本發(fā)明涉及一種三陽極共用陰極型脫氮微生物燃料電池，特別涉及微生物燃料電池裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，屬于生活污水及工業(yè)廢水處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

微生物燃料電池是利用微生物催化作用使有機物如有機酸、蛋白質(zhì)、糖類等降解，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有效率高、無污染等特點。利用微生物燃料電池處理實際生活污水，可在高效去除污染物的同時，實現(xiàn)有效產(chǎn)電。近年來，關(guān)于利用微生物燃料電池技術(shù)實現(xiàn)有機物降解和氮類物質(zhì)去除已成為研究熱點。但是目前所開發(fā)的有膜微生物燃料電池大多為傳統(tǒng)雙筒式結(jié)構(gòu)，存在內(nèi)阻較大、產(chǎn)電量較低等不足。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷與不足，本發(fā)明提出一種三陽極共用單陰極型脫氮微生物燃料電池，該電池結(jié)構(gòu)采用生物陰極代替Pt陰極，降低傳統(tǒng)MFC成本的同時，陽極COD去除率及陰極硝態(tài)氮去除率分別在80％和50％以上。采用三陽級結(jié)構(gòu)，有效增加質(zhì)子和電子由陽極向陰極傳輸?shù)耐ǖ?，在提高傳遞效率的同時，使陰陽極間電流增加，系統(tǒng)自身產(chǎn)生的弱電場也加強了陰陽極微生物的催化活性，從而進一步提高脫氮效率。該微生物燃料電池集污水產(chǎn)電和高效脫氮于一體，具有節(jié)能減排意義。

技術(shù)方案：本發(fā)明是一種三陽極共用單陰極型脫氮微生物燃料電池，該電池主要包括三個陽極室、一個陰極室、三個陰陽極室連接結(jié)構(gòu)和三根鈦導(dǎo)線及三個電阻；三個陽極室即第一陽極室、第二陽極室、第三陽極室分布于陰極室周邊，且在內(nèi)部分別通過陰陽極室連接結(jié)構(gòu)與陰極室連接；在外部分別通過三根鈦導(dǎo)線即第一鈦導(dǎo)線、第二鈦導(dǎo)線、第三鈦導(dǎo)線及三個電阻即第一電阻、第二電阻、第三電阻與陰極室連接，構(gòu)成閉合電路；取樣口和進水口分別位于三個陽極室的兩側(cè)。

陽極室反應(yīng)產(chǎn)生的電子通過外部鈦導(dǎo)線與電阻傳遞到陰極室，陽極室反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)子通過陰陽極室連接結(jié)構(gòu)與位于連接結(jié)構(gòu)中間的質(zhì)子交換膜傳遞到陰極室，在陰極室內(nèi)實現(xiàn)生物脫氮。含有有機物的污水從陽極進水口進入陽極室，含有硝酸鹽的廢水從陰極進水口進入陰極室，陽極出水通過陽極出水口排出，陰極出水通過陰極出水口排出，陽極產(chǎn)氣通過陽極排氣孔收集，陰極產(chǎn)氣通過陰極排氣孔排放。

陰陽極室連接結(jié)構(gòu)由兩塊穿孔有機玻璃板組成，兩塊陰陽極室連接結(jié)構(gòu)間設(shè)有兩塊環(huán)氧橡膠墊，兩塊環(huán)氧橡膠墊間設(shè)有質(zhì)子交換膜，用于實現(xiàn)陽極反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)子向陰極的流動；陰陽極室連接結(jié)構(gòu)由螺絲螺母固定，確保密閉；三個陽極室分別通過陰陽極室連接結(jié)構(gòu)與陰極室連接，且三個陽極室上部均由密閉有機玻璃板及環(huán)氧橡膠墊密封，密閉有機玻璃板上開有橡膠塞孔及參比電極放置口，用于固定橡膠塞，橡膠塞分別用于鈦導(dǎo)線穿出及參比電極放置，取樣口用于陽極水樣分析測試。

三個陽極室處于厭氧環(huán)境，產(chǎn)電菌和非產(chǎn)電菌共同降解有機物，反應(yīng)生成的質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜傳遞到陰極室；陰極室采用反硝化菌作為生物催化劑，陰極石墨氈上微生物利用通過鈦導(dǎo)線從陽極傳遞過來的電子，對陰極室廢水中的硝酸鹽進行反硝化脫氮。陰極采用反硝化菌代替Pt作為生物催化劑，降低反應(yīng)器成本的同時，陽極COD去除率及陰極硝態(tài)氮去除率分別在80％和50％以上。

含有一定濃度有機物的污水從陽極進水口進入陽極室，陽極室處于厭氧環(huán)境，其石墨氈上附著著大量微生物，可以將污水中大量含碳有機物代謝生成CO₂、質(zhì)子和電子，質(zhì)子通過陰陽極室連接結(jié)構(gòu)，穿過質(zhì)子交換膜進入陰極室，電子通過具有導(dǎo)電性的鈦導(dǎo)線及外部電阻，到達陰極室，形成外電流。含有一定濃度的硝酸鹽污水通過陰極進水口進入陰極室，陰極室中石墨氈上附著反硝化菌。在陰極室中，污水中硝酸鹽氮通過附著在石墨氈上反硝化菌的作用，通過質(zhì)子交換膜傳遞過來的質(zhì)子以及外電路傳遞的電子生成水和氮氣，完成脫氮過程。

本發(fā)明所述的裝置還包括陰陽極室連接結(jié)構(gòu)，由兩塊穿孔有機玻璃板組成，陰陽極室連接結(jié)構(gòu)間設(shè)有兩塊環(huán)氧橡膠墊，環(huán)氧橡膠墊間設(shè)有質(zhì)子交換膜。穿孔有機玻璃板之間用螺絲螺母嵌合在一起，確保密閉。

本發(fā)明所述的裝置還包括石墨氈與鈦導(dǎo)線之間的連接，將鈦導(dǎo)線彎曲成不同形狀，內(nèi)插在石墨氈上，從而使得石墨氈固定在鈦導(dǎo)線上，以保證石墨氈與集流鈦導(dǎo)線電流傳導(dǎo)的暢通。

本發(fā)明所述的裝置還包括陰極采用培養(yǎng)馴化的反硝化菌代替Pt作為生物催化劑，降低反應(yīng)器成本，同時對污水中硝酸鹽進行反硝化，凈化污水。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及突出性進步：本發(fā)明采用與傳統(tǒng)單陽極單陰極微生物燃料電池不同的三陽極單陰極結(jié)構(gòu)，能夠在不增加陽極室體積的同時，增加陽極室有效反應(yīng)區(qū)，從而提高陽極庫侖效率；采用反硝化菌作為陰極催化劑，降低反應(yīng)器成本，同時對污水中硝酸鹽進行反硝化，凈化污水；采用吸附能力強的石墨氈作為微生物載體及集流電極材料、導(dǎo)電性能好的鈦線作為導(dǎo)線，能夠降低反應(yīng)器內(nèi)阻，提高產(chǎn)電能力；陰陽極室連接結(jié)構(gòu)及質(zhì)子交換膜的布置設(shè)計，可以提高反應(yīng)器內(nèi)部電流通道，降低MFC內(nèi)阻，提高產(chǎn)電能力；三陽級結(jié)構(gòu)的布置設(shè)計，可以有效增加質(zhì)子和電子的傳輸通道，同時提高產(chǎn)電，使系統(tǒng)自身產(chǎn)生的弱電場刺激增強陰陽極微生物的生理活性，進一步提高脫氮效率。總之，本發(fā)明有效地解決了現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺陷，和以往微生物燃料電池相比，具有成本低、能高效脫氮、內(nèi)阻低、產(chǎn)電能力強，適合長期間歇運行等特點，同時其操作性和安全性也得到了進一步提高。該裝置適合處理高濃度有機廢水的降解和高濃度硝酸鹽廢水的脫氮。

附圖說明

圖1為本發(fā)明反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中的A向視圖；

圖3為圖1中的B向視圖；

圖4為a-a剖面圖；

圖5為三陽級串聯(lián)微生物燃料電池組等效電路圖；

圖6為MFC的啟動與穩(wěn)定運行圖；

圖7為三陽級共用單陰極型微生物燃料電池極化曲線與功率密度曲線圖。

圖中有：第一陽極室1a、第二陽極室1b、第三陽極室1c、陰極室2、陰陽極室連接結(jié)構(gòu)3、質(zhì)子交換膜4、石墨氈5、第一鈦導(dǎo)線6a、第二鈦導(dǎo)線6b、第三鈦導(dǎo)線6c、第一電阻7a、第二電阻7b、第三電阻7c、陽極進水口8、陽極出水口9、陰極進水口10、陰極出水口11、陽極排氣孔12、陰極排氣孔13、環(huán)氧橡膠墊14、密閉有機玻璃板15、固定螺絲螺母16、橡膠塞17、參比電極放置口18、陽極取樣口19。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。

本發(fā)明是一種三陽極共用陰極型微生物燃料電池，能夠去除有機物，并實現(xiàn)陰極脫氮。本裝置主要由三個陽極室、一個陰極室和陰陽極室連接結(jié)構(gòu)組成。

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。主要包括三個陽極室即第一陽極室1a、第二陽極室1b、第三陽極室1c、陰極室2、陰陽極室連接結(jié)構(gòu)3和三根鈦導(dǎo)線即第一鈦導(dǎo)線6a、第二鈦導(dǎo)線6b、第三鈦導(dǎo)線6c，及三個電阻即第一電阻7a、第二電阻7b、第三電阻7c；三個陽極室分布于陰極室2周邊，且在內(nèi)部分別通過陰陽極室連接結(jié)構(gòu)3與陰極室2連接，在外部分別通過鈦導(dǎo)線及電阻與陰極室2連接，構(gòu)成閉合電路。陽極室反應(yīng)產(chǎn)生的電子通過外部鈦導(dǎo)線與電阻傳遞到陰極室，陽極室反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)子通過陰陽極室連接結(jié)構(gòu)3與位于連接結(jié)構(gòu)中間的質(zhì)子交換膜4傳遞到陰極室，在陰極室內(nèi)實現(xiàn)生物脫氮。含有有機物的污水從陽極進水口8進入陽極室，含有硝酸鹽的廢水從陰極進水口10進入陰極室，陽極出水通過陽極出水口9排出，陰極出水通過陰極出水口11排出，陽極產(chǎn)氣通過陽極排氣孔12收集，陰極產(chǎn)氣通過陰極排氣孔13排放。

陰陽極室連接結(jié)構(gòu)3由兩塊穿孔有機玻璃板組成，兩塊陰陽極室連接結(jié)構(gòu)3間設(shè)有兩塊環(huán)氧橡膠墊14，兩塊環(huán)氧橡膠墊14間設(shè)有質(zhì)子交換膜4，用于實現(xiàn)陽極反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)子向陰極的流動；陰陽極室連接結(jié)構(gòu)3由螺絲螺母16固定，確保密閉；三個陽極室分別通過陰陽極室連接結(jié)構(gòu)3與陰極室2連接，且三個陽極室上部均由密閉有機玻璃板15及環(huán)氧橡膠墊14密封，密閉有機玻璃板15上開有橡膠塞孔17及參比電極放置口18，用于固定橡膠塞，橡膠塞分別用于鈦導(dǎo)線穿出及參比電極放置，取樣口19用于陽極水樣分析測試。

圖2為圖1中的A向視圖，將鈦導(dǎo)線彎曲成不同形狀，內(nèi)插在石墨氈5上，從而使得石墨氈5固定在鈦導(dǎo)線上，以保證石墨氈5與集流鈦導(dǎo)線電流傳導(dǎo)的暢通。圖3為圖1中的B向視圖，含有有機物的污水從陽極進水口8進入陽極室，陽極出水通過陽極出水口9排出。圖4為a-a剖面圖，陰陽極室連接結(jié)構(gòu)3由兩塊穿孔有機玻璃板組成，兩塊陰陽極室連接結(jié)構(gòu)3間設(shè)有兩塊環(huán)氧橡膠墊14。

含有一定濃度有機物的污水從陽極進水口進入陽極室，陽極室中石墨氈上附著著大量產(chǎn)電菌和非產(chǎn)電菌，可以將污水中大量含碳有機物代謝生成CO₂、質(zhì)子和電子，其中代謝產(chǎn)物通過陽極出水口流出，CO₂經(jīng)由陽極排氣孔排出，質(zhì)子通過陰陽極室連接結(jié)構(gòu)，穿過質(zhì)子交換膜進入陰極室，電子通過具有導(dǎo)電性的鈦導(dǎo)線及電阻，到達陰極室，形成外電流。含有一定濃度的硝酸鹽污水通過陰極進水口進入陰極室，陰極室中石墨氈上附著反硝化菌。在陰極室中，污水中硝酸鹽氮在附著于石墨氈上的反硝化菌作用下，通過質(zhì)子交換膜傳遞過來的質(zhì)子以及外電路傳遞的電子生成水和氮氣，完成脫氮過程，反應(yīng)產(chǎn)物由陰極出水口流出，氣體經(jīng)由陰極排氣孔排出。

將本發(fā)明反應(yīng)器進行試驗，設(shè)置反應(yīng)條件：固定外電阻值為1000Ω，等效連接電路如圖5所示，陽極進水COD濃度為600mg/L，陰極NaNO₃濃度約為112mg/L，陰陽兩極進水分別按照1L:1mL的比例加入如表1所示的微量營養(yǎng)元素。試驗完成時，陽極COD去除率達到87.20％，陰極硝酸鹽去除率為75.52％，陰極庫侖效率為99.5％，最大功率密度輸出為795.70mW.m^-3。說明本發(fā)明反應(yīng)器可在高效產(chǎn)電的同時，有效實現(xiàn)陽極有機物降解、陰極脫氮。

表1微量營養(yǎng)元素配方表

圖6為本發(fā)明反應(yīng)器在馴化過程中的電壓輸出圖，由圖6可見，三陽極共用單陰極型微生物燃料電池裝置是可行的，接種后MFC的電壓不斷上升，三個周期的穩(wěn)定產(chǎn)電時間逐漸縮短，以乙酸鈉為底物的MFC獲得了可重復(fù)的最大電壓輸出412±1mV。

圖7為本發(fā)明反應(yīng)器在試驗中的極化曲線，三陽級共用單陰極型微生物燃料電池的最大功率密度為338.35mW·m^-3(相對于陰極室凈體積)，最大功率密度在外電阻為405.06Ω處獲得。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護范圍內(nèi)。