一種同步脫氮除磷雙室微生物燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種同步脫氮除磷雙室微生物燃料電池，該燃料電池包括反應系統(tǒng)和數據采集監(jiān)測系統(tǒng)。反應系統(tǒng)包括陽極反應系統(tǒng)和陰極反應系統(tǒng)，其中陽極反應系統(tǒng)包括陽極微生物、陽極電極、陽極室、取樣口、進樣口和電解液。陰極反應系統(tǒng)包括陰極微生物、陰極電極、陰極室、進水管、出水管、恒流泵軟管、鼓氣泵、棕色緩沖瓶、曝氣頭、恒流泵和電解液。陽極電極和陰極電極分別緊貼在質子交換膜兩側。數據采集監(jiān)測系統(tǒng)包括導電絲、負載、導線、數據采集器和計算機。本發(fā)明間歇運行，裝置結構簡單，內阻小，性能高效穩(wěn)定，具備產能和水處理兩方面的功效，為微生物燃料電池脫氮除磷開辟了一種新的方法。
【專利說明】一種同步脫氮除磷雙室微生物燃料電池
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于生物燃料電池【技術領域】，尤其涉及一種同步脫氮除磷雙室微生物燃料電池。
【背景技術】
[0002]水體富營養(yǎng)化又稱作水華是指湖泊、河流、水庫等水體中氮磷等植物營養(yǎng)物質含量過多所引起的水質污染現象。由于水體中氮磷營養(yǎng)物質的富集，引起藻類及其他浮游生物的迅速繁殖，使水體溶解氧含量下降，造成藻類、浮游生物、植物、水生物和魚類衰亡甚至絕跡的污染現象。富營養(yǎng)化的防治是水污染處理中最為復雜和困難的問題，通常的二級生化處理方法只能去除30-50%的氮、磷。
[0003]微生物燃料電池(Microbial Fuel cells，簡稱MFC)是一種利用微生物把化學能轉化為電能的裝置。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生的電子轉化為電流，從而獲得電能。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生電能，MFC技術的研究和開發(fā)備受各國政府與大公司的重視，被認為是21世紀潔凈、高效的發(fā)電技術。以廢水為燃料的微生物發(fā)電是一種新的可再生能源利用方式，具有常溫發(fā)電、清潔高效、可循環(huán)利用等多個優(yōu)點。
[0004]MFC的基本產電原理為(I)基質(即燃料)的生物氧化:有機物于陽極室在微生物作用下被氧化，產生電子、質子及代謝產物；(2)陽極還原:有機物氧化產生的電子從微生物細胞傳遞至陽極表面，使電極還原；(3)外電路電子傳輸:電子經由外電路到達陰極；(4)質子遷移:有機物氧化產生的質子從陽極室遷移到陰極室，到達陰極表面；(5)陰極反應:在陰極室中的氧化態(tài)物質即電子受體與陽極傳遞來的質子和電子于陰極表面發(fā)生還原反應，氧化態(tài)物質被還原。電子的產傳遞、消耗形成電流，完成產電過程。
[0005]利用微生物燃料電池技術處理氮磷污染廢水，不僅能夠高效率去除廢水中氮磷，同時還有電能產生。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服現有技術的不足，提供一種同步脫氮除磷雙室微生物燃料電池，具體技術方案如下。
[0007]—種同步脫氮除磷雙室微生物燃料電池，包括反應系統(tǒng)和數據采集監(jiān)測系統(tǒng)；所述反應系統(tǒng)包括陽極反應系統(tǒng)和陰極反應系統(tǒng)，其中陽極反應系統(tǒng)包括陽極微生物、陽極電極、陽極室、取樣口、進樣口和電解液；陰極反應系統(tǒng)包括陰極微生物、陰極電極、陰極室、進水管、出水管、恒流泵軟管、鼓氣泵、棕色緩沖瓶、曝氣頭、恒流泵和電解液；陰極反應系統(tǒng)中電解液依次經過出水管、第一恒流泵軟管、棕色緩沖瓶、第二恒流泵軟管、進水管，在恒流泵的作用下形成內循環(huán)；鼓氣泵通過第三恒流泵軟管與棕色緩沖瓶中的曝氣頭連接，陽極室和陰極室由質子交換膜隔開，陽極電極和陰極電極分別緊貼在質子交換膜的兩側；數據采集監(jiān)測系統(tǒng)包括導電絲、負載、導線、數據采集器和計算機，陽極電極和陰極電極均連接有導電絲，導電絲再通過導線與負載連接形成閉合回路；負載兩端還通過導線與數據采集器的輸入端連接，數據采集器的輸出端與計算機輸入端連接。
[0008]進一步地，所述陽極室和陰極室結構和大小完全相同，取樣口、進樣口位于陽極室頂部。
[0009]進一步地，恒流泵作用于第二恒流泵軟管上。
[0010]進一步地，出水管與陰極室頂部的出水口連接；進水管穿過陰極室頂部的進水口并伸入陰極室內底部。
[0011 ] 進一步地，陽極室除進樣和取樣過程外，陽極室頂部的取樣口和進樣口一直呈關閉狀態(tài)，以確保陽極室是厭氧環(huán)境；所述鼓氣泵一直是打開狀態(tài)，使得陰極反應系統(tǒng)一直呈好氧狀態(tài)，棕色緩沖瓶中曝氣量大小由鼓氣泵的流量控制按鈕調節(jié)。
[0012]進一步地，陽極室內溶解氧為0.05、.1 mg/L，棕色緩沖瓶內電解液溶解氧為
2.0~3.5 mg/L 、。
[0013]進一步地，所述的電解液是含氮磷有機廢水，初始pH為7.0-7.5。
[0014]進一步地，當該微生物燃料電池輸出電壓小于50 mV后，將棕色緩沖瓶內電解液排到反應系統(tǒng)外；將陽極室中電解液回流至棕色緩沖瓶中，然后在陽極室中加滿新鮮未處理含氮磷有機廢水，如此循環(huán)運行，以含氮磷有機廢水加入反應系統(tǒng)到排出反應系統(tǒng)整個時間段作為一個反應周期。
[0015]進一步地，陽極室和陰極室的高度大于水平方向的寬度。
[0016]進一步地，陽極電極和陰極電極面積相同，均為碳布、碳紙、碳氈、石墨氈或石墨板，兩者材料相同或不同，電極面積與反應室的體積比為I cm2:0.1"?0 cm3。
[0017]進一步地，所述的微生物是從污水處理廠接種的具有脫氮除磷功能的活性污泥微生物。
[0018]進一步地，所述的電解液為含氮磷有機廢水，初始pH為7.0-7.5。
[0019]進一步地，陽極室和陰極室中充滿電解液，初期啟動時，接種菌液為體積比為1:1的污水處理廠二次沉淀池的厭氧和好氧污泥上清液，接種菌液體積與反應室體積比為1:3。以含氮磷有機廢水加入反應系統(tǒng)到排出反應系統(tǒng)整個時間段作為一個反應周期。當輸出電壓小于50 mV時，將棕色緩沖瓶中的電解液排到反應系統(tǒng)外，陽極室內電解液全部回流至棕色緩沖瓶內，向陽極室中加入新鮮未處理的含氮磷有機廢水(人工配水或實際廢水均可)。
[0020]進一步地，所述的陽極室是一個嚴格厭氧環(huán)境，陽極液溶解氧為0.05、.1 mg/L。棕色緩沖瓶連接的鼓氣泵一直處于打開狀態(tài)，且用鼓氣泵流量控制按鈕控制曝氣量大小，從而控制陰極液的溶解氧，陰極室中溶解氧控制在2.0-3.5 mg/L范圍內。
[0021]進一步地，所述的數據采集器為吉時利2007型數據采集器。
[0022]與已有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
(1)本發(fā)明無需投加鐵氰化物和高錳酸鹽等具有高氧化活性的化學物質就可實現同步脫氮除磷和產電；
(2)陽極室出液全部回流至陰極室，有效緩解陰陽極pH的問題，且可以使有機物的去除率進一步提聞；
(3)利用緩沖瓶曝氣可以減少陰極室氧向陽極室擴散，提高了產電效率和整個反應器的產電穩(wěn)定性；
(4)通過鼓氣泵的流量控制，可以得到不同的脫氮除磷和產電效果，反應器可以靈活運
行；
(5)陰極循環(huán)系統(tǒng)加強了反應室內部的物質流動，加快了產電速率；
(6)陽極電極和陰極電極緊貼在質子交換膜兩側，兩電極間的距離非常小，極大地降低了電池內阻；
(7)陰極曝氣達到了提供電子受體、硝化細菌氨氮硝化、反硝化聚磷菌吸磷反硝化和聚磷菌好氧吸磷的多重效果，減少能耗。
[0023](8)含氮磷有機廢水先后經陽極反應系統(tǒng)和陰極反應系統(tǒng)處理，可以將含氮磷有機廢水中的有機物質分解更徹底。
[0024]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是一種同步脫氮除磷雙室微生物燃料電池結構示意圖。
[0026]圖2是實施例中陰極室液體溶解氧為3.5 mg/L左右時電池功率密度和電池電壓與電流密度的關系。
[0027]圖3是實施例中陰極室液體溶解氧為2.5 mg/L左右時電池功率密度和電池電壓與電流密度的關系圖。
【具體實施方式】
[0028]下面通過具體實施例，對本發(fā)明的實施方式進行詳細描述，但本發(fā)明的實施不限于此。
[0029]如圖1，一種同步脫氮除磷雙室微生物燃料電池，包括陽極反應系統(tǒng)和陰極反應系統(tǒng)，其中陽極反應系統(tǒng)包括陽極微生物1、陽極電極2、陽極室3、取樣口 5、進樣口 6和電解液；陰極反應系統(tǒng)包括陰極微生物21、陰極電極20、陰極室19、進水管16、出水管17、恒流泵軟管、鼓氣泵11、棕色緩沖瓶14、曝氣頭15、恒流泵12和電解液；陰極反應系統(tǒng)中電解液依次經過出水管17、第一恒流泵軟管、棕色緩沖瓶14、第二恒流泵軟管、進水管16，在恒流泵12的作用下形成內循環(huán)；鼓氣泵11通過第三恒流泵軟管與棕色緩沖瓶14中的曝氣頭15連接，陽極室3和陰極室19由質子交換膜18隔開，陽極電極2和陰極電極20分別緊貼在質子交換膜15的兩側；數據采集監(jiān)測系統(tǒng)包括導電絲4、負載7、導線8、數據采集器9和計算機10，陽極電極2和陰極電極20均連接有導電絲4，導電絲4再通過導線與負載7連接形成閉合回路；負載7兩端還通過導線與數據采集器9的輸入端連接，數據采集器9的輸出端與計算機10輸入端連接。本實例中陽極電極2是碳紙，陰極電極20是涂有0.5 mg/cm2鉬碳的碳布，且催化層面向質子交換膜18。
[0030]電池的外接1000歐姆電阻，在室溫條件下間歇運行，每當電池電壓低于50 mV時，棕色緩沖瓶14內電解液排到反應系統(tǒng)外，陽極室3電解液回流至棕色緩沖瓶14，向陽極室3中加入新鮮未處理含氮磷有機廢水。
[0031]人工模擬廢水配方:NTA1.5 g/L,MgSO4 3 g/L、MnSO4.H2O 0.5 g/L、NaCl I g/L、FeSO4.7Η20 0.1 g/L,CaCl.2Η20 0.1 g/L,CoCl.6Η20 0.1 g/L,ZnCl 0.13 g/L,CuSO4.5Η200.0l g/L、AlK(SO4)2.12H20 0.01 g/L、H3BO3 0.01 g/L、NaMoO4 0.025 g/L、NiCl.6H200.024 g/L、Na2WO4.2Η20 0.025 g/L、NaHCO3 5.96 g/L、NaC2H3O2 1.00 g/L、KH2PO4 0.54 g/L、NH4Cl 0.21 g/L、維生素 H 2 mg/L、維 B 2 mg/L、維 B6 10 mg/L、核黃素 5 mg/L、硫胺 5mg/L、煙酸 5 mg/L、泛酸 5 mg/L、B12 0.1 mg/L、對氨基苯甲酸 5 mg/L、硫辛酸 5 mg/L。
[0032]本同步脫氮除磷雙室微生物燃料電池啟動如下:
將含氮磷人工模擬有機廢水80 ml加到干凈燒杯中，再加入接種菌液40 ml (接種菌液為體積比為1:1的污水處理廠二次沉淀池的厭氧和好氧污泥上清液)，混勻，將陽極室3用模擬廢水和接種菌液的混合液充滿(約28 ml)，剩余混合液約92 ml全部加到棕色緩沖瓶14中。把陽極室3頂部進樣口 6和取樣口 5封好，打開恒流泵12和鼓氣泵11。兩天以后，將棕色緩沖瓶14中電解液排到反應系統(tǒng)外，打開陽極室3頂部取樣口 5，將陽極室3內電解液全部回流到棕色緩沖瓶14內。如此循環(huán)運行。以含氮磷有機廢水加入反應系統(tǒng)到排出反應系統(tǒng)整個時間段作為一個反應周期。當微生物燃料電池輸出電壓穩(wěn)定三個運行周期以上時，啟動過程完成。
[0033]同步脫氮除磷雙室微生物燃料電池工作過程如下:
模擬廢水加入到陽極室3，經運行72 h后，電池輸出電壓小于50 mV，排出棕色緩沖瓶14中電解液，把陽極室3中全部電解液回流至棕色緩沖瓶14，陽極室3中加入新鮮未處理模擬廢水，經72 h后，重復上一輪操作。
[0034]圖2為實施例中，陰極室19電解液溶解氧為3.5 mg/L左右時電池功率密度和電池電壓與電流密度的關系。電池在電流密度為1777 mA/m2時達到最大輸出功率531 mff/ m2。該條件下氮幾乎無去除效果，磷去除率為95%以上。
[0035]圖3為實施例中，陰極室19電解液溶解氧為2.5 mg/L左右時電池功率密度和電池電壓與電流密度的關系。電池在電流密度為1427 mA/m2時達到最大輸出功率429 mff /m2。該條件下氮磷的去除率均為90%以上。
[0036]從上述實驗數據可以看出，以不同的陰極室19電解液溶解氧運行該雙室微生物燃料電池，其產電性能和對廢水的脫氮除磷效果相差很大。
[0037]最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的若干具體實施例子。顯然，本發(fā)明不限于以上實施例子，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發(fā)明公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種同步脫氮除磷雙室微生物燃料電池，包括反應系統(tǒng)和數據采集監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述反應系統(tǒng)包括陽極反應系統(tǒng)和陰極反應系統(tǒng)，其中陽極反應系統(tǒng)包括陽極微生物(I)、陽極電極(2)、陽極室(3)、取樣口(5)、進樣口(6)和電解液；陰極反應系統(tǒng)包括陰極微生物(21)、陰極電極(20)、陰極室(19)、進水管(16)、出水管(17)、恒流泵軟管、鼓氣泵(11)、棕色緩沖瓶(14 )、曝氣頭(15 )、恒流泵(12 )和電解液；陰極反應系統(tǒng)中電解液依次經過出水管(17)、第一恒流泵軟管、棕色緩沖瓶(14)、第二恒流泵軟管、進水管(16)，在恒流泵(12)的作用下形成內循環(huán)；鼓氣泵(11)通過第三恒流泵軟管與棕色緩沖瓶(14)中的曝氣頭(15)連接，陽極室(3)和陰極室(19)由質子交換膜(18)隔開，陽極電極(2)和陰極電極(20)分別緊貼在質子交換膜(15)的兩側；數據采集監(jiān)測系統(tǒng)包括導電絲(4)、負載 (7)、導線(8)、數據采集器(9)和計算機(10)，陽極電極(2)和陰極電極(20)均連接有導電絲(4)，導電絲(4)再通過導線與負載(7)連接形成閉合回路；負載(7)兩端還通過導線與數據采集器(9)的輸入端連接，數據采集器(9)的輸出端與計算機(10)輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的一種同步脫氮除磷雙室微生物燃料電池，其特征在于所述陽極室(3)和陰極室(19)結構和大小完全相同，取樣口(5)、進樣口(6)位于陽極室(3)頂部。
3.根據權利要求1所述的一種同步脫氮除磷雙室微生物燃料電池，其特征在于恒流泵(12)作用于第二恒流泵軟管上。
4.根據權利要求1所述的一種同步脫氮除磷雙室微生物燃料電池，其特征在于出水管(17)與陰極室(19)頂部的出水口連接；進水管(16)穿過陰極室(19)頂部的進水口并伸入陰極室(19)內底部。
5.根據權利要求1所述的一種同步脫氮除磷雙室微生物燃料電池，其特征在于陽極室(3)除進樣和取樣過程外，陽極室(3)頂部的取樣口(5)和進樣口(6) —直呈關閉狀態(tài)，以確保陽極室(3)是厭氧環(huán)境；所述鼓氣泵(11) 一直是打開狀態(tài)，使得陰極反應系統(tǒng)一直呈好氧狀態(tài)，棕色緩沖瓶(14)中曝氣量大小由鼓氣泵(11)的流量控制按鈕調節(jié)。
6.根據權利要求1所述的一種同步脫氮除磷雙室微生物燃料電池，其特征在于陽極室(3)內溶解氧為0.05、.1 mg/L，棕色緩沖瓶(14)內電解液溶解氧為2.0-3.5 mg/L。
7.根據權利要求1所述的一種同步脫氮除磷雙室微生物燃料電池，其特征在于所述的電解液是含氮磷有機廢水，初始PH為7.0-7.5。
8.根據權利要求1所述的一種同步脫氮除磷雙室微生物燃料電池，其特征在于當該微生物燃料電池輸出電壓小于50 mV后，將棕色緩沖瓶(12)內電解液排到反應系統(tǒng)外；將陽極室(3)中電解液回流至棕色緩沖瓶(14)中，然后在陽極室(3)中加滿新鮮未處理含氮磷有機廢水，如此循環(huán)運行，以含氮磷有機廢水加入反應系統(tǒng)到排出反應系統(tǒng)整個時間段作為一個反應周期。
9.根據權利要求1所述的一種同步脫氮除磷雙室微生物燃料電池，其特征在于陽極室和陰極室的高度大于水平方向的寬度。
10.根據權利要求1所述的一種同步脫氮除磷雙室微生物燃料電池，其特征在于陽極電極(2)和陰極電極(20)面積相同，均為碳布、碳紙、碳氈、石墨氈或石墨板，兩者材料相同或不同，電極面積與反應室的體積比為I cm2:0.1"?0 cm3。
【文檔編號】H01M8/16GK103956510SQ201410159952
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月21日 優(yōu)先權日:2014年4月21日
【發(fā)明者】周少奇, 陶琴琴 申請人:華南理工大學, 貴州科學院