CN112047456A - 一种微生物燃料电池废水脱氮装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微生物燃料电池废水脱氮装置及方法，涉及微生物燃料电池与水处理技术领域，包括阳极室、阴极室、质子交换膜，阳极室和阴极室通过质子交换膜隔开，阳极室和阴极室内分别设置电极并通过导线连接，电极均为碳刷，并在导线上连接外电阻形成闭合回路，阳极室和阴极室内还分别设有饱和甘汞电极；阴极室顶部设有取样口，内部填充有填料，填料包括生物陶粒和铁碳微电解填料；还包括通气装置，通气装置交替向阴极室内通入二氧化碳和空气。在燃料电池中填充生物陶粒和铁碳微电解填料可提高微生物的附着和电子传递效果，阴极室交替通入空气和二氧化碳可达到同步硝化、反硝化，从而使得脱氮效果得到显著提高。
Description
技术领域
本发明涉及微生物燃料电池与水处理技术领域，特别是涉及一种微生物燃料电池废水脱氮装置及方法。
背景技术
废水中的氮污染是一个世界性的环境问题。传统的废水生物处理需要额外的碳源和功率输入，以保持较高的去除效率，既消耗了有限的资源，又增加了运行维护费用。此外，反硝化过程中还会产生大量污泥。
生物电化学系统是利用微生物作为催化剂来驱动电极表面发生氧化和还原反应的装置。该技术具有广阔的应用前景，包括废水处理、生物发电、生物修复并生产有价值的副产品。在此基础上发展出的微生物燃料电池作为一种有效的污水处理及回收清洁能源的新兴技术得到广泛关注，可用来进行脱氮。
常见的影响燃料电池脱氮的因素有外加电压、pH、电极材料、电池结构等，其中不同类型碳源的投加使得燃料电池的脱氮效果大不相同。常用的碳源有乙酸钠、甲醇和葡萄糖等有机碳源，像二氧化碳等无机碳源作为微生物的营养物质的研究较少。
发明内容
本发明针对上述技术问题，克服现有技术的缺点，提供一种微生物燃料电池废水脱氮装置及方法，将二氧化钛作为碳源，为微生物提供营养物质进行脱氮处理。
为了解决以上技术问题，本发明提供一种微生物燃料电池废水脱氮装置，包括阳极室、阴极室、质子交换膜，阳极室和阴极室通过质子交换膜隔开，阳极室上端、下端分别设有阳极室出水口、阳极室进水口，阴极室上端、下端分别设有阴极室出水口、阴极室进水口，阳极室和阴极室内分别设置电极并通过导线连接，电极均为碳刷，并在导线上连接外电阻形成闭合回路，阳极室和阴极室内还分别设有饱和甘汞电极；阴极室顶部设有取样口，内部填充有填料，填料包括生物陶粒和铁碳微电解填料；还包括通气装置，通气装置交替向阴极室内通入二氧化碳和空气。
本发明进一步限定的技术方案是：
前所述的一种微生物燃料电池废水脱氮装置，通气装置包括二氧化碳气瓶和空气泵，二氧化碳气瓶还连接有玻璃转子流量计，阴极室内底部设有微孔曝气盘，二氧化碳气瓶和空气泵分别与微孔曝气盘连接。
前所述的一种微生物燃料电池废水脱氮装置，阳极室内填充有厌氧污泥，其体积为阳极室体积的2/3。
前所述的一种微生物燃料电池废水脱氮装置，生物陶粒包括凹凸棒土50%-90%和稻壳粉5%-30%，其粒径为2-5mm。
前所述的一种微生物燃料电池废水脱氮装置，铁碳微电解填料为钠基膨润土，包括蒙脱石60%-88%、膨胀容25-50mg/L、2h吸水率：250%-350%。
前所述的一种微生物燃料电池废水脱氮装置，生物陶粒和铁碳微电解填料的配比比例为(5:1)-(2:1），总填充量为阴极室体积的(1/3)-(2/3)，且气体的通入使得填料处于半流化状态。
前所述的一种微生物燃料电池废水脱氮装置，阳极室和阴极室内分别加入有机培养液，分别占阳极室和阴极室体积的1/3。
前所述的一种微生物燃料电池废水脱氮装置，阳极有机培养液成分包括6g/L的Na2HPO4，3g/L的KH2PO4，0.5g/L的NaCl，0.1g/L的MgSO4·7H2O，0.015g/L的CaCl2和1mL微量元素，同时加入乙酸钠，使得阳极的COD含量为1000mg/L；阴极有机培养液成分包括0.528g/L的(NH4)2SO4，6g/L的Na2HPO4，3g/L的KH2PO4，0.5g/L的NaCl，0.1g/L的MgSO4·7H2O，0.015g/L的CaCl2和1mL微量元素。
前所述的一种微生物燃料电池废水脱氮装置，外电阻为100-1000Ω。
本发明的另一目的在于提供一种微生物燃料电池废水脱氮方法，应用于的微生物燃料电池废水脱氮装置，具体为：
厌氧污泥和有机培养液直接接种到阳极室，产电微生物将有机物氧化生成电子、质子和二氧化碳；电子经外电路导线转阴极室的阴极，质子经由质子交换膜扩散进入阴极室，在阴极活性点位上氧气被还原，与质子结合生成水；阴极室加入含氨氮的废水，空气和二氧化碳分别被空气泵和二氧化碳气瓶交替通入阴极室，空气使得阴极室处于好氧状态，从而实现硝化作用，二氧化碳使得阴极室处于厌氧状态，从而实现反硝化作用，阴极室实现同步硝化反硝化，与此同时二氧化碳作为无机碳源，以此来控制阴极的碳氮比；
阴极室内填充的生物陶粒和铁碳微电解填料，作为微生物的载体，挂膜和传质效果增强，铁碳微电解填料可增强电子传递效果，且持续交替的曝气使得填料呈现半流化状态，可起到搅拌、剪切和均匀的传质作用，从而使脱氮效果得到提高；当测得的电压小于50mV时，更换阴阳极的有机培养液，与此同时检测阴极氨氮的去除效率。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种二氧化碳/空气交替供给的微生物燃料电池废水脱氮装置及方法，阴极室交替通入空气和二氧化碳，以此来实现同步硝化和反硝化。且阴极室填充生物陶粒和铁碳微电解填料，使其作为微生物的载体，使得生物量增多，挂膜和传质效果增强，铁碳微电解填料可增强电子传递效果，且持续交替的曝气使得填料呈现半流化状态，可起到搅拌、剪切和均匀的传质作用，从而使脱氮效果得到提高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中：1、阳极室；2、阴极室；3、质子交换膜；4、阳极室进水口；5、阳极室出水口；6、阴极室进水口；7、阴极室出水口；8、厌氧污泥；9、生物陶粒；10、铁碳微电解填料；11、饱和甘汞电极；12、取样口；13、外电阻；14、碳刷；15、微孔曝气盘；16、玻璃转子流量计；17、二氧化碳气瓶；18、空气泵。
具体实施方式
一种微生物燃料电池废水脱氮装置，结构如图1所示，包括阳极室1、阴极室2、质子交换膜3，阳极室1和阴极室2体积均为1.2L并通过质子交换膜3隔开。阳极室1上端、下端分别设有阳极室1出水口、阳极室1进水口，阴极室2上端、下端分别设有阴极室2出水口、阴极室2进水口，阴极室2顶部设有取样口12。阳极室1和阴极室2内分别设置碳刷14电极并通过导线连接，在导线上连接100-1000Ω外电阻13形成闭合回路。阳极室1和阴极室2内还分别设有饱和甘汞电极11。
阳极室1内填充有厌氧污泥8，其体积为阳极室1体积的2/3。阴极室2内部填充有生物陶粒9填料和铁碳微电解填料10，配比比例为(5:1)-(2:1），总填充量为阴极室2体积的(1/3)-(2/3)，且气体的通入使得填料处于半流化状态。生物陶粒9填料包括凹凸棒土50%-90%和稻壳粉5%-30%，其粒径为2-5mm。铁碳微电解填料10为钠基膨润土，包括蒙脱石60%-88%、膨胀容25-50mg/L、2h吸水率：250%-350%。
阳极室1和阴极室2内分别加入有机培养液，分别占阳极室1和阴极室2体积的1/3。阳极有机培养液成分包括6g/L的Na2HPO4，3g/L的KH2PO4，0.5g/L的NaCl，0.1g/L的MgSO4·7H2O，0.015g/L的CaCl2和1mL微量元素，同时加入乙酸钠，使得阳极的COD含量为1000mg/L。阴极有机培养液成分包括0.528g/L的(NH4)2SO4，6g/L的Na2HPO4，3g/L的KH2PO4，0.5g/L的NaCl，0.1g/L的MgSO4·7H2O，0.015g/L的CaCl2和1mL微量元素。
还包括交替向阴极室2内通入二氧化碳和空气的通气装置。通气装置包括二氧化碳气瓶17和空气泵18，二氧化碳气瓶17还连接有玻璃转子流量计16，阴极室2内底部设有微孔曝气盘15，二氧化碳气瓶17和空气泵18分别与微孔曝气盘15连接。
上述装置的运行过程为：厌氧污泥8和有机培养液直接接种到阳极室1，产电微生物将有机物氧化生成电子、质子和二氧化碳；电子经外电路导线转阴极室2的阴极，质子经由质子交换膜3扩散进入阴极室2，在阴极活性点位上氧气被还原，与质子结合生成水；阴极室2加入含氨氮的废水，空气和二氧化碳分别被空气泵18和二氧化碳气瓶17交替通入阴极室2，空气使得阴极室2处于好氧状态，从而实现硝化作用，二氧化碳使得阴极室2处于厌氧状态，从而实现反硝化作用，阴极室2实现同步硝化反硝化，与此同时二氧化碳作为无机碳源，以此来控制阴极的碳氮比；阴极室2内填充的生物陶粒9填料和铁碳微电解填料10，作为微生物的载体，挂膜和传质效果增强，铁碳微电解填料10可增强电子传递效果，且持续交替的曝气使得填料呈现半流化状态，可起到搅拌、剪切和均匀的传质作用，从而使脱氮效果得到提高；当测得的电压小于50mV时，更换阴阳极的有机培养液，与此同时检测阴极氨氮的去除效率。
以下为具体应用实例：
实施例1
控制通入阴极的空气和二氧化碳的交替时间为12h：12h，生物陶粒9和铁碳微电解填料10的比例为5：1，初始氨氮浓度为135.4mg/L，总氮浓度为143.5mg/L，每次更换溶液时检测出水水质，氨氮浓度为12.59mg/L，去除率为90.7%，总氮浓度为28.56mg/L，去除率为80.1%。
实施例2
控制通入阴极的空气和二氧化碳的交替时间为12h：12h，生物陶粒9和铁碳微电解填料10的比例为2：1，初始氨氮浓度为135.4mg/L，总氮浓度为143.5mg/L，每次更换溶液时检测出水水质，氨氮浓度为18.14mg/L，去除率为86.6%，总氮浓度为35.59mg/L，去除率为75.2%。
实施例3
控制通入阴极的空气和二氧化碳的交替时间为6h：18h，生物陶粒9和铁碳微电解填料10的比例为5：1，初始氨氮浓度为135.4mg/L，总氮浓度为143.5mg/L，每次更换溶液时检测出水水质，氨氮浓度为33.85mg/L，去除率为75%，总氮浓度为51.8mg/L，去除率为63.9%。
实施例4
控制通入阴极的空气和二氧化碳的交替时间为6h：18h，生物陶粒9和铁碳微电解填料10的比例为2：1，初始氨氮浓度为135.4mg/L，总氮浓度为143.5mg/L，每次更换溶液时检测出水水质，氨氮浓度为41.43mg/L，去除率为69.4%，总氮浓度为58.55mg/L，去除率为59.2%。
由此可见，在燃料电池中填充生物陶粒9和铁碳微电解填料10可提高微生物的附着和电子传递效果，阴极室2交替通入空气和二氧化碳可达到同步硝化、反硝化，从而使得脱氮效果得到显著提高。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种微生物燃料电池废水脱氮装置，包括阳极室（1）、阴极室（2）、质子交换膜（3），所述阳极室（1）和所述阴极室（2）通过所述质子交换膜（3）隔开，所述阳极室（1）上端、下端分别设有阳极室（1）出水口、阳极室（1）进水口，所述阴极室（2）上端、下端分别设有阴极室（2）出水口、阴极室（2）进水口，所述阳极室（1）和所述阴极室（2）内分别设置电极并通过导线连接，其特征在于：所述电极均为碳刷（14），并在所述导线上连接外电阻（13）形成闭合回路，所述阳极室（1）和所述阴极室（2）内还分别设有饱和甘汞电极（11）；所述阴极室（2）顶部设有取样口（12），内部填充有填料，所述填料包括生物陶粒（9）和铁碳微电解填料（10）；还包括通气装置，所述通气装置交替向所述阴极室（2）内通入二氧化碳和空气。
2.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池废水脱氮装置，其特征在于：所述通气装置包括二氧化碳气瓶（17）和空气泵（18），所述二氧化碳气瓶（17）还连接有玻璃转子流量计（16），所述阴极室（2）内底部设有微孔曝气盘（15），所述二氧化碳气瓶（17）和所述空气泵（18）分别与所述微孔曝气盘（15）连接。
3.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池废水脱氮装置，其特征在于：所述阳极室（1）内填充有厌氧污泥（8），其体积为所述阳极室（1）体积的2/3。
4.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池废水脱氮装置，其特征在于：所述生物陶粒（9）包括凹凸棒土50%-90%和稻壳粉5%-30%，其粒径为2-5mm。
5.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池废水脱氮装置，其特征在于：所述铁碳微电解填料（10）为钠基膨润土，包括蒙脱石60%-88%、膨胀容25-50mg/L、2h吸水率：250%-350%。
6.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池废水脱氮装置，其特征在于：所述生物陶粒（9）和所述铁碳微电解填料（10）的配比比例为(5:1)-(2:1），总填充量为阴极室（2）体积的(1/3)-(2/3)，且气体的通入使得填料处于半流化状态。
7.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池废水脱氮装置，其特征在于：所述阳极室（1）和所述阴极室（2）内分别加入有机培养液，分别占所述阳极室（1）和所述阴极室（2）体积的1/3。
8.根据权利要求7所述的一种微生物燃料电池废水脱氮装置，其特征在于：阳极有机培养液成分包括6g/L的Na2HPO4，3g/L的KH2PO4，0.5g/L的NaCl，0.1g/L的MgSO4·7H2O，0.015g/L的CaCl2和1mL微量元素，同时加入乙酸钠，使得阳极的COD含量为1000mg/L；阴极有机培养液成分包括0.528g/L的(NH4)2SO4，6g/L的Na2HPO4，3g/L的KH2PO4，0.5g/L的NaCl，0.1g/L的MgSO4·7H2O，0.015g/L的CaCl2和1mL微量元素。
9.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池废水脱氮装置，其特征在于：所述外电阻（13）为100-1000Ω。
10.一种微生物燃料电池废水脱氮方法，其特征在于：应用于权利要求1-9任意一项所述的微生物燃料电池废水脱氮装置，具体为：
厌氧污泥（8）和有机培养液直接接种到阳极室（1），产电微生物将有机物氧化生成电子、质子和二氧化碳；电子经外电路导线转阴极室（2）的阴极，质子经由质子交换膜（3）扩散进入阴极室（2），在阴极活性点位上氧气被还原，与质子结合生成水；阴极室（2）加入含氨氮的废水，空气和二氧化碳分别被空气泵（18）和二氧化碳气瓶（17）交替通入阴极室（2），空气使得阴极室（2）处于好氧状态，从而实现硝化作用，二氧化碳使得阴极室（2）处于厌氧状态，从而实现反硝化作用，阴极室（2）实现同步硝化反硝化，与此同时二氧化碳作为无机碳源，以此来控制阴极的碳氮比；
阴极室（2）内填充的生物陶粒（9）和铁碳微电解填料（10），作为微生物的载体，挂膜和传质效果增强，铁碳微电解填料（10）可增强电子传递效果，且持续交替的曝气使得填料呈现半流化状态，可起到搅拌、剪切和均匀的传质作用，从而使脱氮效果得到提高；当测得的电压小于50mV时，更换阴阳极的有机培养液，与此同时检测阴极氨氮的去除效率。
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