CN106374127B - 一种跌水曝气式微生物燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新能源及废水资源化利用技术领域，公开一种跌水曝气式微生物燃料电池。具体涉及将跌水曝气溶氧技术引入基于微生物燃料电池原理的废水处理工艺及设计当中，替代机械鼓风曝气方式，为MFC阴极室提供溶解氧。新的跌水溶氧与耦合生物产电原理的工艺及装备的设计，实现了生物能源转化及废水高效处理。在废水流过微生物燃料电池阳极后经跌水曝气单元进入阴极室，既实现了废水厌氧+好氧二级工艺处理，又为MFC阴极提供了充分的溶解氧作为阴极的电子受体，实现废水处理资源化及同时生物产电。
Description
技术领域
本发明属于新能源及废水资源化利用技术领域，具体涉及将跌水曝气溶氧技术引入基于微生物燃料电池(MFC)原理的废水处理工艺及设计当中，替代机械鼓风曝气方式，为MFC阴极室提供溶解氧。新的跌水溶氧与耦合生物产电原理的工艺及装备的设计，实现了生物能源转化及废水高效处理。在废水流过微生物燃料电池阳极后经跌水曝气单元进入阴极室，既实现了废水厌氧+好氧二级工艺处理，又为MFC阴极提供了充分的溶解氧作为阴极的电子受体，实现废水处理资源化及同时生物产电。
背景技术
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，简称MFC)技术在近年随着新能源技术的崛起而得到广泛的关注。该技术集废水生物处理与能源转化于一体，不仅能够实现废水的净化处理，还能将生物质能转化为电能。跌水曝气(Drop aeration，简称DA)是一种传统微动力污水溶氧技术方法，其工作原理是将污水从高处跌落，污水在跌落过程中与空气中的氧气充分接触，实现氧由向气相溶解进入液相的界面传质，实现水体增氧溶氧过程。废水中的好氧微生物在氧气的参与下对水中的有机质进行快速分解吸收，实现废水的净化处理。
传统生物阴极型微生物燃料电池以O2为阴极电子受体，为实现生物质能的高效转化，往往需要在阴极室通过机械鼓风曝气的形式为阴极室提供充足的溶解氧，促进电能生产。也有很多研究者开发了不同形式的空气阴极型MFC，或使用昂贵的空气阴极催化剂，或制备易于气液交换的复合膜材料，以上类型的MFC往往最初电池电势较高，但随着空气阴极膜表面微生物的附着和生物膜的增厚，传氧机制逐渐滞缓，致使MFC电池电势快速降低。目前，解决这个技术难题的有效办法是拆卸空气阴极膜，将膜表面生物膜冲洗干净后重新组装。操作人员只有不断地对阴极膜进行清洗，才能实现电池电势的有效恢复。
将跌水曝气技术与MFC技术进行耦合，具有双重技术优势。一是像空气阴极一样，可实现MFC阴极溶氧复氧提升溶解氧过程的零动力消耗，节约运行成本，却又不需要空气阴极的隔水防漏的膜界面，降低了材料成本。二是跌水床层设置接触氧化膜层，在提高溶解氧的同时，也利用接触氧化膜生长的生物膜，能够实现废水的厌氧+好氧的二级工艺处理。本专利还同时实现阴极膜过滤出水。解决了传统无膜过滤出水的MFC废水处理效率低的难题。充分利用两种技术各自的优势，协同创新实现了集成模式的生物发电能源回收+跌水复氧污水处理一体化。目前尚无研究者将此工艺应用于基于微生物燃料电池原理的废水处理工艺设计中。
发明内容
本发明的目的是提供一种跌水曝气式微生物燃料电池，既可解决MFC机械鼓风曝气动力消耗大的问题，又能够有效提高MFC生物降解效率，解决了传统MFC出水水质差的问题。
本发明的技术方案：
一种跌水曝气式微生物燃料电池，步骤如下：
微生物燃料电池的水力传输采用溢流模式，进水侧设有折流室，顶端密闭进水，折流室废水经下部折流进入阳极室，折流室水力停留时间2-3h；阳极室电极为碳棒，碳棒顶端内置导线；阳极室填充石墨颗粒，即形成阳极石墨床，石墨颗粒填充率80～95％；阳极室上部设置跌水板，阳极石墨床出水经跌水板后溢，阳极室水力停留时间3-4h；跌水板出水直接落入跌水曝气室，跌水曝气室即为空气阴极室；跌水曝气室内置三级碳纤维布跌水床，三级碳纤维布跌水床外连导线，兼MFC空气阴极功能；
跌水曝气室跌水在三级碳纤维布跌水床形成水跃，增加废水液面与空气的接触表面，氧转移效率显著增加；三级碳纤维布跌水床表面微生物在溶解氧的参与下，加速有机质的分解和代谢过程，形成有机物的好氧分解；同时微生物加速三级碳纤维布跌水床表面氧的传递，促进MFC生物阴极电子的合成转移，进而提高MFC电池电势；跌水曝气室下部出水溢流至MFC阴极室；
微生物燃料电池阴极室内置碳纤维布基底导电膜组件，导电膜组件与跌水曝气室三级碳纤维布跌水床并联后与阳极间串联，并外接电阻；微生物燃料电池阴极室导电膜利用跌水曝气室出水溶解氧，导电膜组件形成生物阴极；导电膜预制成夹板式膜组件，外连出水泵，实现导电膜组件负压过滤出水。
在微生物燃料电池阳极室和阴极室间设置石英砂质子交换仓，替代传统质子交换膜(Proton exchange membrane，简称PEM)。
本发明的有益效果：本跌水曝气式微生物燃料电池，创新式引进跌水曝气溶氧工艺，滴式溶氧、水跃溶氧、三级跌水溶氧等多种溶氧方式的设计，可显著提高废水溶解氧含量，在跌水曝气室形成高效MFC空气阴极；废水中有机质在阳极厌氧分解后，在跌水曝气室实现有效的好氧分解，解决了传统MFC有机质分解效率低的问题，直接提高MFC的出水水质；碳纤维布跌水床同步实现溶氧、有机物好氧分解、质子传递三重功能。石英砂质子交换仓替代成本高昂质子交换摸，显著降低废水处理设备造价；微生物燃料电池阴极室生物阴极利用跌水曝气溶解氧，替代传统生物阴极机械鼓风曝气，彻底实现溶氧过程的零动力消耗，空气阴极与生物阴极的协同作用能够有效控制过滤膜组件的膜污染，解决当前膜过滤易污堵的技术难题；本跌水曝气式微生物燃料电池集传统空气阴极和生物阴极于一体，兼具膜过滤功能，适用高负荷污水的处理，可实现装置出水水质的长期稳定。
附图说明
图1是本发明的装置设计工艺流程图。
图2是跌水曝气式MFC电势图。
图中：横坐标表示时间，单位d；纵坐标表示电压，单位V；三角形、正方形、圆形分别代表电池电势、阳极电势、阴极电势。
图3是本发明的COD过滤性能图。
图中：横坐标表示时间，单位d；纵坐标表示进水浓度和去除效率，单位mg/L和％；方块、圆点分别表示COD进水浓度、去除效率。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
折流室：折流室设计尺寸为0.05×0.1×0.5m；顶部预置Φ8(mm)排气口；上沿0.05m处预置Φ8(mm)进水口；下部折流通道设计尺寸0.1×0.05m；折流室水力传递为推流式。
阳极室：阳极室设计尺寸为0.1×0.1×0.5m，进水侧为折流室底部折流入水；阳极电极为糙面碳棒(预制打磨形成糙面)，尺寸为Φ8(mm)×0.5m，内置8根，排列方式为1-2-2-2-1，碳棒顶端预置Φ3(mm)×0.05m中心孔，插引碳纤维束导线，碳棒间导线串联后外引；石墨颗粒填充阳极室，粒径尺寸3-5mm，填充率85％；阳极室顶部插入甘汞参比电极，阳极碳纤维束导线、参比电极分别接入电势数据集成系统。
跌水曝气室：跌水曝气室顶板为阳极出水板，此板设计成溢流跌水板。跌水板设计尺寸为0.1×0.5m，设置10个可调节式内丝出水孔，出水孔尺寸为Φ3(mm)，排列方式为2-2-2-2-2；跌水曝气室自上而下设置三级碳纤维布跌水床，S型重力跌水；碳纤维布跌水床兼具空气阴极作用，预留碳纤维导线。
石英砂质子交换仓：石英砂质子交换仓设计尺寸为0.05×0.1×0.20m；粒径0.5-1mm，填充率100％；质子交换双通道设计尺寸为0.07×0.30mm,内丝无纺布封口，防止石英砂外漏。
阴极室：阴极室设计尺寸为0.15×0.1×0.3m；跌水曝气室底部出水直接溢流进入阴极室；碳纤维布基底导电膜兼具生物阴极及过滤双重功能；导电膜提前预置并留有碳纤维导线，与碳纤维跌水床预留导线并联后，与阳极串联并接入1000Ω外电阻；阴极导线与数据集成系统相连，实时连续采集电池电势数据。将导电膜预置成平板膜组件，双模间预置出水隔板，隔板预置负压出水口，出水管口尺寸为Φ8×30mm，外连出水泵，负压过滤出水。具体装置设计工艺流程见图1。
装置性能检验：阳极室接种希瓦氏产电菌。人工配制废水经蠕动泵输送入折流室进水，阳极电势稳定后，进行系统调试；电池电势稳定后，连续实验分析出水水质。性能检验结果如图2、图3所示，说明本装置能够实现废水处理及质能转化。
Claims (1)
1.一种跌水曝气式微生物燃料电池，其特征在于：
微生物燃料电池的水力传输采用溢流模式，进水侧设有折流室，顶端密闭进水，折流室废水经下部折流进入阳极室，折流室水力停留时间2-3h；
阳极室电极为碳棒，碳棒顶端内置导线；阳极室填充石墨颗粒，即形成阳极石墨床，石墨颗粒填充率80～95％；阳极室上部设置跌水板，阳极石墨床出水经跌水板后溢，阳极室水力停留时间3-4h；
跌水板出水直接落入跌水曝气室，跌水曝气室即为空气阴极室；跌水曝气室内置三级碳纤维布跌水床，三级碳纤维布跌水床外连导线，兼微生物燃料电池空气阴极功能；跌水曝气室跌水在三级碳纤维布跌水床形成水跃，增加废水液面与空气的接触表面，氧转移效率显著增加；三级碳纤维布跌水床表面微生物在溶解氧的参与下，加速有机质的分解和代谢过程，形成有机物的好氧分解；同时微生物加速三级碳纤维布跌水床表面氧的传递，促进微生物燃料电池生物阴极电子的合成转移，进而提高微生物燃料电池电池电势；跌水曝气室下部出水溢流至微生物燃料电池阴极室；
微生物燃料电池阴极室内置碳纤维布基底导电膜组件，导电膜组件与跌水曝气室三级碳纤维布跌水床并联后与阳极间串联，并外接电阻；微生物燃料电池阴极室导电膜利用跌水曝气室出水溶解氧，导电膜组件形成生物阴极；导电膜预制成夹板式膜组件，外连出水泵，实现导电膜组件负压过滤出水；
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| CN106374127A (zh) | 2017-02-01 |
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