一種交替式陰陽極脫氮除磷微生物燃料電池的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種交替式陰陽極脫氮除磷微生物燃料電池，包括反應(yīng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)。整個反應(yīng)系統(tǒng)由兩個結(jié)構(gòu)相同且相互獨立的內(nèi)循環(huán)子反應(yīng)系統(tǒng)組成，子反應(yīng)系統(tǒng)包括反應(yīng)室、電極、進水管、出水管、恒流泵軟管、鼓氣泵、緩沖瓶、曝氣頭、恒流泵、微生物和電解液。兩個子反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)室由質(zhì)子交換膜隔開，兩個子反應(yīng)系統(tǒng)的電極分別緊貼在質(zhì)子交換膜的兩側(cè)。兩個子反應(yīng)系統(tǒng)的鼓氣泵交替打開和關(guān)閉。數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)包括導(dǎo)電絲、負載、導(dǎo)線、數(shù)據(jù)采集器和計算機。在陽極室厭氧階段，利用有機物為燃料，完成聚磷菌的厭氧放磷過程。在陰極室曝氣階段，以氧氣、硝態(tài)氮作為電子受體，同步實現(xiàn)反硝化脫氮、除磷和產(chǎn)電功能。
【專利說明】一種交替式陰陽極脫氮除磷微生物燃料電池

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于生物燃料電池【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種交替式陰陽極脫氮除磷微 生物燃料電池。

【背景技術(shù)】
[0002] 氮、磷是引起水體富營養(yǎng)化的重要限制因子，人類的生產(chǎn)和生活過程中，向湖泊、 河口、海灣等緩流水體中排入了大量的氮和磷，引起水體富營養(yǎng)化，造成水體中藻類及其他 浮游生物迅速繁殖，水體溶解氧量下降，水質(zhì)惡化，魚類及其他生物大量死亡。富營養(yǎng)化的 防治是水污染處理中最為復(fù)雜和困難的問題。目前，最常用的生物脫氮除磷工藝是A(缺氧） /〇 (好氧)工藝。該方法有很好的脫氮除磷效果，但有高能耗和剩余污泥量多等問題。國際 上很多國家之間的爭端和矛盾的根源都是能源的爭奪，能源短缺的日益加劇，使得我們在 解決實際問題時不得不考慮節(jié)能降耗、使用新能源。
[0003] 微生物燃料電池 （Microbial Fuel cells，簡稱MFC)是一種利用微生物將化學能 直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，其能量轉(zhuǎn)化效率可達80%以上。微生物燃料電池以廢水中的有機 物為燃料，有機物在降解過程中產(chǎn)生的電子經(jīng)過陽極電極、外電路、電路負載，最終到達陰 極端。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，不僅凈化了廢水，而且 獲得了能量；具有常溫發(fā)電、清潔高效、可循環(huán)利用等優(yōu)點。今年來，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的治廢和產(chǎn)電特性，這項新技術(shù)越來越受人們青睞。
[0004] 微生物燃料電池的基本工作原理：陽極有機物被厭氧微生物氧化分解后，產(chǎn)生電 子和質(zhì)子。部分電子傳遞到陽極上，通過外電路到達陰極，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達陰極。 在陰極表面，電子、質(zhì)子與電子受體結(jié)合，從而完成電子和質(zhì)子的回路。隨著陽極有機物的 不斷氧化和陰極反應(yīng)的持續(xù)進行，閉合回路下獲得持續(xù)的電流。 實用新型內(nèi)容
[0005] 本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種交替式陰陽極脫氮除磷微生 物燃料電池，具體技術(shù)方案如下。
[0006] -種交替式陰陽極脫氮除磷微生物燃料電池，包括反應(yīng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系 統(tǒng)，所述反應(yīng)系統(tǒng)包括兩個結(jié)構(gòu)相同的子反應(yīng)系統(tǒng)，其中一個子反應(yīng)系統(tǒng)包括反應(yīng)室一、電 極一、進水管、出水管、恒流泵軟管、鼓氣泵、緩沖瓶、曝氣頭、恒流泵、微生物和電解液；反應(yīng) 室一中的電解液依次經(jīng)過出水管、第一恒流泵軟管、緩沖瓶、第二恒流泵軟管、進水管，在恒 流泵的作用下形成內(nèi)循環(huán)；鼓氣泵通過第三恒流泵軟管與緩沖瓶中的曝氣頭連接；兩個子 反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)室由質(zhì)子交換膜隔開，兩個子反應(yīng)系統(tǒng)的電極分別緊貼在質(zhì)子交換膜的兩 偵k數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)包括導(dǎo)電絲、負載、導(dǎo)線、數(shù)據(jù)采集器和計算機，兩個子反應(yīng)系統(tǒng)的電 極均連接有導(dǎo)電絲，導(dǎo)電絲再通過導(dǎo)線與負載連接形成閉合回路；負載兩端還通過導(dǎo)線與 數(shù)據(jù)采集器的輸入端連接，數(shù)據(jù)采集器的輸出端與計算機輸入端連接。
[0007] 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。
[0008] 所述的電解液為含氮和磷有機廢水，初始pH為7. (Γ7. 5。
[0009] 進一步優(yōu)化的，出水管與反應(yīng)室一頂部的出水口連接；進水管穿過反應(yīng)室一頂部 的進水口并伸入反應(yīng)室一內(nèi)底部。
[0010] 進一步優(yōu)化的，恒流泵作用于第二恒流泵軟管上。
[0011] 進一步優(yōu)化的，兩個子反應(yīng)系統(tǒng)的鼓氣泵交替打開和關(guān)閉，當其中一個子反應(yīng)系 統(tǒng)的鼓氣泵打開時，該子反應(yīng)系統(tǒng)形成一個好氧環(huán)境內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)作為微生物燃料電池的陰 極反應(yīng)室，此時另一個子反應(yīng)系統(tǒng)形成厭氧環(huán)境內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)作為微生物燃料電池的陽極反 應(yīng)室。
[0012] 進一步優(yōu)化的，當該微生物燃料電池輸出電壓小于50 mV時，關(guān)閉呈好氧環(huán)境內(nèi)循 環(huán)系統(tǒng)子系統(tǒng)中的鼓氣泵，將其中的電解液排到系統(tǒng)外后重新加入新鮮未處理含氮磷有機 廢水，同時打開呈厭氧環(huán)境內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)子系統(tǒng)中的鼓氣泵，如此循環(huán)運行，含氮磷有機廢水 加入反應(yīng)系統(tǒng)中的其中一個反應(yīng)室到排出該反應(yīng)室所經(jīng)歷的時間為一個運行周期。
[0013] 進一步優(yōu)化的，所述兩個子反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)室的高度大于水平方向的寬度。
[0014] 進一步優(yōu)化的，緩沖瓶中曝氣量大小由鼓氣泵設(shè)有的流量控制按鈕調(diào)節(jié)，好氧循 內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)中溶解氧為2. (Γ3. 5 mg/L，厭氧內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)中溶解氧為0. 05、. 1 mg/L。
[0015] 進一步優(yōu)化的，所述的電極為碳布、碳紙、碳氈、石墨氈或石墨板；電極表面都附著 具有脫氮除磷功能的微生物，電極面積與反應(yīng)室的體積比為1 cm2 :0. 1~10 cm3。
[0016] 進一步優(yōu)化的，反應(yīng)室一和反應(yīng)室二中充滿電解液，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(yīng)室體積 比為1:3。
[0017] 所述的反應(yīng)室一和反應(yīng)室二是一個交替的厭氧和好氧環(huán)境，這項功能由鼓氣泵 的開和關(guān)控制完成。曝氣量大小由鼓氣泵流量控制按鈕調(diào)節(jié)，好氧循環(huán)系統(tǒng)中溶解氧為 2· (Γ3. 5 mg/L，厭氧循環(huán)系統(tǒng)中溶解氧為0· 05~0· 1 mg/L。
[0018] 進一步地，所述的數(shù)據(jù)采集器為吉時利2007型數(shù)據(jù)采集器。
[0019] 與已有技術(shù)相比，本實用新型具有如下有益效果：
[0020] (1)本實用新型利用具有脫氮除磷功能的活性污泥微生物進行廢水處理和生物產(chǎn) 電，整個反應(yīng)過程中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(zhì)，便可同 時實現(xiàn)污水處理和產(chǎn)電；
[0021] ( 2 )兩個反應(yīng)室交替曝氣，反應(yīng)室中兼性厭氧和好氧產(chǎn)電菌大量繁殖，與嚴格厭氧 的陽極室純厭氧菌比，反應(yīng)條件更溫和，細菌繁殖更快，產(chǎn)電效率高；
[0022] (3)兩反應(yīng)室交替曝氣可很好的解決陰極室和陽極室的pH差問題；
[0023] (4)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(chǎn)電效率和整個反 應(yīng)器的產(chǎn)電穩(wěn)定性；
[0024] (5)厭氧內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)和好氧內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)加強了反應(yīng)室內(nèi)部的物質(zhì)流動，加快了產(chǎn) 電速率；
[0025] (6)兩電極分別緊貼在質(zhì)子交換膜兩側(cè)，電極間距離極小，極大地降低了電池內(nèi) 阻；
[0026] (7)陰極曝氣達到了提供電子受體和微生物好氧吸磷的雙重功效，減少能耗。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 圖1是一種交替式陰陽極脫氮除磷微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖對本實用新型的實施作進一步說明，但本實用新型的實施和保護不 限于此。
[0029] 如圖1，一種交替式陰陽極脫氮除磷微生物燃料電池，包括反應(yīng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集監(jiān) 測系統(tǒng)，所述反應(yīng)系統(tǒng)包括兩個結(jié)構(gòu)相同的子反應(yīng)系統(tǒng)，其中一個子反應(yīng)系統(tǒng)包括反應(yīng)室 一 3、電極一 2、進水管18、出水管14、恒流泵軟管、鼓氣泵9、緩沖瓶6、曝氣頭5、恒流泵8、 微生物1和電解液；反應(yīng)室一 3中的電解液依次經(jīng)過出水管14、第一恒流泵軟管、緩沖瓶6、 第二恒流泵軟管、進水管18,在恒流泵8的作用下形成內(nèi)循環(huán)；鼓氣泵9通過第三恒流泵軟 管與緩沖瓶6中的曝氣頭5連接；兩個子反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)室由質(zhì)子交換膜15隔開，兩個子 反應(yīng)系統(tǒng)的電極分別緊貼在質(zhì)子交換膜15的兩側(cè)。數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)包括導(dǎo)電絲4、負載 13、導(dǎo)線12、數(shù)據(jù)采集器10和計算機11，兩個子反應(yīng)系統(tǒng)的電極均連接有導(dǎo)電絲4,導(dǎo)電絲 4再通過導(dǎo)線與負載13連接形成閉合回路；負載13兩端還通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集器10的輸 入端連接，數(shù)據(jù)采集器10的輸出端與計算機11輸入端連接。
[0030] 上述交替式陰陽極脫氮除磷微生物燃料電池的啟動過程如下：
[0031] 將含氮、磷有機廢水加到兩個緩沖瓶6的2/3體積處，再分別加入1/3體積的接種 菌液，混勻，將兩個恒流泵8打開，含氮磷有機廢水和微生物1分別經(jīng)兩反應(yīng)室頂部的進水 管18慢慢進入反應(yīng)室一 3和反應(yīng)室二16直至充滿兩個反應(yīng)室，隨著含氮磷有機廢水和微 生物1的持續(xù)泵入，兩反應(yīng)室內(nèi)均產(chǎn)生了水壓，兩反應(yīng)室中的含氮磷有機廢水和微生物1則 經(jīng)各自所在反應(yīng)室頂部的出水管14慢慢回流到緩沖瓶內(nèi)6,此時將反應(yīng)室一 3所對應(yīng)的鼓 氣泵9打開，這樣便形成了一個好氧內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)。反應(yīng)室二16所對應(yīng)的鼓氣泵9呈關(guān)閉狀 態(tài)，這樣便形成了一個厭氧內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)。兩天以后，關(guān)閉反應(yīng)室一 3對應(yīng)的鼓氣泵9,將反應(yīng) 室一 3中的電解液排到系統(tǒng)外后重新加入新鮮未處理含氮磷有機廢水，同時打開反應(yīng)室二 16所對應(yīng)的鼓氣泵9。如此循環(huán)運行。含氮磷有機廢水加入反應(yīng)系統(tǒng)中的其中一個反應(yīng)室 到排出該反應(yīng)室所經(jīng)歷的時間為一個運行周期。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。
[0032] 交替式陰陽極脫氮除磷微生物燃料電池工作過程如下：
[0033] 當反應(yīng)室二16中的聚磷菌處在一個厭氧內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)中，聚磷菌分解其體內(nèi)的聚 磷酸鹽，向反應(yīng)室二16中釋放磷酸鹽。此時，反應(yīng)室一 3中的聚磷菌處在一個好氧內(nèi)循環(huán) 系統(tǒng)中，以氧或硝態(tài)氮為電子受體，聚磷菌過量吸收磷酸鹽并反硝化除氮。此時反應(yīng)室一 3 作為微生物燃料電池的陰極室，反應(yīng)室二16作為微生物燃料電池的陽極室。當微生物燃料 電池輸出電壓小于50 mV時，關(guān)閉反應(yīng)室一 3對應(yīng)的鼓氣泵9,將反應(yīng)室一 3中的電解液排 出，加入新鮮未處理含氮磷有機廢水。與此同時，反應(yīng)室二16中的聚磷菌經(jīng)一段時間厭氧 環(huán)境后，已經(jīng)完成了厭氧放磷過程，開啟反應(yīng)室二16對應(yīng)的鼓氣泵9,使反應(yīng)室二16呈一 個好氧狀態(tài)。整個反應(yīng)系統(tǒng)出水中氮和磷去除率分別達到(Γ90 % (當好氧循環(huán)系統(tǒng)中溶解 氧> 2. 0 mg/L時，氮的去除效果非常差；當溶解氧彡2. 0 mg/L時，氮的去除效果明顯變好， 但由于溶解氧的不足，導(dǎo)致微生物燃料電池的輸出電壓迅速降低，當溶解氧2. 0 mg/L為最 佳溶解氧，此時氮的去除率達到了 90 %)和90 %以上。在整個處理過程中，廢水中的有機物 被氧化分解，釋放出電子，電子由陽極電極收集并通過導(dǎo)電絲4和外電路導(dǎo)線12傳遞到陰 極電極。反應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的電信號被數(shù)據(jù)采集器10收集，并傳輸?shù)接嬎銠C11中，交替式陰陽 極微生物燃料電池輸出的電信號體現(xiàn)為數(shù)據(jù)采集器10記錄負載13兩端的電壓是正負交替 的。
【權(quán)利要求】
1. 一種交替式陰陽極脫氮除磷微生物燃料電池，包括反應(yīng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)， 其特征在于：所述反應(yīng)系統(tǒng)包括兩個結(jié)構(gòu)相同的子反應(yīng)系統(tǒng)，其中一個子反應(yīng)系統(tǒng)包括反 應(yīng)室一（3)、電極一（2)、進水管（18)、出水管（14)、恒流泵軟管、鼓氣泵（9)、緩沖瓶（6)、 曝氣頭（5)、恒流泵（8)、微生物（1)和電解液；反應(yīng)室一（3)中的電解液依次經(jīng)過出水管 (14)、第一恒流泵軟管、緩沖瓶（6)、第二恒流泵軟管、進水管（18)，在恒流泵（8)的作用下 形成內(nèi)循環(huán)；鼓氣泵（9)通過第三恒流泵軟管與緩沖瓶（6)中的曝氣頭（5)連接；兩個子 反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)室由質(zhì)子交換膜（15)隔開，兩個子反應(yīng)系統(tǒng)的電極分別緊貼在質(zhì)子交換 膜（15)的兩側(cè)，數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)包括導(dǎo)電絲（4)、負載（13)、導(dǎo)線（12)、數(shù)據(jù)采集器（10) 和計算機（11)，兩個子反應(yīng)系統(tǒng)的電極均連接有導(dǎo)電絲（4)，導(dǎo)電絲（4)再通過導(dǎo)線與負載 (13)連接形成閉合回路；負載（13)兩端還通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集器（10)的輸入端連接，數(shù)據(jù) 采集器（10)的輸出端與計算機（11)輸入端連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交替式陰陽極脫氮除磷微生物燃料電池，其特征在于出 水管（14)與反應(yīng)室一（3)頂部的出水口連接；進水管（18)穿過反應(yīng)室一（3)頂部的進水口 并伸入反應(yīng)室一（3)內(nèi)底部。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交替式陰陽極脫氮除磷微生物燃料電池，其特征在于恒 流泵（8)作用于第二恒流泵軟管上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交替式陰陽極脫氮除磷微生物燃料電池，其特征在于所 述兩個子反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)室的高度大于水平方向的寬度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交替式陰陽極脫氮除磷微生物燃料電池，其特征在于所 述鼓氣泵（9)設(shè)有流量控制按鈕。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交替式陰陽極脫氮除磷微生物燃料電池，其特征在于所 述的電極為碳布、碳紙、碳氈、石墨氈或石墨板；電極表面都附著具有脫氮除磷功能的微生 物（1)，電極面積與反應(yīng)室的體積比為1 cm2 :0. 1~10 cm3。
【文檔編號】H01M8/16GK203871428SQ201420193959
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年4月21日 優(yōu)先權(quán)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