中的有机物，利用阴极中好氧微生物去除无机碳源废水中的无机碳，并且回收电能，其中微生物燃料电池组包括阳极室、阴/阳离子交换膜、阴极室、水路和外电路等5部分；含有机污染物的污水进入阳极室，微生物厌氧分解污染物产生电子，并将电子传递给阳极再通过外电路传递至阴极实现产电。本发明所述装置简单、高效；无需化学催化剂，安全可靠，绿色环保；结构紧凑，处理量大，便于实际应用。

Description

一种大型生物阴极微生物燃料电池堆装置
技术领域
本发明属于水处理技术领域，涉及一种大型生物阴极微生物燃料电池堆装置。该装置利用阳极中厌氧微生物除去有机废水中的有机物，利用阴极中好氧微生物去除无机碳源废水中的无机碳，并且回收电能。
背景技术
微生物燃料电池是近年来快速发展起来的一种新型污水处理技术，一般由三部分组成：阳极室、分隔膜和阴极室。其中阳极室具备处理有机废水的功能；阴极室通过曝气则具有去除无机碳、硝化反应的功能；中间分隔膜根据具体情况可采用阴离子膜或者阳离子膜。阴、阳极室发生不同的反应：阳极室中，有机污染物被微生物降解成二氧化碳和水，同时产生电子，发生氧化反应；阴极室曝空气后，空气中的氧气得到电子，并与阴极溶液中氢离子反应生成水，发生还原反应。目前，微生物燃料电池因其水力停留时间短、污泥量少、温度适宜、可再利用能量而备受关注，但是由于阴极需要昂贵的催化剂，目前应用中试规模的微生物燃料电池处理废水的报道较少，且尚无中试规模的生物阴极微生物燃料电池处理废水的报道。本发明采用多个大型生物阴极微生物燃料电池串联或者并联运行，无需使用化学催化剂，能对较大规模的废水进行有效处理。
发明内容
本发明提供了一种大型生物阴极微生物燃料电池堆装置，其特征在于，所述的电池堆含80个生物阴极微生物燃料电池，所述电池堆的总体积为1.5m3。电池堆分为4个电池组，每个电池组分布4级，每一级5个微生物燃料电池，不同电池组之间水路呈并联，相同电池组内不同级中的微生物燃料电池水路呈串联，同一级的微生物燃料电池水路呈并联；阴极的好氧自养型微生物消耗无机碳的同时接受来自阳极的电子；离子交换膜21将微生物燃料电池分为阳极室13和阴极室14；在阳极室13内放置阳极15，在阴极室14内放置阴极16，并在阳极15上驯化、富集厌氧微生物17，在阴极16上驯化、富集好氧微生物18；阳极15和阴极16通过导线10接入电路，再通过电缆9和负载f相连，数据采集系统g对负载f的电压进行采集、监测；有机废水由阳极池进水口1进入阳极池Ⅰ，经过阳极液流入管3以及阳极循环泵a的提升，由阳极室进水口11注入阳极室13，初步降解的有机废水由阳极室出水口19流出，与同一级微生物燃料电池的阳极出水汇合并作为下一级微生物燃料电池阳极室13的进水，经过四级降解后流入阳极流出管5，经过阳极池提升泵c重新回到阳极池Ⅰ，重复循环至降解完全，再由阳极池排污管7排出；含无机碳源废水由阴极池进水口2进入阴极池Ⅱ，经过曝气机e曝气充氧，再经过阴极液流入管4以及阴极循环泵b的提升，由阴极室进水口12注入阴极室14，初步降解的无机碳源废水由阴极室出水口20流出，与同一级微生物燃料电池的阴极出水汇合并作为下一级微生物燃料电池阴极室14的进水，经过四级降解后流入阴极流出管6，经过阴极池提升泵d重新回到阴极池Ⅱ，重复循环至降解完全，再由阴极池排污管8排出。
所述离子交换膜21为透过率≥90％的无毒离子交换膜，膜厚度0.2～0.5mm，爆破强度＞0.3MPa。
所述阳极15上的厌氧微生物17和阴极16上的好氧微生物18所形成的膜厚度为10～110μm。
述阳极室13和阴极室14的材料包括：聚甲基丙烯酸甲酯，厚度4～10mm；或不锈钢，厚度0.8～3.0mm。
所述阳极室13中阳极15和阴极室14中阴极16的材料包括：碳毡，厚度5～10mm；或石墨毡，厚度5～10mm；或碳布，厚度5～10mm。
本发明的有益效果为：生物阴极不需要添加化学催化剂，可减少微生物燃料电池成本、提高微生物燃料电池长期稳定性；利用微生物燃料电池快速处理污水的同时产生电能；本发明所述工艺简单、高效；处理装置结构紧凑，处理量大，便于实际应用。
附图说明
图1为本发明所述循环式生物阴极微生物燃料电池系统的工艺及装置示意图。
图中标示：
Ⅰ—阳极池，Ⅱ—阴极池；Ⅲ—电池组；1—阳极池进水口，2—阴极池进水口，3—阳极流入管，4—阴极流入管，5—阳极流出管，6—阴极流出管，7—阳极池排污管，8—阴极池排污管，9—电缆，10—导线，11—阳极室进水口，12—阴极室进水口，13—阳极室，14—阴极室，15—阳极，16—阴极，17—厌氧微生物，18—好氧微生物，19—阳极室出水口，20—阴极室出水口，21—离子交换膜；a—阳极循环泵，b—阴极循环泵，c—阳极池提升泵，d—阴极池提升泵，e—曝气机，f—负载，g—数据采集系统。
具体实施方式
本发明提供了一种大型生物阴极微生物燃料电池堆装置，以下结合附图对具体实施方式进行说明。
实施方式1：装置安装
装置按照图1所示的原理图进行安装：阴离子交换膜21将电池组1和电池组2中的微生物燃料电池分为阳极室13和阴极室14，阳离子交换膜21将电池组3和电池组4中的微生物燃料电池分为阳极室13和阴极室14，其中阴离子交换膜21与阳离子交换膜21采用透过率为94％的无毒的离子交换膜，厚度为0.3mm，爆破强度≥0.5MPa；在阳极室13内装入厚度为5～6mm的碳毡作为阳极15，在阴极室14内装入厚度为5～6mm的碳毡作为阴极16，阳极15分布厚度为50～70μm的厌氧微生物17，阴极16上分布厚度为50～70μm的好氧微生物18，均从生活污水处理厂消化污泥驯化而来；在负载f给每个微生物燃料电池接入1000Ω的外阻。
实施方式2：装置运行
装置安装完成后，在阳极池Ⅰ中由阳极池进水口1加入可生化处理的有机废水并使其处于溶解氧浓度低于0.2mg/L的厌氧状态，经过阳极液流入管3以及阳极循环泵a的提升，由阳极室进水口11注入阳极室13，废水中的有机物在厌氧微生物17的作用下被初步降解，同时降解污染物所产生的电子传递至阳极15，初步降解的有机废水由阳极室出水口19排出，与同一级微生物燃料电池阳极室13汇合并作为下一级微生物燃料电池阳极室13的进水，经过四级降解后流入阳极流出管5，经过阳极池提升泵c重新回到阳极池Ⅰ，重复循环至降解完全，再由阳极池排污管7排出；含无机碳源废水由阴极池进水口2进入阴极池Ⅱ，经过曝气机e曝气充氧，使其溶解氧浓度高于2.0mg/L，再经过阴极液流入管4以及阴极循环泵b的提升，由阴极室进水口12注入阴极室14，废水中的氧气以及氢离子在好氧微生物18的催化作用下结合阴极获得的电子生成水，同时阳极室13和阴极室14中的阴阳离子穿过离子交换膜相互交换。初步降解的无机碳源废水由阴极室出水口20流出，与同一级微生物燃料电池的阴极出水汇合并作为下一级微生物燃料电池阴极室14的进水，经过四级降解后流入阴极流出管6，经过阴极池提升泵d重新回到阴极池Ⅱ，重复循环至降解完全，再由阴极池排污管8排出。
在实施过程中，阳极室13和阴极室14的有效体积为7L，阳极池Ⅰ和阴极池Ⅱ的有效体积为200L，所用有机废水的化学需氧量为780mg/L，所用含无机碳源废水总无机碳为100mg/L，处理周期为72h，COD去除率大于70％；微生物燃料电池系统输出功率大于5W/m3。

Claims (2)

1.一种大型生物阴极微生物燃料电池堆装置，其特征在于：所述的大型生物阴极微生物燃料电池堆装置含80个生物阴极微生物燃料电池单元，所述的生物阴极微生物燃料电池单元被离子交换膜(21)分为阳极室(13)和阴极室(14)；在阳极室(13)内放置阳极(15)，在阴极室(14)内放置阴极(16)，并在阳极(15)上驯化、富集厌氧微生物(17)，在阴极(16)上驯化、富集好氧微生物(18)；阳极(15)和阴极(16)通过导线(10)接入电路，再通过电缆(9)和负载f相连，数据采集系统g对负载f的电压进行采集、监测；
有机废水由阳极池进水口(1)进入阳极池Ⅰ，经过阳极液流入管(3)以及阳极循环泵a的提升，由阳极室进水口(11)注入阳极室(13)，初步降解的有机废水由阳极室出水口(19)流出，与同一级生物阴极微生物燃料电池单元的阳极出水汇合并作为下一级生物阴极微生物燃料电池阳极室(13)的进水，经过四级降解后流入阳极流出管(5)，经过阳极池提升泵c重新回到阳极池Ⅰ，重复循环至降解完全，再由阳极池排污管(7)排出；
含无机碳源废水由阴极池进水口(2)进入阴极池Ⅱ，经过曝气机e曝气充氧，再经过阴极液流入管(4)以及阴极循环泵b的提升，由阴极室进水口(12)注入阴极室(14)，初步降解的无机碳源废水由阴极室出水口(20)流出，与同一级生物阴极微生物燃料电池单元的阴极出水汇合并作为下一级生物阴极微生物燃料电池阴极室(14)的进水，经过四级降解后流入阴极流出管(6)，经过阴极池提升泵d重新回到阴极池Ⅱ，重复循环至降解完全，再由阴极池排污管(8)排出；
所述电池堆的总体积为1.5m3；所述的电池堆分为4个电池组，每个电池组分布4级，不同电池组之间水路呈并联，相同电池组内不同级中的生物阴极微生物燃料电池单元水路呈串联，同一级的生物阴极微生物燃料电池单元水路呈并联。
2.根据权利要求1所述的大型生物阴极微生物燃料电池堆装置，其特征在于：阴极的好氧自养型微生物消耗无机碳的同时接受来自阳极的电子。
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