專利名稱：一體式硝化-反硝化微生物燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物燃料電池，尤其涉及ー種一體式硝化-反硝化微生物燃料電池。
背景技術(shù)：
廢水處理是高能耗行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國廢水處理設(shè)施建設(shè)尚不完善的情況下，每年用于廢水處理的耗電量就占全國總發(fā)電量的1%，而在歐美等西方發(fā)達(dá)國家更高達(dá)3%。隨著能源短缺的日益加劇，節(jié)能降耗已成為廢水處理行業(yè)急待解決的現(xiàn)實(shí)問題。微生物燃料電池是ー種以微生物為催化劑，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。廢水中含有許多污染物，蘊(yùn)含大量化學(xué)能。利用MFCs技術(shù)來處理廢水，是廢水處理技術(shù)的重大創(chuàng)新，不僅可以治污，而且可以回收電能，是可持續(xù)的廢水處理新技木。由于微生物燃料電池可同時(shí)處理廢水并產(chǎn)生電能，這項(xiàng)新技術(shù)越來越受人們青睞，成為廢水處理領(lǐng)域的研發(fā)熱點(diǎn)。目前，利用微生物燃料電池來處理有機(jī)廢水，已取得重大進(jìn)展，無論是對低濃度的生活污水還是對高濃度的エ業(yè)廢水(淀粉廢水、釀酒廢水、造紙廢水)和農(nóng)業(yè)廢水(豬場廢水)，都顯示了較好的適應(yīng)性，其容積負(fù)荷可達(dá)十幾公斤，COD去除率可達(dá)90%以上，功率密度可達(dá)幾十W/m3或幾千mW/m2，微生物燃料電池技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域展示了良好的應(yīng)用前景。
然而，現(xiàn)有的微生物燃料電池技術(shù)還存在不少缺陷。一是雖然對有機(jī)污染物具有較好的去除效果，但對氮素污染物的去除尚不盡如人意。在水體富營養(yǎng)化日趨加劇的背景下，研發(fā)微生物燃料電池的脫氮功能已是必然要求，具有同步除碳脫氮功能的微生物燃料電池更加具有應(yīng)用價(jià)值；此外，廢水中的氨氮同有機(jī)物一祥都是電子供體，也可作為燃料，若能充分挖掘氨氮燃料資源，可有效提高原料利用率，并增強(qiáng)微生物燃料電池的產(chǎn)電能力。ニ是陰極電子受體成本較高，限制了其推廣和應(yīng)用。目前常用的電子受體主要有兩類，ー類是鐵氰化物、高錳酸鹽和重鉻酸鹽等化學(xué)氧化劑，這類電子受體傳質(zhì)性好，反應(yīng)活性高，但不可再生，需經(jīng)常更換，成本較高，且易造成二次污染；第二類是氧氣，來源廣泛，廉價(jià)易得，產(chǎn)物為水無污染，但其在水中的溶解度較低，還原速率很慢，常需在陰極負(fù)載Pt等貴金屬催化劑，而且曝氣成本也較高。廢水中的硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮也是電子受體，若能將其充分利用，不但可以降低微生物燃料電池的運(yùn)行成本，還能達(dá)到以廢治廢，ー舉多得。針對微生物燃料電池技術(shù)的諸多缺陷，本發(fā)明利用一體式硝化-反硝化微生物燃料電池技術(shù)來處理含氮廢水，以含氮廢水為燃料生產(chǎn)電能，實(shí)現(xiàn)同步廢水脫氮和生物產(chǎn)電，顯著降低生物脫氮費(fèi)用；通過聯(lián)合硝化反硝化，提高有機(jī)污染物和氮素污染物的去除率；利用有機(jī)物和氨氮為燃料，提高產(chǎn)電效率，利用硝化產(chǎn)物作為電子受體，以廢治廢，可有效降低微生物燃料電池的運(yùn)行成本。試驗(yàn)證明，據(jù)此開發(fā)的一體式硝化-反硝化微生物燃料電池出水達(dá)標(biāo)效果良好，性能聞效穩(wěn)定，廣電功率尚。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供ー種一體式硝化-反硝化微生物燃料電池?！w式硝化-反硝化微生物燃料電池包括支撐底座、曝氣區(qū)、反應(yīng)區(qū)、硝化陽極、導(dǎo)線、負(fù)載、回流管、反硝化污泥、反硝化室、出水管、導(dǎo)氣管、陰極液、取樣管、反硝化陰極、法蘭、分隔膜、取樣管、反硝化陰極、穿孔板、硝化室、微孔曝氣頭、進(jìn)水管；硝化室設(shè)有曝氣區(qū)和反應(yīng)區(qū)，硝化室底部設(shè)有支撐底座，曝氣區(qū)底部設(shè)有進(jìn)水管，曝氣區(qū)內(nèi)部設(shè)有微孔曝氣頭，反應(yīng)區(qū)底部設(shè)有穿孔板，反應(yīng)區(qū)側(cè)壁設(shè)有取樣管，反應(yīng)區(qū)中部設(shè)有硝化陽極，反應(yīng)區(qū)內(nèi)部裝有陽極液，陽極液中接種硝化污泥，硝化陽極上附著硝化污泥，反硝化室側(cè)壁設(shè)有取樣管，反硝化室中部設(shè)有反硝化陰極，反硝化室內(nèi)部裝有陰極液，陰極液中接種反硝化污泥，反硝化陰極上附著反硝化污泥，反硝化室上部側(cè)壁設(shè)有出水管，反硝化室頂部設(shè)有導(dǎo)氣管，硝化室和反硝化室通過法蘭連接，法蘭上固定有分隔膜，硝化室和反硝化室通過回流管連通，負(fù)載兩端通過導(dǎo)線分別與硝化陽極和反硝化陰極相連。所述的硝化室的體積和反硝化室的體積之比為廣2.5:1，硝化室中曝氣區(qū)的體積和反應(yīng)區(qū)的體積之比為0.r0.3:1，硝化污泥的體積與硝化室的體積之比為l/l(Tl/4，反硝化污泥的體積與反硝化室的體積之比為l/l(Tl/4。所述的陽極液為含有有機(jī)物和氨氮的廢水，pH為7.8 8.5，溶解氧濃度為
0.5^3.0mg/L,陰極液為硝化室的出水，陰極液中含有硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮。所述的硝化陽極和反硝化陰極的導(dǎo)電材料為碳紙、碳布、碳?xì)?、石墨氈或石墨板，硝化陽極與反硝化陰極之間的距離為5 20cm，硝化陽極的面積與硝化室的體積之比為8 50m2:l m3，反硝化陰極的面積與反硝化室的體積之比為8飛0 m2:l m3。所述的分隔膜的材料為陽離子交換膜、陰離子交換膜、質(zhì)子交換膜、雙極膜、微濾膜或超濾膜。所述的穿孔板上分 布一系列的同心圓圓孔，圓孔直徑為l 3mm。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果:(1)能以含氮廢水為燃料生產(chǎn)電能，實(shí)現(xiàn)同步廢水脫氮和生物產(chǎn)電，有效回收含氮廢水中蘊(yùn)含的能量，降低生物脫氮成本。(2)通過聯(lián)合硝化エ藝和反硝化エ藝，實(shí)現(xiàn)全程脫氮，提高有機(jī)污染物和氮素污染物的去除率。
(3)同時(shí)利用有機(jī)物和氨氮為燃料，提高原料利用率，増加產(chǎn)電效率。(4)利用硝化產(chǎn)物硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮作為微生物燃料電池的電子受體，以廢治廢，可有效降低微生物燃料電池的運(yùn)行成本。實(shí)驗(yàn)室運(yùn)試結(jié)果表明，一體式硝化-反硝化微生物燃料電池具有良好的同步脫氮除碳產(chǎn)電性能，污染物去除效率高，性能高效穩(wěn)定。


圖1是多功能反硝化微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意 圖2是穿孔板結(jié)構(gòu)示意 圖中:支撐底座1、曝氣區(qū)2、反應(yīng)區(qū)3、硝化陽極4、導(dǎo)線5、負(fù)載6、回流管7、反硝化污泥8、反硝化室9、出水管10、導(dǎo)氣管11、陰極液12、取樣管13、反硝化陰極14、法蘭15、分隔膜16、取樣管17、反硝化陰極18、穿孔板19、硝化室20、微孔曝氣頭21、進(jìn)水管22。如圖1、2所示，一體式硝化-反硝化微生物燃料電池包括支撐底座1、曝氣區(qū)2、反應(yīng)區(qū)3、硝化陽極4、導(dǎo)線5、負(fù)載6、回流管7、反硝化污泥8、反硝化室9、出水管10、導(dǎo)氣管
11、陰極液12、取樣管13、反硝化陰極14、法蘭15、分隔膜16、取樣管17、反硝化陰極18、穿孔板19、硝化室20、微孔曝氣頭21、進(jìn)水管22 ;硝化室20設(shè)有曝氣區(qū)2和反應(yīng)區(qū)3，硝化室20底部設(shè)有支撐底座1，曝氣區(qū)2底部設(shè)有進(jìn)水管22，曝氣區(qū)2內(nèi)部設(shè)有微孔曝氣頭21，反應(yīng)區(qū)3底部設(shè)有穿孔板19，反應(yīng)區(qū)3側(cè)壁設(shè)有取樣管13，反應(yīng)區(qū)3中部設(shè)有硝化陽極4，反應(yīng)區(qū)3內(nèi)部裝有陽極液17，陽極液17中接種硝化污泥18，硝化陽極4上附著硝化污泥18，反硝化室9側(cè)壁設(shè)有取樣管13，反硝化室9中部設(shè)有反硝化陰極14，反硝化室9內(nèi)部裝有陰極液12，陰極液12中接種反硝化污泥8，反硝化陰極14上附著反硝化污泥8，反硝化室9上部側(cè)壁設(shè)有出水管10，反硝化室9頂部設(shè)有導(dǎo)氣管11，硝化室20和反硝化室9通過法蘭15連接，法蘭15上固定有分隔膜16，硝化室20和反硝化室9通過回流管7連通，負(fù)載6兩端通過導(dǎo)線5分別與硝化陽極4和反硝化陰極14相連。所述的硝化室20的體積和反硝化室9的體積之比為f 2.5:1，硝化室20中曝氣區(qū)2的體積和反應(yīng)區(qū)3的體積之比為0.r0.3:1，硝化污泥18的體積與硝化室20的體積之比為l/l(Tl/4，反硝化污泥8的體積與反硝化室9的體積之比為1/101/4。所述的陽極液4為含有有機(jī)物和氨氮的廢水，pH為7.8 8.5，溶解氧濃度為
0.5^3.0mg/L,陰極液12為硝化室20的出水，陰極液12中含有硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮。所述的硝化陽極4和反硝化陰極14的導(dǎo)電材料為碳紙、碳布、碳?xì)?、石墨氈或石墨板，硝化陽極4與反硝化陰極14之間的距離為5 20cm，硝化陽極4的面積與硝化室20的體積之比為8 50 m2:l m3，反硝化陰極14的面積與反硝化室9的體積之比為8 50 m2:l m3。所述的分隔膜16的材料為陽離子交換膜、陰離子交換膜、質(zhì)子交換膜、雙極膜、微濾膜或超濾膜。所述的穿孔板19上分布一系列的同心圓圓孔，圓孔直徑為f 3mm。硝化污泥接種至硝化室內(nèi)，含氮廢水從`進(jìn)水管進(jìn)入硝化室曝氣區(qū)進(jìn)行曝氣充氧，在硝化室反應(yīng)區(qū)，有機(jī)物被異養(yǎng)菌分解釋放電子，氨氮被硝化菌轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮并釋放電子，完成硝化過程，反硝化室接種反硝化污泥，硝化室出水通過回流管引入反硝化室作為陰極液，殘留有機(jī)物可作為反硝化電子供體被進(jìn)ー步去除，硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮被反硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓瓿煞聪趸^程，實(shí)現(xiàn)廢水脫氮，陽極液中有機(jī)物和氨氮分解釋放的電子被硝化陽極接收，硝化陽極接受的電子經(jīng)連接導(dǎo)線和負(fù)載傳遞到反硝化陰極，電子被陰極液中的硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮還原，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)電。
權(quán)利要求
1.一種一體式硝化-反硝化微生物燃料電池，其特征在于它包括支撐底座(I)、曝氣區(qū)(2)、反應(yīng)區(qū)(3)、硝化陽極(4)、導(dǎo)線(5)、負(fù)載(6)、回流管(7)、反硝化污泥(8)、反硝化室(9)、出水管(10)、導(dǎo)氣管(11)、陰極液(12)、取樣管(13)、反硝化陰極(14)、法蘭(15)、分隔膜(16)、取樣管(17)、反硝化陰極(18)、穿孔板(19)、硝化室(20)、微孔曝氣頭(21)、進(jìn)水管(22);硝化室(20)設(shè)有曝氣區(qū)(2)和反應(yīng)區(qū)(3)，硝化室(20)底部設(shè)有支撐底座(1)，曝氣區(qū)(2)底部設(shè)有進(jìn)水管(22)，曝氣區(qū)(2)內(nèi)部設(shè)有微孔曝氣頭(21)，反應(yīng)區(qū)(3)底部設(shè)有穿孔板(19)，反應(yīng)區(qū)(3)側(cè)壁設(shè)有取樣管(13)，反應(yīng)區(qū)(3)中部設(shè)有硝化陽極(4)，反應(yīng)區(qū)(3)內(nèi)部裝有陽極液(17)，陽極液(17)中接種硝化污泥(18)，硝化陽極(4)上附著硝化污泥(18)，反硝化室(9)側(cè)壁設(shè)有取樣管(13)，反硝化室(9)中部設(shè)有反硝化陰極(14)，反硝化室(9)內(nèi)部裝有陰極液(12)，陰極液(12)中接種反硝化污泥(8)，反硝化陰極(14)上附著反硝化污泥(8)，反硝化室(9)上部側(cè)壁設(shè)有出水管(10)，反硝化室(9)頂部設(shè)有導(dǎo)氣管 (11)，硝化室(20)和反硝化室(9)通過法蘭(15)連接，法蘭(15)上固定有分隔膜(16)，硝化室(20)和反硝化室(9)通過回流管(7)連通，負(fù)載(6)兩端通過導(dǎo)線(5)分別與硝化陽極(4 )和反硝化陰極(14 )相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種一體式硝化-反硝化微生物燃料電池，其特征在于所述的硝化室(20)的體積和反硝化室(9)的體積之比為廣2.5:1，硝化室(20)中曝氣區(qū)(2)的體積和反應(yīng)區(qū)(3)的體積之比為0.r0.3:1，硝化污泥(18)的體積與硝化室(20)的體積之比為l/l(Tl/4，反硝化污泥(8)的體積與反硝化室(9)的體積之比為l/l(Tl/4。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種一體式硝化-反硝化微生物燃料電池，其特征在于所述的陽極液(4)為含有有機(jī)物和氨氮的廢水，pH為7.8 8.5，溶解氧濃度為0.5^3.0mg/L,陰極液(12)為硝化室(20)的出水，陰極液(12)中含有硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種一體式硝化-反硝化微生物燃料電池，其特征在于所述的硝化陽極(4)和反硝化陰極(14)的導(dǎo)電材料為碳紙、碳布、碳?xì)?、石墨氈或石墨板，硝化陽極(4)與反硝化陰極(14)之間的距離為5 20cm，硝化陽極(4)的面積與硝化室(20)的體積之比為8 50 m2:l m3，反硝化陰極(14)的面積與反硝化室(9)的體積之比為8 50 m2:lm3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種一體式硝化-反硝化微生物燃料電池，其特征在于所述的分隔膜(16)的材料為陽離子交換膜、陰離子交換膜、質(zhì)子交換膜、雙極膜、微濾膜或超濾膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種一體式硝化-反硝化微生物燃料電池，其特征在于所述的穿孔板(19)上分布一系列的同心圓圓孔，圓孔直徑為f3mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種一體式硝化-反硝化微生物燃料電池。它主要由硝化室和反硝化室組成，通過在硝化室接種硝化污泥，以含氮有機(jī)廢水為燃料，有機(jī)物被異養(yǎng)菌分解釋放電子，氨氮被硝化菌轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮并釋放電子，反硝化室接種反硝化污泥，硝化室出水引入反硝化室作為陰極液，殘留有機(jī)物可作為反硝化電子供體被進(jìn)一步去除，硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮被反硝化菌轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，完成全程脫氮，同時(shí)硝化陽極接收的電子可由外電路被反硝化陰極接收，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)電。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)緊湊，可實(shí)現(xiàn)硝化反硝化聯(lián)合產(chǎn)電，降低生物脫氮費(fèi)用，利用有機(jī)物和氨氮為燃料，提高產(chǎn)電效率，利用硝化產(chǎn)物作為電子受體，以廢治廢，可有效降低微生物燃料電池的運(yùn)行成本。
文檔編號(hào)H01M8/02GK103094598SQ20131002962
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月25日
發(fā)明者鄭平, 張吉強(qiáng), 王蘭, 張萌 申請人:浙江大學(xué)