一種以導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器為陰極的微生物燃料電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水處理領(lǐng)域，具體涉及一種以導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器為陰極的微生物燃料電池。
技術(shù)背景
[0002]隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量含氮有機(jī)物的污水排放到水體中，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，水體質(zhì)量急劇惡化。氮元素污染的日益嚴(yán)重，使得污水脫氮問(wèn)題亟待解決。然而傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)普遍存在工藝流程長(zhǎng)，占地面積大，運(yùn)行成本高等缺點(diǎn)。因此，開(kāi)發(fā)一種新型的高效脫氮技術(shù)成為水處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)。
[0003]膜曝氣生物膜反應(yīng)器(MABR)是氣體分離膜技術(shù)與生物膜法污水處理技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的一種新型污水處理工藝。該工藝采用中空纖維曝氣膜作為微生物膜附著載體并為生物膜無(wú)泡曝氣，不僅可以提高氧利用率，而且中空纖維曝氣膜上的生物膜與污水充分接觸，進(jìn)而高效降解水中污染物。由于MABR特殊的膜曝氣方式，底物雙向傳遞機(jī)理和生物分層結(jié)構(gòu)，使生活環(huán)境差異大的微生物能夠在MABR中共存，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)硝化與反硝化，對(duì)高氨氮廢水處理具有明顯優(yōu)勢(shì)。但MABR存在對(duì)總氮去除率不高的問(wèn)題，反硝化過(guò)程不易控制，并且在缺少有機(jī)碳源時(shí)，反硝化過(guò)程會(huì)受到抑制，使得脫氮效果不佳。
[0004]微生物燃料電池(MFC)是一種利用微生物將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。在厭氧環(huán)境下的陽(yáng)極室中，有機(jī)物在微生物作用下被降解，產(chǎn)生的電子通過(guò)外電路傳遞給陰極，質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜傳遞到陰極，在陰極微生物的作用下跟電子受體結(jié)合，完成有機(jī)物的降解和產(chǎn)電過(guò)程。研宄表明，MFC的生物陰極可以利用硝酸根離子作為電子受體并將其還原為N2，而且在進(jìn)行反硝化過(guò)程不需有機(jī)碳源，這為生物脫氮開(kāi)辟了新的路徑。但是其脫氮效果還不甚理想，所以為提高M(jìn)FC脫氮效果，則需對(duì)其陰極進(jìn)行改良以提高脫氮效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有低碳氮比廢水生物脫氮技術(shù)管理復(fù)雜、運(yùn)行費(fèi)用高的不足，提供一種能高效低耗處理高氨氮廢水的以導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器為陰極的微生物燃料電池。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案概述如下:
[0007]一種以導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器為陰極的微生物燃料電池，包括反應(yīng)器，在反應(yīng)器的中部設(shè)置有分隔膜5使反應(yīng)器分隔成陽(yáng)極室I和陰極室3，在陽(yáng)極室內(nèi)部設(shè)置有陽(yáng)極2，在陰極室內(nèi)部設(shè)置有陰極4，外電路6的兩端分別連接陽(yáng)極和陰極，在陽(yáng)極室和陰極室室壁下部分別設(shè)置有進(jìn)水口 7和9，在陽(yáng)極室和陰極室室壁上部分別設(shè)置有出水口 8和10，所述陰極為導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器，所述導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器通過(guò)管道依次與氣流流量計(jì)11和氣泵12連接。
[0008]所述分隔膜為質(zhì)子交換膜、陽(yáng)離子交換膜、微濾膜或超濾膜。
[0009]所述陽(yáng)極為碳?xì)?、碳布或碳刷等大比表面積導(dǎo)電材料。
[0010]導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器的曝氣膜組件為具有無(wú)泡供氧和導(dǎo)電功能的中空纖維膜組件或管式膜組件。
[0011]外電路包括電阻和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，陽(yáng)極和陰極分別通過(guò)導(dǎo)線與電阻兩端相連，電阻與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并聯(lián)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集電壓。
[0012]氣泵連續(xù)工作，為導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器提供無(wú)泡曝氣，并可通過(guò)氣流流量計(jì)調(diào)節(jié)供氧量。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0014]1.本發(fā)明不僅利用微生物產(chǎn)生的電能，而且促進(jìn)導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器中反硝化進(jìn)程，使氮的去除效果明顯提高。
[0015]2.本發(fā)明采用中空纖維膜或管式膜作為微生物附著的載體，因其比表面積大，使得掛膜速度快，有利于生物膜的形成。
[0016]3.通過(guò)將導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器和微生物燃料電池兩種技術(shù)的結(jié)合，解決現(xiàn)有膜生物反應(yīng)器總氮去除效果差，工藝流程復(fù)雜，運(yùn)行成本高等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高效去除高氨氮廢水，提高廢水的處理效果，工藝流程簡(jiǎn)單，運(yùn)行管理方便，出水水質(zhì)好。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明的一種以導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器為陰極的微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明的一種以導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器為陰極的微生物燃料電池使用示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明:
[0020]實(shí)施例1:一種以導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器為陰極的微生物燃料電池，包括反應(yīng)器，在反應(yīng)器的中部設(shè)置有分隔膜5使反應(yīng)器分隔成陽(yáng)極室I和陰極室3，在陽(yáng)極室內(nèi)部設(shè)置有陽(yáng)極2，在陰極室內(nèi)部設(shè)置有陰極4，外電路6的兩端分別連接陽(yáng)極和陰極，在陽(yáng)極室和陰極室室壁下部分別設(shè)置有進(jìn)水口 7和9，在陽(yáng)極室和陰極室室壁上部分別設(shè)置有出水口 8和10，所述陰極為導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器，所述導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器通過(guò)管道依次與氣流流量計(jì)11和氣泵12連接。(見(jiàn)圖1)
[0021]本實(shí)施例的分隔膜選用質(zhì)子交換膜；陽(yáng)極選碳?xì)?；?dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器的曝氣膜組件為具有無(wú)泡供氧和導(dǎo)電功能的中空纖維膜組件。
[0022]實(shí)驗(yàn)運(yùn)試結(jié)果表明:當(dāng)進(jìn)水COD為800mg/L，C/N比為3:1時(shí)，本實(shí)施例的燃料電池對(duì)COD的去除率達(dá)95%以上，總氮的去除率達(dá)85%以上，最大功率密度為0.651W/m3。
[0023]實(shí)驗(yàn)證明:用陽(yáng)離子交換膜、微濾膜或超濾膜替代本實(shí)施例的質(zhì)子交換膜，其它同本實(shí)施例，其對(duì)COD的去除率均達(dá)95%以上，總氮的去除率均達(dá)85%以上。
[0024]實(shí)驗(yàn)證明:用碳布或碳刷等大比表面積導(dǎo)電材料替代本實(shí)施例的碳?xì)?，其它同本?shí)施例，其對(duì)COD的去除率均達(dá)95%以上，總氮的去除率均達(dá)85%以上。
[0025]實(shí)驗(yàn)證明:用具有無(wú)泡供氧和導(dǎo)電功能的管式膜組件替代本實(shí)施例的中空纖維膜組件，其它同本實(shí)施例，其對(duì)COD的去除率達(dá)95%以上，總氮的去除率達(dá)85%以上。
[0026]本發(fā)明工作過(guò)程:
[0027]污水在進(jìn)水泵的作用下從陰極室3室壁下部進(jìn)水口 9進(jìn)入到陰極室，陽(yáng)極室內(nèi)污水也從室壁下部進(jìn)水口 7進(jìn)入到陽(yáng)極室I。在陽(yáng)極室I中，有機(jī)物在微生物的作用下降解并釋放電子和質(zhì)子，產(chǎn)生的電子經(jīng)由外電路6傳遞到陰極4，而質(zhì)子通過(guò)分隔膜5傳遞到陰極。由于導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器特殊的氧氣與底物雙向傳遞機(jī)理和生物分層結(jié)構(gòu)，在膜/生物膜界面附近的高氧濃度促使了硝化反應(yīng)的發(fā)生，此層為好氧層，而在生物膜/液體界面附近存在的厭氧層卻進(jìn)行著反硝化反應(yīng)。污水中的氨氮首先進(jìn)行硝化反應(yīng)被氧化成硝態(tài)氮，而硝態(tài)氮可以作為微生物燃料電池陰極的電子受體，到達(dá)陰極的電子和質(zhì)子在陰極微生物的作用下跟電子受體結(jié)合，完成有機(jī)物的降解和產(chǎn)電的過(guò)程，進(jìn)而促進(jìn)導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器的反硝化過(guò)程，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。在此過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)記錄產(chǎn)生的電壓。氣泵12為陰極提供無(wú)泡曝氣，并可通過(guò)氣流流量計(jì)11調(diào)節(jié)供氧量。
[0028]以上描述是對(duì)本發(fā)明的解釋，不是對(duì)發(fā)明的限定，在不脫離本發(fā)明原理的情況下，本發(fā)明做任何形式的修改都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種以導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器為陰極的微生物燃料電池，包括反應(yīng)器，在反應(yīng)器的中部設(shè)置有分隔膜(5)使反應(yīng)器分隔成陽(yáng)極室(I)和陰極室(3)，在陽(yáng)極室內(nèi)部設(shè)置有陽(yáng)極(2)，在陰極室內(nèi)部設(shè)置有陰極(4)，外電路(6)的兩端分別連接陽(yáng)極和陰極，在陽(yáng)極室和陰極室室壁下部分別設(shè)置有進(jìn)水口(7)和(9)，在陽(yáng)極室和陰極室室壁上部分別設(shè)置有出水口(8)和(10)，其特征是所述陰極為導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器，所述導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器通過(guò)管道依次與氣流流量計(jì)(11)和氣泵(12)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器為陰極的微生物燃料電池，其特征是所述分隔膜為質(zhì)子交換膜、陽(yáng)離子交換膜、微濾膜或超濾膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器為陰極的微生物燃料電池，其特征是所述陽(yáng)極為碳?xì)?、碳布或碳刷?br>4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器為陰極的微生物燃料電池，其特征是導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器的曝氣膜組件為具有無(wú)泡供氧和導(dǎo)電功能的中空纖維膜組件或管式膜組件。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種以導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器為陰極的微生物燃料電池，包括反應(yīng)器，在反應(yīng)器的中部設(shè)置有分隔膜5使反應(yīng)器分隔成陽(yáng)極室1和陰極室3，在陽(yáng)極室內(nèi)部設(shè)置有陽(yáng)極2，在陰極室內(nèi)部設(shè)置有陰極4，外電路6的兩端分別連接陽(yáng)極和陰極，在陽(yáng)極室和陰極室室壁下部分別設(shè)置有進(jìn)水口7和9，在陽(yáng)極室和陰極室室壁上部分別設(shè)置有出水口8和10，所述陰極為導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器，所述導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器通過(guò)管道依次與氣流流量計(jì)11和氣泵12連接。本發(fā)明不僅利用微生物產(chǎn)生的電能，而且促進(jìn)導(dǎo)電膜曝氣生物膜反應(yīng)器中反硝化進(jìn)程，使氮的去除效果明顯提高。采用中空纖維膜或管式膜作為微生物附著載體，因其比表面積大，使得掛膜速度快，有利于生物膜的形成。
【IPC分類】H01M4-86, H01M8-06, H01M8-16
【公開(kāi)號(hào)】CN104538659
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410828240
【發(fā)明人】吳云, 曾慶楠, 張宏偉, 劉明興
【申請(qǐng)人】吳云, 曾慶楠
【公開(kāi)日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2014年12月26日