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】本實(shí)用新型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(yīng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)。反應(yīng)系統(tǒng)包括陽極反應(yīng)系統(tǒng)和陰極反應(yīng)系統(tǒng)，其中陽極反應(yīng)系統(tǒng)包括陽極微生物、陽極電極、陽極室、取樣口、進(jìn)樣口和電解液。陰極反應(yīng)系統(tǒng)包括陰極微生物、陰極電極、陰極室、進(jìn)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(zhì)子交換膜兩側(cè)。數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)包括導(dǎo)電絲、負(fù)載、導(dǎo)線、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)。本實(shí)用新型間歇運(yùn)行，裝置結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)阻小，性能高效穩(wěn)定，具備產(chǎn)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(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于生物燃料電池【技術(shù)領(lǐng)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(shù)】
[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(zhì)含 量過多所引起的水質(zhì)污染現(xiàn)象。由于水體中氮磷營養(yǎng)物質(zhì)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(xiàn)象。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，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(xué)能 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(jī)物降解，而 且可以將有機(jī)物代謝過程中產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)化為電流，從而獲得電能。在環(huán)境污染和能源危 機(jī)的雙重壓力下，由于微生物燃料電池可同時(shí)處理廢水并產(chǎn)生電能，MFC技術(shù)的研究和開發(fā) 備受各國政府與大公司的重視，被認(rèn)為是21世紀(jì)潔凈、高效的發(fā)電技術(shù)。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(gè) 優(yōu)點(diǎn)。
[0004] MFC的基本產(chǎn)電原理為（1)基質(zhì)（即燃料）的生物氧化：有機(jī)物于陽極室在微生物 作用下被氧化，產(chǎn)生電子、質(zhì)子及代謝產(chǎn)物；（2)陽極還原：有機(jī)物氧化產(chǎn)生的電子從微生 物細(xì)胞傳遞至陽極表面，使電極還原；（3)外電路電子傳輸：電子經(jīng)由外電路到達(dá)陰極；（4) 質(zhì)子遷移：有機(jī)物氧化產(chǎn)生的質(zhì)子從陽極室遷移到陰極室，到達(dá)陰極表面；（5)陰極反應(yīng)： 在陰極室中的氧化態(tài)物質(zhì)即電子受體與陽極傳遞來的質(zhì)子和電子于陰極表面發(fā)生還原反 應(yīng)，氧化態(tài)物質(zhì)被還原。電子的產(chǎn)傳遞、消耗形成電流，完成產(chǎn)電過程。
[0005] 利用微生物燃料電池技術(shù)處理氮磷污染廢水，不僅能夠高效率去除廢水中氮磷， 同時(shí)還有電能產(chǎn)生。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0006] 本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)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(shù)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(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)包括陽極反應(yīng)系統(tǒng)和陰極反應(yīng)系統(tǒng)，其中陽極反應(yīng)系統(tǒng)包括陽極微生物、陽極 電極、陽極室、取樣口、進(jìn)樣口和電解液；陰極反應(yīng)系統(tǒng)包括陰極微生物、陰極電極、陰極室、 進(jìn)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(yīng)系統(tǒng) 中電解液依次經(jīng)過出水管、第一恒流泵軟管、棕色緩沖瓶、第二恒流泵軟管、進(jìn)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棕色緩沖瓶中的曝氣頭連接，陽極 室和陰極室由質(zhì)子交換膜隔開，陽極電極和陰極電極分別緊貼在質(zhì)子交換膜的兩側(cè)；數(shù)據(jù) 采集監(jiān)測系統(tǒng)包括導(dǎo)電絲、負(fù)載、導(dǎo)線、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)，陽極電極和陰極電極均連接 有導(dǎo)電絲，導(dǎo)電絲再通過導(dǎo)線與負(fù)載連接形成閉合回路；負(fù)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(jì)算機(jī)輸入端連接。
[0008] 進(jìn)一步地，所述陽極室和陰極室結(jié)構(gòu)和大小完全相同，取樣口、進(jìn)樣口位于陽極室 頂部。
[0009] 進(jìn)一步地，恒流泵作用于第二恒流泵軟管上。
[0010] 進(jìn)一步地，出水管與陰極室頂部的出水口連接；進(jìn)水管穿過陰極室頂部的進(jìn)水口 并伸入陰極室內(nèi)底部。
[0011] 進(jìn)一步地，陽極室除進(jìn)樣和取樣過程外，陽極室頂部的取樣口和進(jìn)樣口一直呈關(guān) 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(yīng)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(diào)節(jié)。
[0012] 進(jìn)一步地，陽極室內(nèi)溶解氧為0. 05~0. 1 mg/L，棕色緩沖瓶內(nèi)電解液溶解氧為 2. 0?3. 5 mg/L。
[0013] 進(jìn)一步地，所述的電解液是含氮磷有機(jī)廢水，初始pH為7. (Γ7. 5。
[0014] 進(jìn)一步地，當(dāng)該微生物燃料電池輸出電壓小于50 mV后，將棕色緩沖瓶內(nèi)電解液排 到反應(yīng)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(jī)廢水，如此循環(huán)運(yùn)行，以含氮磷有機(jī)廢水加入反應(yīng)系統(tǒng)到排出反應(yīng)系統(tǒng)整個(gè)時(shí) 間段作為一個(gè)反應(yīng)周期。
[0015] 進(jìn)一步地，陽極室和陰極室的高度大于水平方向的寬度。
[0016] 進(jìn)一步地，陽極電極和陰極電極面積相同，均為碳布、碳紙、碳?xì)?、石墨氈或石?板，兩者材料相同或不同，電極面積與反應(yīng)室的體積比為1 cm2 :0. 1~10 cm3。
[0017] 進(jìn)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(jìn)一步地，所述的電解液為含氮磷有機(jī)廢水，初始pH為7. (Γ7. 5。
[0019] 進(jìn)一步地，陽極室和陰極室中充滿電解液，初期啟動(dòng)時(shí)，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。 以含氮磷有機(jī)廢水加入反應(yīng)系統(tǒng)到排出反應(yīng)系統(tǒng)整個(gè)時(shí)間段作為一個(gè)反應(yīng)周期。當(dāng)輸出電 壓小于50 mV時(shí)，將棕色緩沖瓶中的電解液排到反應(yīng)系統(tǒng)外，陽極室內(nèi)電解液全部回流至棕 色緩沖瓶內(nèi)，向陽極室中加入新鮮未處理的含氮磷有機(jī)廢水(人工配水或?qū)嶋H廢水均可)。
[0020] 進(jìn)一步地，所述的陽極室是一個(gè)嚴(yán)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. (Γ3. 5 mg/L范圍內(nèi)。
[0021] 進(jìn)一步地，所述的數(shù)據(jù)采集器為吉時(shí)利2007型數(shù)據(jù)采集器。
[0022] 與已有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下有益效果：
[0023] (1)本實(shí)用新型無需投加鐵氰化物和高錳酸鹽等具有高氧化活性的化學(xué)物質(zhì)就可 實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷和產(chǎn)電；
[0024] (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(jī)物 的去除率進(jìn)一步提1? ;
[0025] (3)利用緩沖瓶曝氣可以減少陰極室氧向陽極室擴(kuò)散，提高了產(chǎn)電效率和整個(gè)反 應(yīng)器的產(chǎn)電穩(wěn)定性；
[0026] (4)通過鼓氣泵的流量控制，可以得到不同的脫氮除磷和產(chǎn)電效果，反應(yīng)器可以靈 活運(yùn)行；
[0027] (5)陰極循環(huán)系統(tǒng)加強(qiáng)了反應(yīng)室內(nèi)部的物質(zhì)流動(dòng)，加快了產(chǎn)電速率；
[0028] (6)陽極電極和陰極電極緊貼在質(zhì)子交換膜兩側(cè)，兩電極間的距離非常小，極大地 降低了電池內(nèi)阻；
[0029] (7)陰極曝氣達(dá)到了提供電子受體、硝化細(xì)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。
[0030] (8)含氮磷有機(jī)廢水先后經(jīng)陽極反應(yīng)系統(tǒng)和陰極反應(yīng)系統(tǒng)處理，可以將含氮磷有 機(jī)廢水中的有機(jī)物質(zhì)分解更徹底。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031] 圖1是一種同步脫氮除磷雙室微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032] 圖2是實(shí)施例中陰極室液體溶解氧為3. 5 mg/L左右時(shí)電池功率密度和電池電壓 與電流密度的關(guān)系。
[0033] 圖3是實(shí)施例中陰極室液體溶解氧為2. 5 mg/L左右時(shí)電池功率密度和電池電壓與 電流密度的關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面通過具體實(shí)施例，對本實(shí)用新型的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述，但本實(shí)用新型的 實(shí)施不限于此。
[0035] 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(yīng)系統(tǒng)和陰極反應(yīng)系 統(tǒng)，其中陽極反應(yīng)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(jìn)樣口 6和電解 液；陰極反應(yīng)系統(tǒng)包括陰極微生物21、陰極電極20、陰極室19、進(jìn)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(yīng)系統(tǒng)中電解液 依次經(jīng)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(jìn)水管16,在恒流 泵12的作用下形成內(nèi)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(zhì)子交換膜18隔開，陽極電極2和陰極電極20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(fù)載7、導(dǎo)線8、數(shù)據(jù)采集器9和計(jì) 算機(jī)10,陽極電極2和陰極電極20均連接有導(dǎo)電絲4,導(dǎo)電絲4再通過導(dǎo)線與負(fù)載7連接 形成閉合回路；負(fù)載7兩端還通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集器9的輸入端連接，數(shù)據(jù)采集器9的輸出 端與計(jì)算機(jī)10輸入端連接。本實(shí)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(zhì)子交換膜18。
[0036] 電池的外接1000歐姆電阻，在室溫條件下間歇運(yùn)行，每當(dāng)電池電壓低于50 mV時(shí)， 棕色緩沖瓶14內(nèi)電解液排到反應(yīng)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(jī)廢水。
[0037] 人工模擬廢水配方：NTA 1. 5 g/L、MgS04 3 g/L、MnS04 · H20 0· 5 g/L、NaCl 1 g/L、 FeS04 · 7H20 0· 1 g/L、CaCl · 2H20 0· 1 g/L、CoCl · 6H20 0· 1 g/L、ZnCl 0· 13 g/L、CuS04 · 5H20 0· 01 g/L、AlK(S04)2 ·12Η20 0· 01 g/L、H3B03 0 · 01 g/L、NaMo04 0· 025 g/L、NiCl ·6Η20 0· 024 g/ L、Na2W04 · 2H20 0· 025 g/L、NaHC03 5· 96 g/L、NaC2H302 1· 00 g/L、KH2P04 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 5 mg/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。
[0038] 本同步脫氮除磷雙室微生物燃料電池啟動(dòng)如下：
[0039] 將含氮磷人工模擬有機(jī)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(jìn)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(yīng)系統(tǒng)外，打開陽極室3頂部取樣口 5,將陽極室3內(nèi) 電解液全部回流到棕色緩沖瓶14內(nèi)。如此循環(huán)運(yùn)行。以含氮磷有機(jī)廢水加入反應(yīng)系統(tǒng)到 排出反應(yīng)系統(tǒng)整個(gè)時(shí)間段作為一個(gè)反應(yīng)周期。當(dāng)微生物燃料電池輸出電壓穩(wěn)定三個(gè)運(yùn)行周 期以上時(shí)，啟動(dòng)過程完成。
[0040] 同步脫氮除磷雙室微生物燃料電池工作過程如下：
[0041] 模擬廢水加入到陽極室3,經(jīng)運(yùn)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(jīng)72 h后，重復(fù)上一輪操作。
[0042] 圖2為實(shí)施例中，陰極室19電解液溶解氧為3. 5 mg/L左右時(shí)電池功率密度和電 池電壓與電流密度的關(guān)系。電池在電流密度為1777 mA/m2時(shí)達(dá)到最大輸出功率531 mW/m2。 該條件下氮幾乎無去除效果，磷去除率為95%以上。
[0043] 圖3為實(shí)施例中，陰極室19電解液溶解氧為2. 5 mg/L左右時(shí)電池功率密度和電池 電壓與電流密度的關(guān)系。電池在電流密度為1427 mA/m2時(shí)達(dá)到最大輸出功率429 mW / m2。 該條件下氮磷的去除率均為90%以上。
[0044] 從上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，以不同的陰極室19電解液溶解氧運(yùn)行該雙室微生物 燃料電池，其產(chǎn)電性能和對廢水的脫氮除磷效果相差很大。
[0045] 最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本實(shí)用新型的若干具體實(shí)施例子。顯然， 本實(shí)用新型不限于以上實(shí)施例子，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本實(shí)用 新型公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)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(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)包括陽極反應(yīng)系統(tǒng)和陰極反應(yīng)系統(tǒng)，其中陽極反應(yīng)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(jìn)樣口（6)和電解液；陰極反應(yīng)系統(tǒng)包括 陰極微生物（21)、陰極電極（20)、陰極室（19)、進(jìn)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(yīng)系統(tǒng)中電解液依次 經(jīng)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(jìn)水管（16)，在恒 流泵（12)的作用下形成內(nèi)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(zhì)子交換膜（18)隔開，陽極電極（2)和陰 極電極（20)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(fù)載 (7)、導(dǎo)線（8)、數(shù)據(jù)采集器（9)和計(jì)算機(jī)（10)，陽極電極（2)和陰極電極（20)均連接有導(dǎo)電 絲（4)，導(dǎo)電絲（4)再通過導(dǎo)線與負(fù)載（7)連接形成閉合回路；負(fù)載（7)兩端還通過導(dǎo)線與 數(shù)據(jù)采集器（9)的輸入端連接，數(shù)據(jù)采集器（9)的輸出端與計(jì)算機(jī)（10)輸入端連接。
2. 根據(jù)權(quán)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(jié)構(gòu)和大小完全相同，取樣口（5)、進(jìn)樣口（6)位于陽極室（3)頂部。
3. 根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jìn)水管（16)穿過陰極室（19)頂部的進(jìn)水口并伸入 陰極室（19)內(nèi)底部。
5. 根據(jù)權(quán)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。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1飛任一項(xiàng)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?xì)?、石墨氈或石墨板，兩者?料相同或不同，電極面積與反應(yīng)室的體積比為1 cm2 :0. 1~10 cm3。
【文檔編號】H01M8/16GK203871429SQ201420193966
【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(xué), 貴州科學(xué)院