除硫脱氮微生物燃料电池的制作方法

本实用新型涉及废水处理装置，具体涉及一种除硫脱氮微生物燃料电池。

背景技术：

近年来，厌氧生物处理技术因节约能源、污泥量少，以及资源回收利用率高而迅速发展，但厌氧出水中往往有高浓度的硫化物和氨氮的存在，需进一步脱氮除硫。微生物燃料电池在废水脱氮或废水除硫的同时可回收电能，是处理含硫化物和氨氮的废水的有效方法。微生物燃料电池对废水中硫化物的去除一般是利用电化学作用或微生物作用将硫化物氧化成单质硫或者硫酸盐；而对于氨氮，首先要将氨氮在好氧状态下氧化成硝酸盐，然后在缺氧状态下通过反硝化作用将硝酸盐还原为氮气。

现有的除硫和脱氮微生物燃料电池一般包括三种：一是在阳极室厌氧环境下通过自发电化学和微生物作用将硫化物转化成硫单质或硫酸盐，这种微生物燃料电池只能去除废水中的硫污染；二是在阳极室中去除硫污染的同时设置缺氧阴极，以硝酸盐作为电子受体同步反硝化脱氮，但对于含硫化物和氨氮的废水仍需另外的设备完成硝化阶段；三是在阳极室中去除硫污染的同时设置好氧阴极，利用好氧阴极的曝气系统将废水中的氨氮氧化成硝酸盐，但该微生物燃料电池仍需另外的设备完成后续缺氧处理反硝化脱氮。现有的除硫和脱氮微生物燃料电池无法在一个设备内完成含硫化物和氨氮废水的除硫脱氮。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种除硫脱氮微生物燃料电池，该燃料电池能够在同一个反应器内完成含硫化物和氨氮废水的除硫脱氮处理。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种除硫脱氮微生物燃料电池，包括依次设置的缺氧阴极室、阳极室和好氧阴极室；在缺氧阴极室、阳极室之间设有质子交换膜，在阳极室、好氧阴极室之间设有质子交换膜，氢离子通过质子交换膜从阳极室转移到两侧阴极室；所述缺氧阴极室、阳极室和好氧阴极室上分别设有进水管和出水管，且缺氧阴极室的进水管与好氧阴极室的出水管连接，好氧阴极室的进水管与阳极室的出水管连接，阳极室的进水管与污水池连接；

所述缺氧阴极室、阳极室和好氧阴极室分别包括由钛丝和碳纤维丝组成的碳纤维刷，缺氧阴极室的钛丝通过第一外电路与阳极室的钛丝连接，阳极室的钛丝通过第二外电路与好氧阴极室的钛丝连接；

在缺氧阴极室、阳极室的顶部设有氮气供气管，以保持反应室内的厌氧和缺氧环境；在好氧阴极室的顶端设有空气进气管，空气进气管的一端与鼓风机连接，空气进气管的另一端与好氧阴极室底部的曝气头连接。

含氨氮和硫化物的废水首先进入阳极室，在自发电化学作用和微生物代谢作用下硫化物被氧化成硫单质而附着于碳纤维丝上，同时产生的电子通过钛丝传递到外电路，最终传递到好氧阴极和缺氧阴极，阳极室的出水即为去除硫污染后只含氨氮的废水。阳极室的出水进入好氧阴极室，好氧阴极室内有曝气头供氧，以溶解氧作为阴极电子受体的同时将阳极出水完成硝化过程。好氧阴极室的出水进入缺氧阴极室，在微生物代谢作用下进行反硝化脱氮。缺氧阴极室出水即为除硫脱氮后的处理水。

更进一步的方案是，在缺氧阴极室、阳极室和好氧阴极室的顶部设有橡胶塞。

更进一步的方案是，在缺氧阴极室、阳极室的底部分别设置有磁力搅拌子，该磁力搅拌子在磁力搅拌器控制下对反应液进行搅拌，使反应更充分。

更进一步的方案是，所述第一外电路、第二外电路分别包括电阻箱或用电设备。

更进一步的方案是，第二外电路的电阻值大于第一外电路的电阻值，能够平衡阳极电极向两侧阴极传递电子速率，在好氧阴极硝化作用的同时不对缺氧阴极反硝化造成抑制作用。

更进一步的方案是，三个反应室的进水管均位于下部，三个反应室的出水管均位于上部。

更进一步的方案是，缺氧阴极室、阳极室均通过氮气供气管与氮气收集袋相连，出水时氮气通过氮气供气管进入缺氧阴极室、阳极室，进水时水压将氮气压入氮气收集袋，既保持了缺氧阴极室、阳极室所需要的厌氧和缺氧的环境，又可以起到维持缺氧阴极室、阳极室内气压平衡的作用。

本实用新型的优点在于：

采用碳纤维丝有利于微生物和产生的单质硫附着于碳纤维刷上，且有利于单质硫的回收；

将阳极室位于中间，好氧阴极室与缺氧阴极室位于其两侧，均以质子交换膜相隔，能够使两个阴极室共用同一个阳极室，含硫化物和氨氮的废水在阳极室内通过自发电化学作用和微生物作用下将硫化物转化成硫单质达到除硫的目的，在好氧阴极室内曝气充氧下将氨氮转化成硝酸盐，在缺氧阴极室内将硝酸盐反硝化转化成氮气，同时实现除硫、硝化和反硝化过程；

好氧阴极与缺氧阴极同时接受阳极传递的电子，分别达到硝化和反硝化效果，能在同一个反应器内同步完成含硫化物和氨氮废水的除硫脱氮处理；

在阳极室与缺氧阴极室底部均采用磁力搅拌子对反应液进行搅拌，既能保持其厌氧和缺氧环境，又使微生物与废水充分接触，避免了反应室内死角的出现。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型除硫脱氮微生物燃料电池的正视结构示意图；

图2是本实用新型除硫脱氮微生物燃料电池的侧视结构示意图；

图3是本实用新型除硫脱氮微生物燃料电池的俯视结构示意图；

其中：1、钛丝；2、碳纤维丝；3、氮气供气管；4、出水管；5、进水管；6、质子交换膜；7、磁力搅拌子；8、橡胶塞；9、空气供气管；10-1、第一外电路；10-2、第二外电路；11、阳极室；12、好氧阴极室；13、缺氧阴极室；14、曝气头。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1-图3所示，一种除硫脱氮微生物燃料电池，包括依次设置的缺氧阴极室13、阳极室11和好氧阴极室12；在缺氧阴极室13、阳极室11之间设有质子交换膜6，在阳极室11、好氧阴极室12之间设有质子交换膜6，氢离子通过质子交换膜6从阳极室11转移到两侧阴极室；缺氧阴极室13、阳极室11和好氧阴极室12的下部分别设有进水管5，缺氧阴极室13、阳极室11和好氧阴极室12的上部分别设有出水管4，缺氧阴极室13的进水管5与好氧阴极室12的出水管4连接，好氧阴极室12的进水管5与阳极室11的出水管4连接，阳极室11的进水管5与污水池连接；

缺氧阴极室13、阳极室11和好氧阴极室12分别包括由钛丝1和碳纤维丝2组成的碳纤维刷，缺氧阴极室13的钛丝1穿过橡胶塞8与第一外电路10-1的一端连接，阳极室11的钛丝1穿过橡胶塞8与第一外电路10-1的另一端连接；阳极室11的钛丝1穿过橡胶塞8与第二外电路10-2的一端连接，好氧阴极室的钛丝穿过橡胶塞8与第二外电路的另一端连接；第一外电路10-1、第二外电路10-2分别包括电阻箱，且第二外电路10-2的电阻值大于第一外电路10-1的电阻值，能够平衡阳极电极向两侧阴极传递电子速率，在好氧阴极硝化作用的同时不对缺氧阴极反硝化造成抑制作用；

在缺氧阴极室13、阳极室11的顶部与氮气供气管3连接，该氮气供气管3与氮气收集袋相连，出水时氮气通过氮气供气管3进入缺氧阴极室13、阳极室11，进水时水压将氮气压入氮气收集袋，既保持了缺氧阴极室13、阳极室11所需要的厌氧和缺氧的环境，又可以起到维持缺氧阴极室13、阳极室11内气压平衡的作用；在缺氧阴极室13、阳极室11的底部分别设置有对反应液进行搅拌的磁力搅拌子7，磁力搅拌子7由磁力搅拌器控制，使反应更充分；在好氧阴极室12的顶端设有空气进气管9，空气进气管9的一端与鼓风机连接，空气进气管9的另一端与好氧阴极室12底部的曝气头14连接。

含氨氮和硫化物的废水首先进入阳极室11，开启磁力搅拌器和鼓风机，磁力搅拌子7在磁力搅拌器的作用下在阳极室11内转动，废水中的硫化物作为电子供体，在自发电化学作用和微生物代谢作用下硫化物被氧化成硫单质而附着于碳纤维丝2上，电子由钛丝1连接的外电路传递到好氧阴极室12和缺氧阴极室13，质子则通过质子交换膜6移动到好氧阴极室12和缺氧阴极室13，阳极室11的出水即为去除硫污染后只含氨氮的废水。阳极室11的出水进入好氧阴极室12，好氧阴极室12内有曝气头14供氧，在好氧阴极室12内的曝气头14不断释放出氧气，作为电子受体与质子及电子结合生成水，同时将氨氮氧化成硝酸盐。好氧阴极室12的出水进入缺氧阴极室13，废水中的硝酸盐利用阳极传递来的电子以及经过质子交换膜6传递来的氢离子进行反硝化作用，从而达到脱氮的目的。缺氧阴极室13的出水即为除硫脱氮后的处理水。

本实例采用间歇式进水方式，含硫化物和氨氮的废水首先进入阳极室11内，开启磁力搅拌器和鼓风机，运行12h后，阳极室11的出水进入好氧阴极室12，运行12h后，好氧阴极室12的出水进入缺氧阴极室13，缺氧阴极室13的出水即为经过除硫脱氮后的处理水。三室内均采用碳纤维丝刷作为电极材料，其中碳纤维刷直径为5cm，中间的钛丝1直径为1.5mm。阳极电极与好氧阴极之间的第二外电路由铜导线和电阻箱组成，微生物燃料电池的阳极、电阻箱和好氧阴极通过铜导线依次连接，电阻箱中的电阻值设置为1000Ω；阳极电极与缺氧阴极之间所采用的第一外电路由铜导线和电阻箱组成，微生物燃料电池的阳极、电阻箱和缺氧阴极通过铜导线依次连接，电阻箱中的电阻值设置为10Ω。

缺氧阴极室13、阳极室11和好氧阴极室12可采用有机玻璃构建。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。