專利名稱：高效同步脫氮除碳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，尤其涉及一種高效同步脫氮除碳微生物燃料電池。
背景技術(shù)：
隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速增長，能源短缺和環(huán)境污染的壓力急劇增大，對人類社會可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。微生物燃料電池可利用微生物為催化劑將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，是一種新的清潔能源生產(chǎn)技術(shù)，已成為當(dāng)前能源和環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。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，不僅可以治污，而且可以回收電能，它是廢水處理技術(shù)的重大創(chuàng)新。由于有機(jī)污染物是廢水中的主要污染物，因此人們首先在利用MFCs處理有機(jī)廢水方面開展了大量研究，并取得了重大進(jìn)展。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，但將其實際應(yīng)用到廢水處理，還有不少問題亟待解決。首先，現(xiàn)有微生物燃料電池利用厭氧消化技術(shù)處理有機(jī)廢水已取得了較好效果，但其脫氮效果還不甚理想，在氮素污染日益嚴(yán)重的今天，開發(fā)具有同步脫氮除碳功能的微生物燃料電池已大勢所趨；其次，陰極成本較高，限制了其推廣和應(yīng)用，鐵氰化物、高錳酸鹽和重鉻酸鹽等陰極電子受體不可再生，需經(jīng)常更換，以氧氣為電子受體的陰極負(fù)載需Pt等貴金屬催化劑，曝氣耗能大；再次，陽極液易發(fā)生酸化，造成工藝失穩(wěn)，由于分隔膜兩側(cè)離子通透性的差異，陽極液PH下降酸化，使陽極室微生物活性下降，電池輸出功率降低，電池穩(wěn)定性下降，為維持陽極液PH的穩(wěn)定，目前多采用在陽極液中添加高濃度磷酸鹽緩沖溶液，成本較高，也易造成二次污染。厭氧氨氧化是以氨為電子供體，亞硝酸鹽為電子受體產(chǎn)生氮?dú)獾奈⑸锓磻?yīng)。由于經(jīng)濟(jì)高效，厭氧氨氧化工藝已成為廢水脫氮的重要技術(shù)。將厭氧氨氧化與厭氧消化技術(shù)聯(lián)合，可實現(xiàn)同步脫氮除碳；亞硝氮既可以作為厭氧氨氧化的電子供體，也可作為微生物燃料電池的陰極電子供體，可有效降低微生物燃料電池的陰極成本；厭氧氨氧化是一個產(chǎn)堿反應(yīng)，將其出水回流至陽極室，可有效緩解陽極液酸化問題，降低維護(hù)費(fèi)用，提高其運(yùn)行穩(wěn)定性。針對現(xiàn)有微生物燃料電池技術(shù)的諸多缺陷，本發(fā)明利用高效同步脫氮除碳微生物燃料電池來處理有機(jī)廢水和含氮廢水，實現(xiàn)同步廢水脫氮除碳和生物產(chǎn)電，顯著降低廢水處理費(fèi)用；利用厭氧氨氧化反應(yīng)物亞硝酸鹽作為電子受體，可有效降低微生物燃料電池的運(yùn)行成本；利用厭氧氨氧化出水調(diào)節(jié)陽極液PH，有效解決陽極液酸化問題，降低維護(hù)費(fèi)用，提高微生物燃料電池的運(yùn)行穩(wěn)定性，增大其產(chǎn)電功率。

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，提供一種高效同步脫氮除碳微生物燃料電池。高效同步脫氮除碳微生物燃料電池包括厭氧消化污泥、進(jìn)水管、陽極液、出水管、陽極、厭氧消化室、備用探頭套管、法蘭、分隔膜、導(dǎo)線、負(fù)載、厭氧氨氧化室、陰極、陰極液、回流管、厭氧氨氧化污泥；厭氧消化室下部側(cè)壁設(shè)有進(jìn)水管，厭氧消化室上部側(cè)壁設(shè)有出水管，厭氧消化室內(nèi)設(shè)有厭氧消化陽極，厭氧消化室內(nèi)裝有陽極液，陽極液中接種厭氧消化污泥，厭氧消化陽極上附著厭氧消化污泥，厭氧消化室頂部設(shè)有備用探頭套管，厭氧氨氧化室下部側(cè)壁設(shè)有進(jìn)水管，厭氧氨氧化室上部側(cè)壁設(shè)有出水管，厭氧氨氧化室內(nèi)設(shè)有厭氧氨氧化陰極，厭氧氨氧化室內(nèi)裝有陰極液，陰極液中接種厭氧氨氧化污泥，厭氧氨氧化陰極上附著厭氧氨氧化污泥，厭氧氨氧化室頂部設(shè)有備用探頭套管，厭氧消化室和厭氧氨氧化室通過法蘭連接，法蘭上固定有分隔膜，厭氧消化室和厭氧氨氧化室通過回流管連通，負(fù)載兩端通過導(dǎo)線分別與厭氧消化陽極和厭氧氨氧化陰極相連。所述的厭氧消化室的體積和厭氧氨氧化室的體積之比為1:1，厭氧消化污泥的體積與厭氧消化室的體積之比為I/1(ΓI/4，厭氧氨氧化污泥的體積與厭氧氨氧化室的體積之比為1/10 1/4。所述的陽極液為有機(jī)廢水，陰極液為含氨和亞硝酸鹽廢水。所述的厭氧消化陽極和厭氧氨氧化陰極的導(dǎo)電材料為碳紙、碳布、碳?xì)帧⑹珰只蚴?，厭氧消化陽極和厭氧氨氧化陰極之間的距離為flOcm，厭氧消化陽極的面積與厭氧消化室的體積之比為8 50 m2:1 m3，厭氧氨氧化陰極的面積與厭氧氨氧化室的體積之比為 8 50 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。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果:(1)聯(lián)合厭氧消化、厭氧氨氧化和微生物燃料電池技術(shù)，實現(xiàn)高效同步脫氮除碳產(chǎn)電，降低廢水處理成本。(2)以厭氧氨氧化反應(yīng)物亞硝酸鹽氮為電子供體，以廢治廢，降低陰極成本。(3)利用厭氧氨氧化出水調(diào)節(jié)陽極液PH，有效解決陽極液酸化問題，降低維護(hù)費(fèi)用，提高微生物燃料電池的運(yùn)行穩(wěn)定性，增大其產(chǎn)電功率。試驗證明，據(jù)此 開發(fā)的高效同步脫氮除碳微生物燃料電池可實現(xiàn)高效脫氮除碳，運(yùn)行性能穩(wěn)定，產(chǎn)電功率高。


圖1是高效同步脫氮除碳微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意 圖中:厭氧消化污泥1、進(jìn)水管2、陽極液3、出水管4、陽極5、厭氧消化室6、備用探頭套管7、法蘭8、分隔膜9、導(dǎo)線10、負(fù)載11、厭氧氨氧化室12、陰極13、陰極液14、回流管15、厭氧氨氧化污泥16。
具體實施例方式如圖1所示，高效同步脫氮除碳微生物燃料電池包括厭氧消化污泥1、進(jìn)水管2、陽極液3、出水管4、陽極5、厭氧消化室6、備用探頭套管7、法蘭8、分隔膜9、導(dǎo)線10、負(fù)載11、厭氧氨氧化室12、陰極13、陰極液14、回流管15、厭氧氨氧化污泥16 ;厭氧消化室6下部側(cè)壁設(shè)有進(jìn)水管2，厭氧消化室6上部側(cè)壁設(shè)有出水管4，厭氧消化室6內(nèi)設(shè)有厭氧消化陽極5，厭氧消化室6內(nèi)裝有陽極液3，陽極液3中接種厭氧消化污泥1，厭氧消化陽極5上附著厭氧消化污泥1，厭氧消化室6頂部設(shè)有備用探頭套管7，厭氧氨氧化室12下部側(cè)壁設(shè)有進(jìn)水管2，厭氧氨氧化室12上部側(cè)壁設(shè)有出水管4，厭氧氨氧化室12內(nèi)設(shè)有厭氧氨氧化陰極13,厭氧氨氧化室12內(nèi)裝有陰極液14，陰極液14中接種厭氧氨氧化污泥16，厭氧氨氧化陰極13上附著厭氧氨氧化污泥16，厭氧氨氧化室12頂部設(shè)有備用探頭套管7，厭氧消化室6和厭氧氨氧化室12通過法蘭8連接,法蘭8上固定有分隔膜9，厭氧消化室6和厭氧氨氧化室12通過回流管15連通，負(fù)載11兩端通過導(dǎo)線10分別與厭氧消化陽極5和厭氧氨氧化陰極13相連。所述的厭氧消化室6的體積和厭氧氨氧化室12的體積之比為1:1，厭氧消化污泥I的體積與厭氧消化室6的體積之比為1/1(Γ /4，厭氧氨氧化污泥16的體積與厭氧氨氧化室12的體積之比為1/1(Γ /4。所述的陽極液3為有機(jī)廢水，陰極液14為含氨和亞硝酸鹽廢水。所述的厭氧消化陽極5和厭氧氨氧化陰極13的導(dǎo)電材料為碳紙、碳布、碳?xì)?、石墨氈或石墨板，厭氧消化陽極5和厭氧氨氧化陰極13之間的距離為2 10cm，厭氧消化陽極5的面積與厭氧消化室6的體積之比為8 50 m2:l m3，厭氧氨氧化陰極13的面積與厭氧氨氧化室12的體積之比為8 50 m2:l m3
所述的分隔膜9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。厭氧消化污泥接種至厭氧消化室內(nèi)，有機(jī)廢水引入?yún)捬跸易鳛槿剂?，有機(jī)物經(jīng)異養(yǎng)菌分解釋放電子，完成除碳過程，厭氧氨氧化室接種厭氧氨氧化污泥，含氮廢水引入?yún)捬醢毖趸?，亞硝酸鹽氮作為電子供體，氨氮和亞硝氮經(jīng)厭氧氨氧化菌轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓瓿擅摰^程，陽極液中有機(jī)物分解釋放的電子由厭氧消化陽極接收，厭氧消化陽極接受的電子經(jīng)連接導(dǎo)線和負(fù)載傳遞 到厭氧氨氧化陰極，電子用于陰極液中的亞硝氮還原，實現(xiàn)產(chǎn)電，厭氧氨氧化室含堿出水回流至厭氧消化室，緩解陽極液酸化問題，使微生物燃料電池穩(wěn)定運(yùn)行。
權(quán)利要求
1.一種高效同步脫氮除碳微生物燃料電池，其特征在于它包括厭氧消化污泥(I)、進(jìn)水管(2)、陽極液(3)、出水管(4)、陽極(5)、厭氧消化室(6)、備用探頭套管(7)、法蘭(8)、分隔膜(9)、導(dǎo)線(10)、負(fù)載(11)、厭氧氨氧化室(12)、陰極(13)、陰極液(14)、回流管(15)、厭氧氨氧化污泥(16);厭氧消化室(6)下部側(cè)壁設(shè)有進(jìn)水管(2)，厭氧消化室(6)上部側(cè)壁設(shè)有出水管(4)，厭氧消化室(6)內(nèi)設(shè)有厭氧消化陽極(5)，厭氧消化室(6)內(nèi)裝有陽極液(3)，陽極液(3)中接種厭氧消化污泥(1)，厭氧消化陽極(5)上附著厭氧消化污泥(1)，厭氧消化室(6)頂部設(shè)有備用探頭套管(7)，厭氧氨氧化室(12)下部側(cè)壁設(shè)有進(jìn)水管(2)，厭氧氨氧化室(12)上部側(cè)壁設(shè)有出水管(4)，厭氧氨氧化室(12)內(nèi)設(shè)有厭氧氨氧化陰極(13),厭氧氨氧化室(12)內(nèi)裝有陰極液(14)，陰極液(14)中接種厭氧氨氧化污泥(16)，厭氧氨氧化陰極(13)上附著厭氧氨氧化污泥(16)，厭氧氨氧化室(12)頂部設(shè)有備用探頭套管(7)，厭氧消化室(6)和厭氧氨氧化室(12)通過法蘭(8)連接，法蘭(8)上固定有分隔膜(9)，厭氧消化室(6)和厭氧氨氧化室(12)通過回流管(15)連通，負(fù)載(11)兩端通過導(dǎo)線(10)分別與厭氧消化陽極(5)和厭氧氨氧化陰極(13)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高效同步脫氮除碳微生物燃料電池，其特征在于所述的厭氧消化室(6)的體積和厭氧氨氧化室(12)的體積之比為1:1,厭氧消化污泥(I)的體積與厭氧消化室(6)的體積之比為l/l0~1/4，厭氧氨氧化污泥(16)的體積與厭氧氨氧化室(12)的體積之比為1/10~1/4。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高效同步脫氮除碳微生物燃料電池，其特征在于所述的陽極液(3)為有機(jī)廢水，陰極液(14)為含氨和亞硝酸鹽廢水。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高效同步脫氮除碳微生物燃料電池，其特征在于所述的厭氧消化陽極(5)和厭氧氨氧化陰極(13)的導(dǎo)電材料為碳紙、碳布、碳?xì)帧⑹珰只蚴?，厭氧消化陽極(5)和厭氧氨氧化陰極(13)之間的距離為flOcm，厭氧消化陽極(5)的面積與厭氧消化室(6)的體積之比為8 50 m2:l m3，厭氧氨氧化陰極(13)的面積與厭氧氨氧化室(12)的體積之比為8 50 m2:1 m3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高效同步脫氮除碳微生物燃料電池，其特征在于所述的分隔膜(9)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。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高效同步脫氮除碳微生物燃料電池。它主要由厭氧消化室和厭氧氨氧化室組成，通過在厭氧消化室接種厭氧消化污泥，以有機(jī)廢水為燃料，有機(jī)物經(jīng)異養(yǎng)菌分解釋放電子，厭氧氨氧化室接種厭氧氨氧化污泥，以含氮廢水為陰極液，亞硝酸氮作為電子受體，氨氮和亞硝氮由厭氧氨氧化菌轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，實現(xiàn)同步脫氮除碳，同時厭氧消化陽極接收的電子由外電路傳遞到厭氧氨氧化陰極，實現(xiàn)產(chǎn)電。本發(fā)明可同時處理有機(jī)廢水和含氮廢水，實現(xiàn)高效同步脫氮除碳產(chǎn)電，利用亞硝酸鹽氮為電子受體，降低微生物燃料電池的運(yùn)行成本，厭氧氨氧化室含堿出水回流至厭氧消化室，緩解陽極液酸化問題，提高運(yùn)行穩(wěn)定性。
文檔編號H01M4/90GK103094597SQ20131002901
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), 厲魏, 張萌 申請人:浙江大學(xué)