專利名稱：厭氧氨氧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，尤其涉及一種厭氧氨氧化微生物燃料電池。
背景技術(shù)：
微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells,簡稱MFC)是一種以微生物為陽極催化
劑，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。利用微生物燃料電池，不僅可以直接將水體或污泥中
的有機物降解，而且可以將有機物代謝過程中產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)化為電流，從而獲得電能。近年
來，在環(huán)境污染和能源危機的雙重壓力下，由于微生物燃料電池可同時處理廢水并產(chǎn)生電
能，這項新技術(shù)越來越受人們青睞，已成為廢水處理及新能源開發(fā)領(lǐng)域的研究熱點。 微生物燃料電池的工作原理如下在陽極微生物的作用下，底物分解產(chǎn)生電子、質(zhì)
子及其它代謝產(chǎn)物；部分電子傳遞到陽極表面并通過外電路到達陰極，質(zhì)子經(jīng)產(chǎn)電基質(zhì)到
達陰極；在陰極表面，電子、質(zhì)子與電子受體結(jié)合并形成電流。絕大多數(shù)微生物燃料電池以
有機物為產(chǎn)電基質(zhì)，產(chǎn)電微生物為兼性厭氧菌，電池構(gòu)型有雙室和單室兩類。這些微生物
燃料電池存在以下缺點(l)在已發(fā)現(xiàn)的兼性厭氧產(chǎn)電菌中，除腐敗希瓦氏菌(Shewanella
putrefaciens)、地桿菌(Geobacteraceae)、鐵還原紅螺菌(Rhodoferax ferrireducens)
等幾種細菌外，其余產(chǎn)電菌的電子傳遞效率很低，需要額外添加中性紅、2，6-蒽醌等電子中
介體來強化電子傳遞，中介體大多有毒且價格較高。(2)雙室微生物燃料電池由質(zhì)子交換膜
分割為陰、陽兩個極室，質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳遞能力可改變陰、陽極室的pH值，減弱微生物
活性和電子傳遞能力，而且質(zhì)子交換膜價格昂貴(4000 12000元人民幣/m2);傳遞到陰極
的電子需要外加電子受體來結(jié)合，電子受體有兩種供給方式，一種方式是利用鐵氰化物和
高錳酸鹽等具有高氧化活性的化學(xué)物質(zhì)，此法無需在陰極上負載貴金屬催化劑，但成本高、
再生難、易造成二次污染，另一種方式是以空氣作為電子受體，雖然空氣廉價易得，但其氧
化還原速率低，需在陰極負載鉑等貴金屬催化劑。(3)單室微生物燃料電池沒有陰極室，但
仍需質(zhì)子交換膜，其陰極也需負載貴金屬催化劑而且還需復(fù)雜的防水處理。(4)產(chǎn)電基質(zhì)為
有機物，電導(dǎo)率低，電池內(nèi)阻大，產(chǎn)電效率低，有時需要額外添加無機離子以增強其導(dǎo)電性。
產(chǎn)電效率低和造價高已成為制約現(xiàn)有微生物燃料電池發(fā)展和應(yīng)用的兩大瓶頸。 針對現(xiàn)有微生物燃料電池的上述缺陷，本發(fā)明以厭氧氨氧化菌為產(chǎn)電菌，無需添
加電子中介體；以含有氨氮和亞硝酸鹽氮的無機廢水為產(chǎn)電基質(zhì)，陰、陽兩極處于同相溶液
內(nèi)，無需設(shè)置質(zhì)子交換膜；產(chǎn)電基質(zhì)中亞硝酸鹽可直接作為陰極電子受體，無需另外提供陰
極電子受體，陰極附著產(chǎn)電生物膜，可提高電子傳遞效率，無需負載貴金屬催化劑；產(chǎn)電基
質(zhì)為無機離子，電池內(nèi)阻低，電池性能好，產(chǎn)電效率高。

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，提供一種厭氧氨氧化微生物燃料電池。
厭氧氨氧化微生物燃料電池由恒溫攪拌系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)三部 分組成，恒溫攪拌系統(tǒng)設(shè)有恒溫磁力攪拌器本體和磁力攪拌子；反應(yīng)系統(tǒng)設(shè)有筒狀反應(yīng)器本體和密封蓋，筒狀反應(yīng)器本體下部設(shè)有進水管，筒狀反應(yīng)器本體上部設(shè)有出水管，筒狀反 應(yīng)器本體內(nèi)部裝有產(chǎn)電基質(zhì)，產(chǎn)電基質(zhì)中浸有游離厭氧氨氧化菌和附著厭氧氨氧化菌的掛 膜陽極和掛膜陰極，密封蓋上部設(shè)有陽極導(dǎo)線固定管、陰極導(dǎo)線固定管、取樣管和參比電極 固定管，筒狀反應(yīng)器本體和密封蓋之間設(shè)有密封圈并通過法蘭連接；數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)設(shè) 有負載、導(dǎo)線、數(shù)據(jù)采集器和連線電腦，負載兩端通過導(dǎo)線分別與掛膜陽極和掛膜陰極相 連。 所述的產(chǎn)電基質(zhì)為含有氨氮和亞硝酸鹽氮的無機廢水，pH值為7. 0 7. 5，其中添 加微量元素濃縮液1、微量元素濃縮液II各1. 25mL/L，微量元素濃縮液I的成分為EDTA 5g/L， FeS045g/L ;微量元素濃縮液II的成分為EDTA 15g/L， H3B040 . 0 1 4g/L， MnCl2 4H20 0. 99g/L， CuS04 5H20 0. 025g/L， ZnS04 7H20 0. 43g/L， NiCl2 6H20 0. 19g/L， NaSe04 10H20 0. 21g/L， NaMo04 2H20 0. 22g/L。 所述的筒狀反應(yīng)器本體高徑比為1 2 : l，產(chǎn)電基質(zhì)體積占筒狀反應(yīng)器本體體積
的2/3 3/4，游離厭氧氨氧化菌體積占產(chǎn)電基質(zhì)體積的1/5 1/10。 所述的掛膜陽極和掛膜陰極的導(dǎo)電材料為碳紙、碳布、碳氈、石墨氈或石墨板，掛
膜陽極和掛膜陰極表面附著有厭氧氨氧化菌生物膜，掛膜陽極和掛膜陰極下端距筒狀反應(yīng)
器本體底部為2 4cm，掛膜陽極和掛膜陰極之間的距離為3 6cm，掛膜陽極或掛膜陰極
面積與筒狀反應(yīng)器本體體積之比為9 40m2 : lm3。 本發(fā)明具有的有益效果(l)利用厭氧氨氧化菌進行廢水脫氮和生物產(chǎn)電，可實 現(xiàn)廢水污染控制和電能生產(chǎn)同時進行。(2)陰、陽兩極處于同相溶液內(nèi)，無需添加電子中介 體，無需質(zhì)子交換膜，亞硝酸鹽可直接作為陰極電子受體，裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于放大和工業(yè) 化應(yīng)用。(3)產(chǎn)電基質(zhì)為無機離子，電池內(nèi)阻低，電池性能好，產(chǎn)電效率高，產(chǎn)電過程中不釋 放溫室效應(yīng)氣體二氧化碳，是一種清潔能源生產(chǎn)裝置。


附圖1是一種厭氧氨氧化菌微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖2是密封蓋的結(jié)構(gòu)示意圖； 其中恒溫磁力攪拌器本體1、磁力攪拌子2、進水管3、游離厭氧氨氧化菌4、掛膜 陽極5、掛膜陰極6、產(chǎn)電基質(zhì)7、筒狀反應(yīng)器本體8、密封蓋9、法蘭10、陽極導(dǎo)線固定管11、 取樣管12、負載13、參比電極固定管14、陰極導(dǎo)線固定管15、密封圈16、出水管17、導(dǎo)線18、 數(shù)據(jù)采集器19、連線電腦20。
具體實施例方式
如附圖所示，厭氧氨氧化微生物燃料電池由恒溫攪拌系統(tǒng)1、反應(yīng)系統(tǒng)II和數(shù)據(jù) 采集監(jiān)測系統(tǒng)III三部分組成，恒溫攪拌系統(tǒng)I設(shè)有恒溫磁力攪拌器本體1和磁力攪拌子 2 ;反應(yīng)系統(tǒng)II設(shè)有筒狀反應(yīng)器本體8和密封蓋9，筒狀反應(yīng)器本體8下部設(shè)有進水管3，筒 狀反應(yīng)器本體8上部設(shè)有出水管17，筒狀反應(yīng)器本體8內(nèi)部裝有產(chǎn)電基質(zhì)7，產(chǎn)電基質(zhì)7中 浸有游離厭氧氨氧化菌4和附著厭氧氨氧化菌的掛膜陽極5和掛膜陰極6，密封蓋9上部設(shè) 有陽極導(dǎo)線固定管11、陰極導(dǎo)線固定管15、取樣管12和參比電極固定管14，筒狀反應(yīng)器本 體8和密封蓋9之間設(shè)有密封圈16并通過法蘭10連接；數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)III設(shè)有負載13、導(dǎo)線18、數(shù)據(jù)采集器19和連線電腦20，負載13兩端通過導(dǎo)線18分別與掛膜陽極5和 掛膜陰極6相連。 所述的產(chǎn)電基質(zhì)7為含有氨氮和亞硝酸鹽氮的無機廢水，pH值為7. 0 7. 5，其中 添加微量元素濃縮液1、微量元素濃縮液II各1. 25mL/L，微量元素濃縮液I的成分為EDTA 5g/L， FeS045g/L ;微量元素濃縮液II的成分為EDTA 15g/L， H3B040 . 0 1 4g/L， MnCl2 4H20 0. 99g/L， CuS04 5H20 0. 025g/L， ZnS04 7H200. 43g/L， NiCl2 6H20 0. 19g/L， NaSe04 10H20 0. 21g/L， NaMo04 2H20 0. 22g/L。 所述的筒狀反應(yīng)器本體8高徑比為1 2 : 1，產(chǎn)電基質(zhì)7體積占筒狀反應(yīng)器本體
8體積的2/3 3/4，游離厭氧氨氧化菌4體積占產(chǎn)電基質(zhì)7體積的1/5 1/10。 所述的掛膜陽極5和掛膜陰極6的導(dǎo)電材料為碳紙、碳布、碳氈、石墨氈或石墨板，
掛膜陽極5和掛膜陰極6表面附著有厭氧氨氧化菌生物膜，掛膜陽極5和掛膜陰極6下端
距筒狀反應(yīng)器本體8底部為2 4cm，掛膜陽極5和掛膜陰極6之間的距離為3 6cm，掛
膜陽極5或掛膜陰極6面積與筒狀反應(yīng)器本體8體積之比為9 40m2 : lm3。 開啟恒溫攪拌系統(tǒng)，厭氧氨氧化菌和含有氨氮與亞硝酸鹽氮的無機廢水在攪拌作
用下均勻分散于筒狀反應(yīng)器本體中，恒溫可為厭氧氨氧化菌生長和脫氮產(chǎn)電反應(yīng)提供適宜
的溫度條件。在厭氧氨氧化菌的作用下氨氮釋放電子和質(zhì)子，釋放的電子由掛膜陽極收集
并通過外電路導(dǎo)線傳遞到掛膜陰極，在掛膜陰極表面，電子、質(zhì)子和亞硝酸鹽結(jié)合，產(chǎn)生電
流并生成氮氣，由此完成脫氮和產(chǎn)電過程，反應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的電信號被數(shù)據(jù)采集器收集，并傳
輸?shù)竭B線電腦中，通過電信號變化可同時監(jiān)測反應(yīng)系統(tǒng)的運行情況，便于過程及時調(diào)控。
權(quán)利要求
一種厭氧氨氧化微生物燃料電池，其特征在于它由恒溫攪拌系統(tǒng)(I)、反應(yīng)系統(tǒng)(II)和數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)(III)三部分組成，恒溫攪拌系統(tǒng)(I)設(shè)有恒溫磁力攪拌器本體(1)和磁力攪拌子(2)；反應(yīng)系統(tǒng)(II)設(shè)有筒狀反應(yīng)器本體(8)和密封蓋(9)，筒狀反應(yīng)器本體(8)下部設(shè)有進水管(3)，筒狀反應(yīng)器本體(8)上部設(shè)有出水管(17)，筒狀反應(yīng)器本體(8)內(nèi)部裝有產(chǎn)電基質(zhì)(7)，產(chǎn)電基質(zhì)(7)中浸有游離厭氧氨氧化菌(4)和附著厭氧氨氧化菌的掛膜陽極(5)和掛膜陰極(6)，密封蓋(9)上部設(shè)有陽極導(dǎo)線固定管(11)、陰極導(dǎo)線固定管(15)、取樣管(12)和參比電極固定管(14)，筒狀反應(yīng)器本體(8)和密封蓋(9)之間設(shè)有密封圈(16)并通過法蘭(10)連接；數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)(III)設(shè)有負載(13)、導(dǎo)線(18)、數(shù)據(jù)采集器(19)和連線電腦(20)，負載(13)兩端通過導(dǎo)線(18)分別與掛膜陽極(5)和掛膜陰極(6)相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種厭氧氨氧化微生物燃料電池，其特征在于所述的產(chǎn)電基 質(zhì)(7)為含有氨氮和亞硝酸鹽氮的無機廢水，pH值為7. 0 7. 5，其中添加微量元素濃縮液 1、微量元素濃縮液II各1.25mL/L，微量元素濃縮液I的成分為EDTA 5g/L，F(xiàn)eS04 5g/L ;微 量元素濃縮液II的成分為EDTA 15g/L，H3B04 0 . 0 1 4g/L，MnCl2 *4H20 0. 99g/L，CuS04 *5H20 0. 025g/L，ZnS04 *7H20 0. 43g/L，NiCl2 *6H20 0. 19g/L，NaSe04 10H20 0. 21g/L，NaMo04 *2H20 0.22g/L。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種厭氧氨氧化微生物燃料電池，其特征在于所述的筒狀反 應(yīng)器本體(8)高徑比為1 2 : l，產(chǎn)電基質(zhì)(7)體積占筒狀反應(yīng)器本體(8)體積的2/3 3/4，游離厭氧氨氧化菌(4)體積占產(chǎn)電基質(zhì)(7)體積的1/5 1/10。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種厭氧氨氧化微生物燃料電池，其特征在于所述的掛膜陽 極(5)和掛膜陰極(6)的導(dǎo)電材料為碳紙、碳布、碳氈、石墨氈或石墨板，掛膜陽極(5)和掛 膜陰極(6)表面附著有厭氧氨氧化菌生物膜，掛膜陽極(5)和掛膜陰極(6)下端距筒狀反 應(yīng)器本體(8)底部為2 4cm，掛膜陽極(5)和掛膜陰極(6)之間的距離為3 6cm，掛膜 陽極(5)或掛膜陰極(6)面積與筒狀反應(yīng)器本體(8)體積之比為9 40m2 : lm3。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種厭氧氨氧化微生物燃料電池。它由恒溫攪拌系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)組成，恒溫攪拌系統(tǒng)設(shè)有恒溫磁力攪拌器本體和磁力攪拌子；反應(yīng)系統(tǒng)設(shè)有筒狀反應(yīng)器本體和密封蓋，筒狀反應(yīng)器本體下部和上部分別設(shè)有進水管和出水管，筒狀反應(yīng)器本體內(nèi)部裝有產(chǎn)電基質(zhì)，產(chǎn)電基質(zhì)中浸有游離厭氧氨氧化菌和附著厭氧氨氧化菌的掛膜陽極和掛膜陰極，密封蓋上部設(shè)有陽極導(dǎo)線固定管、陰極導(dǎo)線固定管、取樣管和參比電極固定管，筒狀反應(yīng)器本體和密封蓋之間設(shè)有密封圈并通過法蘭連接；數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)有負載、導(dǎo)線、數(shù)據(jù)采集器和連線電腦。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，造價低，內(nèi)阻小，性能高效穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)同步廢水脫氮和生物產(chǎn)電。
文檔編號C02F3/28GK101794896SQ201010131138
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月23日
發(fā)明者丁爽, 張吉強, 鄭平, 陸慧峰, 陳婷婷 申請人:浙江大學(xué)