CN105489918B - 一种新型微生物燃料电池组合填料及其应用 - Google Patents

一种新型微生物燃料电池组合填料及其应用 Download PDF

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Abstract

一种新型微生物燃料电池组合填料及其应用，本发明涉及一种新型微生物燃料电池组合填料及其应用。本发明包括阴极外壳、离子交换膜、阳极外壳、阴极、阳极、进水阀、出水阀、导线和外接电阻；阳极外壳和离子交换膜所构成的空间为MFC阳极室，阴极外壳和离子交换膜所构成的空间为MFC阴极室。本发明的目的是利用MFC原理，设计包含阴极和阳极的组合填料。本填料不仅具有传统填料增加生物膜的功能和特点，且能利用MFC的产电微生物和自由电子，以氧气、硝态氮和部分有机物等为电子受体降解底物，实现污水的高效脱碳、脱氮。本发明应用于污水处理技术领域。

Description

一种新型微生物燃料电池组合填料及其应用
技术领域
本发明涉及一种新型微生物燃料电池组合填料及其应用。
背景技术
微生物燃料电池(MFC)利用微生物催化氧化有机物和无机物，在降解污染物的同时，将化学能转化为电能。MFC对水中污染物的降解主要包括两部分作用，一是MFC阳极厌氧分解有机物，二是MFC阴极利用产电微生物和自由电子，以氧气、硝态氮、部分有机物等为电子受体降解底物。通过上述两方面的作用，MFC提高了对污水中难降解有机物、COD、TN的去除效率。
传统污水处理的组合填料，通过投加在生化池中为微生物提供附着生长的场所，形成生物膜系统，实现了在不影响生化池泥水分离效果的前提下，大幅度增加生化池的生物量，提高了污水处理效果。但生物膜对难降解物质和TN的去除效果受到微生物本身降解物质能力范围和环境的限制难以进一步提高。
目前尚未出现将填料的挂膜功能和MFC对难降解物质、COD、TN的强化去除功能相结合，形成MFC填料加入到生化池中，从而实现污水的高效处理的报道。
发明内容
本发明的目的是利用MFC原理，提供一种新型微生物燃料电池组合填料及其应用，实现污水的高效脱碳、脱氮。
本发明一种新型微生物燃料电池组合填料，其特征在于该电池填料包括阴极外壳、离子交换膜、阳极外壳、阴极、阳极、进水阀、出水阀、导线和外接电阻；其中，阴极外壳为镂空结构，阳极外壳下部开有进水阀和出水阀；阳极外壳和离子交换膜所构成的空间为MFC阳极室，阴极外壳和离子交换膜所构成的空间为MFC阴极室，MFC阳极室中设有阳极，MFC阴极室中设有阴极，外接电阻两端通过导线分别与阳极和阴极相连。
本发明一种新型微生物燃料电池组合填料的应用是指应用于污水处理生化池中，应用方法为将n个所述的新型微生物燃料电池组合填料投加到污水处理生化池中或将n个MFC通过链接索连接后投加到污水处理生化池中，其中n为＞0的正整数。
所述的阳极材质为碳纤维丝、碳布、碳刷或石墨颗粒，其上附着产电微生物，在降解有机物的同时产生胞外电子和质子，电子通过与阳极相连的导线经外接电阻到达与导线另一端相连的阴极，质子通过离子交换膜达到阴极室。所述的离子交换膜，采用阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜或无纺布，当采用无纺布时，无纺布表面用聚四氟乙烯(PTFE)做防水处理，其作用是隔离阳极室和阴极室，使其保持相对独立的环境，同时将质子从阳极室传递到阴极室。所述的阴极材质为碳纤维丝、碳布、碳刷或不锈钢，通过其上附着铂/碳或钴四甲基苯基卟啉等催化剂或产电微生物，利用阳极传递过来的自由电子，以氧气、硝态氮、部分有机物等物质为电子受体，提高对污水中难降解有机物、COD、TN的去除效率。
阴极外壳和阳极外壳均由密度小于1的聚丙烯、聚乙烯或ABS等有机材料铸模形成，阴极外壳和阳极外壳可均为半球形，两者构成一个球体，或者为立方体、圆柱体和椎体，能自由悬浮在水中。可同时将多个MFC填料直接投加到污水处理生化池中，生化池可以是好氧生化池、缺氧生化池或兼氧生化池，形成自由分布的填料；也可以将各个MFC通过链接索连接起来，形成在生化池中固定分布的填料。
本发明填料投加前阳极需经厌氧污泥接种，待MFC产生稳定的电压后，将其投加入生化池。运行时MFC阳极室采用每5到10天换一次水的频率，换水时通过外力制造阳极室与外界的压力差，使经阳极处理后的污水通过出水阀排入生化池，然后改变压力差，使生化池中的污水通过进水阀进入MFC阳极室，为产电微生物的生长提供必需的能源和物质。进水阀和出水阀，可通过一个类似旋转门结构的双向阀门替代。MFC的阴极通过镂空的阴极外壳与生化池连通，获得维持MFC运行所需的电子受体和营养物质，实现MFC在生化池中的长期稳定生长，提高污水处理效能。
本发明包含以下有益效果：
本发明的新型微生物燃料电池组合填料，便于工程化生产和应用，投加到污水处理生化池中，形成生物膜，增加生物量，同时利用产电微生物提高对难降解物质的处理效果，强化污水COD、TN去除效率，有效提高污水处理效果。
将本发明的新型微生物燃料电池组合填料投加到污水生化池中，MFC的开路电压达到了660mV，说明本发明的MFC填料能在污水生化池中高效生长；污水COD和TN的去除效果达到了95％和70％，说明本发明的新型微生物燃料电池组合填料能实现污水高效处理。
附图说明
图1为实施例一新型微生物燃料电池组合填料结构示意图；
图2为实施例一中加入填料生化池COD处理效果图；
图3为实施例一中加入填料生化池总氮处理效果图；
图4为实施例二可固定新型微生物燃料电池组合填料结构示意图；
图5为实施例二固定新型微生物燃料电池组合填料组装示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种新型微生物燃料电池组合填料，包括阴极外壳1、离子交换膜2、阳极外壳3、阴极4、阳极5、进水阀6、出水阀7、导线8和外接电阻9；其中阴极外壳1为镂空结构，阳极外壳3下部开有进水阀6和出水阀7；阳极外壳3和离子交换膜2所构成的空间为MFC阳极室12，阴极外壳1和离子交换膜2所构成的空间为MFC阴极室11，MFC阳极室12中设有阳极5，MFC阴极室11中设有阴极4，外接电阻9两端通过导线8分别与阳极5和阴极4相连。
所述的阳极5材质为碳纤维丝、碳布、碳刷或石墨颗粒，其上附着产电微生物，在降解有机物的同时产生胞外电子和质子，电子通过与阳极5相连的导线8经外接电阻9到达与导线另一端相连的阴极4，质子通过离子交换膜2达到阴极室11。所述的离子交换膜2，采用阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜或无纺布，当采用无纺布时，无纺布表面用聚四氟乙烯(PTFE)做防水处理，其作用是隔离阳极室12和阴极室11，使其保持相对独立的环境，同时将质子从阳极室传递到阴极室。所述的阴极4材质为碳纤维丝、碳布、碳刷或不锈钢，通过其上附着铂/碳或钴四甲基苯基卟啉等催化剂或产电微生物，利用阳极传递过来的自由电子，以氧气、硝态氮、部分有机物等物质为电子受体，提高对污水中难降解有机物、COD、TN的去除效率。
本实施方式包含以下有益效果：
本实施方式的新型微生物燃料电池组合填料，便于工程化生产和应用，投加到污水生化池中，形成生物膜，增加生物量，同时利用产电微生物提高对难降解物质的处理效果，强化污水COD、TN去除效率，有效提高污水处理效果。
将本实施方式的新型微生物燃料电池组合填料投加到污水生化池中，MFC的开路电压达到了660mV，说明本发明的MFC填料能在污水生化池中高效生长；污水COD和TN的去除效果分别达到了95％和70％，说明本发明的新型微生物燃料电池组合填料能够实现污水高效处理。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：阴极外壳1和阳极外壳3由密度小于1的聚丙烯、密度小于1的聚乙烯或密度小于1的ABS制成。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：阴极外壳1和阳极外壳3为半球形，阴极外壳1和阳极外壳3构成一个球体。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：阴极外壳1和阳极外壳3为立方体、圆柱体或椎体。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：阳极5由碳纤维丝、碳布、碳刷或石墨颗粒制成，且附着产电微生物。其它与具体实施方式一至四之一相同。
本实施方式中所述的产电微生物是一类能够将胞内代谢产生的电子传递到胞外的微生物。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：阴极4由碳纤维丝、碳布、碳刷或不锈钢制成，且附着催化剂或产电微生物。其它与具体实施方式一至五之一相同。
本实施方式中所述的产电微生物是一类能够将胞内代谢产生的电子传递到胞外的微生物。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的催化剂为铂/碳或钴四甲基苯基卟啉。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述的离子交换膜2为阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜或无纺布。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述的无纺布表面涂覆聚四氟乙烯。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式一种新型微生物燃料电池组合填料的应用是指应用于污水处理生化池中，应用方法为将n个所述的新型微生物燃料电池组合填料投加到污水处理生化池中或将n个微生物燃料电池填料通过链接索10连接后投加到污水处理生化池中；其中n为＞0的正整数。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式十不同的是：所述的污水处理生化池为好氧生化池、缺氧生化池或兼氧生化池。其它与具体实施方式十相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：本实施例一种新型微生物燃料电池组合填料，包括镂空聚丙烯阴极半球外壳1、阳离子交换膜2、密闭聚丙烯阳极半球外壳3、碳纤维丝阴极4、碳刷阳极5、进水阀6、出水阀7、导线8和外接电阻9。其中阴极外壳1和阳极外壳3通过螺纹或卡扣的方式构成一个球体，离子交换膜2位于球体的中心切面，阳极外壳3和阳离子交换膜2构成MFC阳极室12，阴极外壳1和阳离子交换膜2构成MFC阴极室11，阳离子交换膜2将阳极室12和阴极室11分开，MFC阳极室12中设有阳极5，MFC阴极室11中设有阴极4，阳极5和阴极4通过导线8和外接电阻9相连。所有结构形成一个完整的球形MFC，该MFC本身作为一个独立的微型填料，本实施方式的球形MFC填料直径为8cm。
首先将8个MFC填料同时进行启动培养，MFC阳极采用厌氧污泥接种，加入一半厌氧泥一半生活污水，然后将整个MFC置于好氧污泥生化池中培养，外接电阻1000Ω。启动期间采用间歇运行的方式，隔天对阳极室和好氧区的污水液进行更换。经过2个星期的启动，每个MFC填料的开路电压稳定在400mV，说明MFC启动成功。
运行SBR反应器，反应器有效容积为8L，排水比0.5。每天运行4个周期，每周期6小时，其中进水10min，曝气240min，沉淀90min，出水20min。进水采用生活小区污水，投加8个接种好的本发明填料，自由悬浮分布在SBR中，悬浮MLSS在3000mg/L左右。当反应器稳定运行时，出水COD、TN浓度分别为23mg/L和15mg/L。(图2、图3)。
实施例2：本实施例一种新型微生物燃料电池组合填料，包括镂空聚丙烯阴极外壳1、阳离子交换膜2、密闭聚丙烯阳极外壳3、碳纤维丝阴极4、碳刷阳极5、进水阀6、出水阀7、导线8、外接电阻9。其中阳极外壳3和阳离子交换膜2构成MFC阳极室12，阴极外壳1和阳离子交换膜2构成MFC阴极室11，阳离子交换膜2将阳极室12和阴极室11分开，MFC阳极室12中设有阳极5，MFC阴极室11中设有阴极4，阳极5和阴极4通过导线8和外接电阻9相连。所有结构形成一个完整的球形MFC，该MFC本身作为一个独立的微型填料，本实施方式的球形MFC填料直径为8cm。
首先将10个MFC填料进行启动培养，MFC阳极采用厌氧污泥接种，加入一半厌氧泥一半生活污水，然后将MFC组合置于好氧污泥生化池中培养，外接电阻1000Ω。启动期间采用间歇运行的方式，隔天对阳极室和好氧区的污水液进行更换。经过2个星期的启动，每个MFC填料的开路电压稳定在400mV，说明MFC启动成功。
运行SBR反应器，反应器有效容积为8L，排水比0.5。每天运行4个周期，每周期6小时，其中进水10min，曝气240min，沉淀90min，出水20min。进水采用生活小区污水，将10个启动成功后的MFC填料通过链接索10连接(图4)，形成图5的组合形式，固定分布在生化池中，悬浮MLSS维持在3000mg/L左右。当反应器稳定运行时，出水COD和TN的去除率分别达到95％和70％。
由以上实施例可知，本发明的MFC填料阳极上附着产电微生物，在降解有机物的同时产生胞外电子和质子，电子通过与阳极相连的导线经外接电阻到达与导线另一端相连的阴极，质子通过离子交换膜达到阴极室。离子交换膜作用是隔离阳极室和阴极室，使其保持相对独立的环境，并将质子从阳极室传递到阴极室。阴极上附着铂/碳或钴四甲基苯基卟啉等催化剂或产电微生物，在形成生物膜，增加生物量的同时，利用阳极传递过来的自由电子，以氧气、硝态氮、部分有机物等为电子受体，提高对污水中难降解有机物、COD和TN的去除效率。

Claims (7)

1.一种微生物燃料电池组合填料，其特征在于微生物燃料电池组合填料包括阴极外壳(1)、离子交换膜(2)、阳极外壳(3)、阴极(4)、阳极(5)、进水阀(6)、出水阀(7)、导线(8)和外接电阻(9)；其中阴极外壳(1)为镂空结构，阳极外壳(3)下部开有进水阀(6)和出水阀(7)；阳极外壳(3)和离子交换膜(2)所构成的空间为MFC阳极室(12)，阴极外壳(1)和离子交换膜(2)所构成的空间为MFC阴极室(11)，MFC阳极室(12)中设有阳极(5)，MFC阴极室(11)中设有阴极(4)，外接电阻(9)两端通过导线(8)分别与阳极(5)和阴极(4)相连；其中阴极外壳(1)和阳极外壳(3)由密度小于1的聚丙烯、密度小于1的聚乙烯或密度小于1的ABS制成；阳极(5)由碳纤维丝、碳布、碳刷或石墨颗粒制成，且附着产电微生物；阴极(4)由碳纤维丝、碳布、碳刷或不锈钢制成，且附着催化剂或产电微生物，其中催化剂为铂/碳或钴四甲基苯基卟啉；所述的微生物燃料电池组合填料投加前阳极经厌氧污泥接种，待产生稳定的电压后，投加入污水处理生化池。
2.一种微生物燃料电池组合填料，其特征在于微生物燃料电池组合填料包括阴极外壳(1)、无纺布、阳极外壳(3)、阴极(4)、阳极(5)、进水阀(6)、出水阀(7)、导线(8)和外接电阻(9)；其中阴极外壳(1)为镂空结构，阳极外壳(3)下部开有进水阀(6)和出水阀(7)；阳极外壳(3)和无纺布所构成的空间为MFC阳极室(12)，阴极外壳(1)和无纺布所构成的空间为MFC阴极室(11)，MFC阳极室(12)中设有阳极(5)，MFC阴极室(11)中设有阴极(4)，外接电阻(9)两端通过导线(8)分别与阳极(5)和阴极(4)相连；其中阴极外壳(1)和阳极外壳(3)由密度小于1的聚丙烯、密度小于1的聚乙烯或密度小于1的ABS制成；阳极(5)由碳纤维丝、碳布、碳刷或石墨颗粒制成，且附着产电微生物；阴极(4)由碳纤维丝、碳布、碳刷或不锈钢制成，且附着催化剂或产电微生物，其中催化剂为铂/碳或钴四甲基苯基卟啉；所述的微生物燃料电池组合填料投加前阳极经厌氧污泥接种，待产生稳定的电压后，投加入污水处理生化池。
3.根据权利要求1或2所述的一种微生物燃料电池组合填料，其特征在于阴极外壳(1)和阳极外壳(3)为半球形，阴极外壳(1)和阳极外壳(3)构成一个球体。
4.根据权利要求1或2所述的一种微生物燃料电池组合填料，其特征在于阴极外壳(1)和阳极外壳(3)为立方体、圆柱体或锥体。
5.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池组合填料，其特征在于所述的离子交换膜(2)为阳离子交换膜或阴离子交换膜。
6.如权利要求1或2所述的一种微生物燃料电池组合填料的应用，其特征在于微生物燃料电池组合填料应用于污水处理生化池中，应用方法为将n个所述的微生物燃料电池填料投加到污水处理生化池中或将n个微生物燃料电池填料通过链接索(10)连接后投加到污水处理生化池中；其中n为＞0的正整数。
7.根据权利要求6所述的一种微生物燃料电池组合填料的应用，其特征在于所述的污水处理生化池为好氧生化池、缺氧生化池或兼氧生化池。
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