專利名稱：一種生物陰極型微生物燃料電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種生物陰極型微生物燃料電池。
背景技術：
隨著經濟社會的發(fā)展和人口的迅速增長，水體污染和能源緊缺的問題日益加劇。 近年來，我國污水處理廠的建設逐步加快。截至2010年9月底，我國城鎮(zhèn)污水處理廠污水處理量達到1.22億噸/天。但是，常規(guī)的污水處理工藝需要消耗大量的電能。在發(fā)達國家， 全國3 5%的電能用于污水處理，在我國，也約有1. 5% 3%的電能用于污水處理。因此，迫切需要開發(fā)低能耗的污水處理技術。微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，簡稱MFC)是近十年發(fā)展起來的一種新型污水處理技術。它能夠在降解污水中有機物的同時將有機物所蘊含的化學能轉化為電能。由于MFC能夠在污水處理的同時收獲電能，從而成為一種極具發(fā)展前景的水處理技術。MFC—般由陽極、分隔材料和陰極3部分組成。早期的MFC的陰極采用化學催化劑， 僅在陽極具有降解有機物的能力。而污水中除有機污染物外，氨氮和氮氧化物等含氮污染物也是一種濃度較高的污染物。含氮污染物是引起水體富營養(yǎng)化的主因之一。因而需要對MFC的水處理功能進行拓展。2007年Clauwaert等研究者開發(fā)了兩種以微生物作為陰極催化劑的生物陰極型MFC，它們分別以氧氣和氮氧化物作為電子受體(Clauwaert， P.，Rabaey, K.，Aelterman, P.，De Schamphelaire, L.，2007a. Ham ΤΗ, Boeckx P，et al.Biological denitrification in microbial fuel cells.Environ. Sci. Technol. 41， 3354-3360. Clauwaert, P.，Van der Ha, D.，Boon，N.，Verbeken，K.，Verhaege, Μ.，Rabaey, K. ， Verstraete， W. ，2007b.Open air biocathode enables effective electricity generation with microbial fuel cells. Environ. Sci. Technol. 41，7564-7569.)。前者在陰極室形成好氧環(huán)境，因此可以將水中氨氮氧化為硝態(tài)氮。后者在產電的同時實現了反硝化。謝珊等研究者將上述兩種生物陰極型MFC在水路上進行串聯(lián)，完全由MFC實現了有機物去除、脫氮和產電的三效合一的過程(Xie，S.，Liang，P.，Chen，Y.，Xia，X.，Huang，X.， 2011. Simultaneous carbon and nitrogen removal using an oxic/anoxic-biocathode microbial fuel cells coupled system. Bioresour. Technol. 102，348-354.)。但是，該工藝和裝置均較為復雜，操作參數中變量較多，不適宜于實際推廣。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種生物陰極型微生物燃料電池及其在處理廢水中的應用， 該微生物燃料電池可進行同步產電和脫氮的污水處理工藝。本發(fā)明提供的一種生物陰極型微生物燃料電池，所述微生物燃料電池包括陽極室和陰極室；所述陰極室包括好氧陰極室和缺氧陰極室；所述陽極室、好氧陰極室和缺氧陰極室內均設有填料，所述填料上均負載產電微生物膜，所述陽極室內為厭氧產電微生物膜， 所述好氧陰極室內為好氧產電微生物膜，所述缺氧陰極室內為缺氧產電微生物膜；所述陽極室與所述好氧陰極室之間設有陽離子交換膜；所述陽極室與所述缺氧陰極室之間設有陰離子交換膜；所述陽離子交換膜與所述陰離子交換膜的兩側均設有集電金屬網，其中設于所述好氧陰極室內的集電金屬網與設于所述缺氧陰極室內的集電金屬網之間彼此絕緣；所述集電金屬網的兩端分別通過導線相連通，所述導線上設有負載；所述好氧陰極室的底部設有曝氣裝置。上述的微生物燃料電池中，所述填料為活性炭、石墨或碳氈，所述填料的粒徑可為 2mm-5mm ；所述集電金屬網可為鈦絲網或不銹鋼絲網。上述的微生物燃料電池中，所述好氧陰極室和缺氧陰極室之間設有穿孔隔板，用于分隔兩個極室中的填料。上述的微生物燃料電池中，所述陽極室內的產電微生物膜可通過厭氧池污泥馴化得到；所述好氧陰極室內的產電微生物膜可通過好氧池污泥馴化得到；所述缺氧陰極室內的產電微生物膜可通過缺氧池污泥馴化得到。上述的微生物燃料電池中，所述負載可為變阻箱或電能收集裝置，所述電能收集裝置具體可為電容。本發(fā)明還提供了上述微生物燃料電池在廢水處理中的應用。
上述的應用中，所述廢水可為可生化的含氮有機廢水。上述的應用中，可按下述的步驟進行污水首先進入陽極室的底部，污水中的有機物在產電微生物膜作用下被氧化，同時產生的電子；電子被傳遞到陽極填料后，由金屬集電網收集，然后分別經外電路上的負載傳遞至陰極；內電路電流方向為在陽極室的上半部分，水中的陽離子在電場驅動力作用下穿過陽離子交換膜到達好氧陰極室；好氧陰極室中的陰離子在電場驅動力作用下穿過陰離子交換膜進入陽極室的下半部分；污水經過陽極的初步處理后進入好氧陰極室；水中的有機物被進一步氧化；同時水中的氨氮被氧化為硝態(tài)氮；好氧陰極室出水進入缺氧陰極室；微生物接受陰極傳遞來的電子，將水中的硝態(tài)氮還原為氮氣，從而完成產電和脫氮過程。本發(fā)明的有益效果為利用微生物燃料電池好氧_缺氧兩段式陰極在去除有機物和產電的同時進行脫氮，實現三效合一。本發(fā)明所述工藝簡單、能耗低且效率高，裝置結構簡單、易操作，易于生產和使用。


圖1為本發(fā)明的生物陰極型微生物燃料電池進行同步脫氮產電時的結構示意圖。圖中各標記如下A陽極室、B好氧陰極室、C缺氧陰極室、1陽離子交換膜、2陰離子交換膜、3不銹鋼絲網、4活性炭、5曝氣管、6穿孔隔板、7，8變阻箱。
具體實施例方式下述結合附圖對發(fā)明做進一步說明，但本發(fā)明并不局限于以下實施例。本實施例提供的生物陰極型微生物燃料電池包括陽極室A、好氧陰極室B和缺氧陰極室C三個腔室；陽極室A與好氧陰極室B之間采用陽離子交換膜1進行分隔，陽極室A 與缺氧陰極室C之間采用陰離子交換膜2進行分隔；陽離子交換膜1和陰離子交換膜2的兩側面上均設有耐腐蝕的不銹鋼絲網3，其中設于好氧陰極室B內的部分不銹鋼絲網3與設于缺氧陰極室C內的部分不銹鋼絲網3之間彼此絕緣；陽極室A、好氧陰極室B和缺氧陰極室C三個腔室內均填充有活性炭4，活性炭4的粒徑為2mm-5mm，活性炭4的表面上設有產電微生物膜(圖中未示出)，其中，陽極室A中的產電微生物膜為厭氧產電微生物膜，采用污水處理廠厭氧池污泥馴化得到，好氧陰極室B中的產電微生物膜為好氧產電微生物膜， 采用污水處理廠好氧(硝化)池污泥馴化得到，缺氧陰極室C中的產電微生物膜為缺氧產電微生物膜，采用污水處理廠缺氧(反硝化)池污泥馴化得到，同時陽極室A、好氧陰極室B 和缺氧陰極室C內的活性炭4均與不銹鋼絲網3緊密接觸；兩層不銹鋼絲網3的兩端通過導線相連通，該兩端的導線上分別連接有變阻箱7和8 ；在好氧陰極室B的底部上設置曝氣管5，用于保持好氧陰極室B內的好氧環(huán)境；在好氧陰極室A和缺氧陰極室B之間設置穿孔隔板6，用于分隔兩個極室中的填料；好氧陰極室A的出水通過穿孔隔板6進入缺氧陰極室 C中。上述的生物陰極型微生物燃料電池中，填料還可選擇為其它的材質，如石墨或碳氈；集電金屬網可為其它耐腐蝕的金屬，如鈦絲網；導線上連接的負載還可為電能收集裝置，如電容；好氧陰極室B中的好氧環(huán)境還可通過其它的曝氣系統(tǒng)來保持。使用上述生物陰極型微生物燃料電池處理廢水時，保持陽極室A內為厭氧狀態(tài)， 可生化的含氮有機廢水首先從陽極室A的底部進入，采用推流的運行方式；該含氮有機廢水中的有機物在陽極室A內的產電微生物膜的作用下被氧化并產生電子，電子通過陽極室 A中的活性炭4流向不銹鋼絲網3，然后分別通過負載17和負載118傳導至好氧陰極室B 內的好氧陰極(即好氧陰極室B內的產電微生物膜)和缺氧陰極室C內的缺氧陰極(即缺氧陰極室C內的產電微生物膜)；在陽極室A的上半部分，廢水中的氨根等陽離子在電場驅動力作用下穿過陽離子交換膜到達好氧陰極室B ；好氧陰極室B中的陰離子在電場驅動力作用下穿過陰離子交換膜進入陽極室A的下半部分；陽極室A的出水進入好氧陰極室B ；好氧陰極室B通過底部曝氣管5進行供氧，從而使其保持好氧狀態(tài)；氧氣在產電微生物膜的作用下接受來自電極的電子后被還原，完成在陽極-好氧陰極的產電過程；廢水中的銨態(tài)氮被氧化為硝態(tài)氮，同時廢水中的有機物被進一步氧化分解；好氧陰極室B的出水進入缺氧陰極室C ；硝態(tài)氮在產電微生物膜的作用下接受來自電極的電子后被還原為氮氣，從而完成反硝化過程以及陽極-缺氧陰極的產電過程。
權利要求
1.一種生物陰極型微生物燃料電池，所述微生物燃料電池包括陽極室和陰極室；其特征在于所述陰極室包括好氧陰極室和缺氧陰極室；所述陽極室、好氧陰極室和缺氧陰極室內均設有填料，所述填料上均負載產電微生物膜，所述陽極室內為厭氧產電微生物膜，所述好氧陰極室內為好氧產電微生物膜，所述缺氧陰極室內為缺氧產電微生物膜；所述陽極室與所述好氧陰極室之間設有陽離子交換膜；所述陽極室與所述缺氧陰極室之間設有陰離子交換膜；所述陽離子交換膜與所述陰離子交換膜的兩側均設有集電金屬網；所述集電金屬網的兩端分別通過導線相連通，所述導線上設有負載；所述好氧陰極室的底部設有曝氣
2.根據權利要求1所述的微生物燃料電池，其特征在于所述填料為活性炭、石墨或碳氈，所述填料的粒徑為2mm-5mm ；所述集電金屬網為鈦絲網或不銹鋼絲網。
3.根據權利要求1或2所述的微生物燃料電池，其特征在于所述好氧陰極室和缺氧陰極室之間設有穿孔隔板。
4.根據權利要求1-3中任一所述的微生物燃料電池，其特征在于所述負載為變阻箱或電能收集裝置。
5.權利要求1-4中任一所述微生物燃料電池在廢水處理中的應用。
6.根據權利要求5所述的應用，其特征在于所述廢水為含氮有機廢水。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種生物陰極型微生物燃料電池。所述微生物燃料電池包括陽極室和陰極室；所述陰極室包括好氧陰極室和缺氧陰極室；所述陽極室、好氧陰極室和缺氧陰極室內均設有填料，所述填料上均負載產電微生物膜；所述陽極室與所述好氧陰極室之間設有陽離子交換膜；所述陽極室與所述缺氧陰極室之間設有陰離子交換膜；所述陽離子交換膜與所述陰離子交換膜的兩側均設有集電金屬網；所述集電金屬網的兩端通過導線相連通，所述導線上設有負載；所述好氧陰極室的底部設有曝氣裝置。利用本發(fā)明提供的微生物燃料電池在去除有機物和產電的同時進行脫氮，實現三效合一。
文檔編號H01M8/16GK102290590SQ201110214019
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月28日 優(yōu)先權日2011年7月28日
發(fā)明者曹新, 梁鵬, 魏錦程, 黃霞 申請人:清華大學