专利名称：高效同步脱氮除碳微生物燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物燃料电池，尤其涉及一种高效同步脱氮除碳微生物燃料电池。
背景技术：
随着全球经济的快速增长，能源短缺和环境污染的压力急剧增大，对人类社会可持续发展构成了严重威胁。微生物燃料电池可利用微生物为催化剂将化学能直接转化为电能，是一种新的清洁能源生产技术，已成为当前能源和环境领域的研究热点。废水中含有许多污染物，蕴含大量化学能。利用MFCs技术来处理废水，不仅可以治污，而且可以回收电能，它是废水处理技术的重大创新。由于有机污染物是废水中的主要污染物，因此人们首先在利用MFCs处理有机废水方面开展了大量研究，并取得了重大进展。微生物燃料电池技术在废水处理领域展示了良好的应用前景，但将其实际应用到废水处理，还有不少问题亟待解决。首先，现有微生物燃料电池利用厌氧消化技术处理有机废水已取得了较好效果，但其脱氮效果还不甚理想，在氮素污染日益严重的今天，开发具有同步脱氮除碳功能的微生物燃料电池已大势所趋；其次，阴极成本较高，限制了其推广和应用，铁氰化物、高锰酸盐和重铬酸盐等阴极电子受体不可再生，需经常更换，以氧气为电子受体的阴极负载需Pt等贵金属催化剂，曝气耗能大；再次，阳极液易发生酸化，造成工艺失稳，由于分隔膜两侧离子通透性的差异，阳极液PH下降酸化，使阳极室微生物活性下降，电池输出功率降低，电池稳定性下降，为维持阳极液PH的稳定，目前多采用在阳极液中添加高浓度磷酸盐缓冲溶液，成本较高，也易造成二次污染。厌氧氨氧化是以氨为电子供体，亚硝酸盐为电子受体产生氮气的微生物反应。由于经济高效，厌氧氨氧化工艺已成为废水脱氮的重要技术。将厌氧氨氧化与厌氧消化技术联合，可实现同步脱氮除碳；亚硝氮既可以作为厌氧氨氧化的电子供体，也可作为微生物燃料电池的阴极电子供体，可有效降低微生物燃料电池的阴极成本；厌氧氨氧化是一个产碱反应，将其出水回流至阳极室，可有效缓解阳极液酸化问题，降低维护费用，提高其运行稳定性。针对现有微生物燃料电池技术的诸多缺陷，本发明利用高效同步脱氮除碳微生物燃料电池来处理有机废水和含氮废水，实现同步废水脱氮除碳和生物产电，显著降低废水处理费用；利用厌氧氨氧化反应物亚硝酸盐作为电子受体，可有效降低微生物燃料电池的运行成本；利用厌氧氨氧化出水调节阳极液PH，有效解决阳极液酸化问题，降低维护费用，提高微生物燃料电池的运行稳定性，增大其产电功率。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高效同步脱氮除碳微生物燃料电池。高效同步脱氮除碳微生物燃料电池包括厌氧消化污泥、进水管、阳极液、出水管、阳极、厌氧消化室、备用探头套管、法兰、分隔膜、导线、负载、厌氧氨氧化室、阴极、阴极液、回流管、厌氧氨氧化污泥；厌氧消化室下部侧壁设有进水管，厌氧消化室上部侧壁设有出水管，厌氧消化室内设有厌氧消化阳极，厌氧消化室内装有阳极液，阳极液中接种厌氧消化污泥，厌氧消化阳极上附着厌氧消化污泥，厌氧消化室顶部设有备用探头套管，厌氧氨氧化室下部侧壁设有进水管，厌氧氨氧化室上部侧壁设有出水管，厌氧氨氧化室内设有厌氧氨氧化阴极，厌氧氨氧化室内装有阴极液，阴极液中接种厌氧氨氧化污泥，厌氧氨氧化阴极上附着厌氧氨氧化污泥，厌氧氨氧化室顶部设有备用探头套管，厌氧消化室和厌氧氨氧化室通过法兰连接，法兰上固定有分隔膜，厌氧消化室和厌氧氨氧化室通过回流管连通，负载两端通过导线分别与厌氧消化阳极和厌氧氨氧化阴极相连。所述的厌氧消化室的体积和厌氧氨氧化室的体积之比为1:1，厌氧消化污泥的体积与厌氧消化室的体积之比为I/1(ΓI/4，厌氧氨氧化污泥的体积与厌氧氨氧化室的体积之比为1/10 1/4。所述的阳极液为有机废水，阴极液为含氨和亚硝酸盐废水。所述的厌氧消化阳极和厌氧氨氧化阴极的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板，厌氧消化阳极和厌氧氨氧化阴极之间的距离为flOcm，厌氧消化阳极的面积与厌氧消化室的体积之比为8 50 m2:1 m3，厌氧氨氧化阴极的面积与厌氧氨氧化室的体积之比为 8 50 m2:l m3
所述的分隔膜的材料为阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜、双极膜、微滤膜或超滤膜。本发明与现有技术相比具有的有益效果:(1)联合厌氧消化、厌氧氨氧化和微生物燃料电池技术，实现高效同步脱氮除碳产电，降低废水处理成本。(2)以厌氧氨氧化反应物亚硝酸盐氮为电子供体，以废治废，降低阴极成本。(3)利用厌氧氨氧化出水调节阳极液PH，有效解决阳极液酸化问题，降低维护费用，提高微生物燃料电池的运行稳定性，增大其产电功率。试验证明，据此 开发的高效同步脱氮除碳微生物燃料电池可实现高效脱氮除碳，运行性能稳定，产电功率高。
图1是高效同步脱氮除碳微生物燃料电池结构示意 图中:厌氧消化污泥1、进水管2、阳极液3、出水管4、阳极5、厌氧消化室6、备用探头套管7、法兰8、分隔膜9、导线10、负载11、厌氧氨氧化室12、阴极13、阴极液14、回流管15、厌氧氨氧化污泥16。
具体实施例方式如图1所示，高效同步脱氮除碳微生物燃料电池包括厌氧消化污泥1、进水管2、阳极液3、出水管4、阳极5、厌氧消化室6、备用探头套管7、法兰8、分隔膜9、导线10、负载11、厌氧氨氧化室12、阴极13、阴极液14、回流管15、厌氧氨氧化污泥16 ;厌氧消化室6下部侧壁设有进水管2，厌氧消化室6上部侧壁设有出水管4，厌氧消化室6内设有厌氧消化阳极5，厌氧消化室6内装有阳极液3，阳极液3中接种厌氧消化污泥1，厌氧消化阳极5上附着厌氧消化污泥1，厌氧消化室6顶部设有备用探头套管7，厌氧氨氧化室12下部侧壁设有进水管2，厌氧氨氧化室12上部侧壁设有出水管4，厌氧氨氧化室12内设有厌氧氨氧化阴极13,厌氧氨氧化室12内装有阴极液14，阴极液14中接种厌氧氨氧化污泥16，厌氧氨氧化阴极13上附着厌氧氨氧化污泥16，厌氧氨氧化室12顶部设有备用探头套管7，厌氧消化室6和厌氧氨氧化室12通过法兰8连接,法兰8上固定有分隔膜9，厌氧消化室6和厌氧氨氧化室12通过回流管15连通，负载11两端通过导线10分别与厌氧消化阳极5和厌氧氨氧化阴极13相连。所述的厌氧消化室6的体积和厌氧氨氧化室12的体积之比为1:1，厌氧消化污泥I的体积与厌氧消化室6的体积之比为1/1(Γ /4，厌氧氨氧化污泥16的体积与厌氧氨氧化室12的体积之比为1/1(Γ /4。所述的阳极液3为有机废水，阴极液14为含氨和亚硝酸盐废水。所述的厌氧消化阳极5和厌氧氨氧化阴极13的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板，厌氧消化阳极5和厌氧氨氧化阴极13之间的距离为2 10cm，厌氧消化阳极5的面积与厌氧消化室6的体积之比为8 50 m2:l m3，厌氧氨氧化阴极13的面积与厌氧氨氧化室12的体积之比为8 50 m2:l m3
所述的分隔膜9的材料为阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜、双极膜、微滤膜或超滤膜。厌氧消化污泥接种至厌氧消化室内，有机废水引入厌氧消化室作为燃料，有机物经异养菌分解释放电子，完成除碳过程，厌氧氨氧化室接种厌氧氨氧化污泥，含氮废水引入厌氧氨氧化室，亚硝酸盐氮作为电子供体，氨氮和亚硝氮经厌氧氨氧化菌转化为氮气，完成脱氮过程，阳极液中有机物分解释放的电子由厌氧消化阳极接收，厌氧消化阳极接受的电子经连接导线和负载传递 到厌氧氨氧化阴极，电子用于阴极液中的亚硝氮还原，实现产电，厌氧氨氧化室含碱出水回流至厌氧消化室，缓解阳极液酸化问题，使微生物燃料电池稳定运行。
权利要求
1.一种高效同步脱氮除碳微生物燃料电池，其特征在于它包括厌氧消化污泥(I)、进水管(2)、阳极液(3)、出水管(4)、阳极(5)、厌氧消化室(6)、备用探头套管(7)、法兰(8)、分隔膜(9)、导线(10)、负载(11)、厌氧氨氧化室(12)、阴极(13)、阴极液(14)、回流管(15)、厌氧氨氧化污泥(16);厌氧消化室(6)下部侧壁设有进水管(2)，厌氧消化室(6)上部侧壁设有出水管(4)，厌氧消化室(6)内设有厌氧消化阳极(5)，厌氧消化室(6)内装有阳极液(3)，阳极液(3)中接种厌氧消化污泥(1)，厌氧消化阳极(5)上附着厌氧消化污泥(1)，厌氧消化室(6)顶部设有备用探头套管(7)，厌氧氨氧化室(12)下部侧壁设有进水管(2)，厌氧氨氧化室(12)上部侧壁设有出水管(4)，厌氧氨氧化室(12)内设有厌氧氨氧化阴极(13),厌氧氨氧化室(12)内装有阴极液(14)，阴极液(14)中接种厌氧氨氧化污泥(16)，厌氧氨氧化阴极(13)上附着厌氧氨氧化污泥(16)，厌氧氨氧化室(12)顶部设有备用探头套管(7)，厌氧消化室(6)和厌氧氨氧化室(12)通过法兰(8)连接，法兰(8)上固定有分隔膜(9)，厌氧消化室(6)和厌氧氨氧化室(12)通过回流管(15)连通，负载(11)两端通过导线(10)分别与厌氧消化阳极(5)和厌氧氨氧化阴极(13)相连。
2.根据权利要求1所述的一种高效同步脱氮除碳微生物燃料电池，其特征在于所述的厌氧消化室(6)的体积和厌氧氨氧化室(12)的体积之比为1:1,厌氧消化污泥(I)的体积与厌氧消化室(6)的体积之比为l/l0~1/4，厌氧氨氧化污泥(16)的体积与厌氧氨氧化室(12)的体积之比为1/10~1/4。
3.根据权利要求1所述的一种高效同步脱氮除碳微生物燃料电池，其特征在于所述的阳极液(3)为有机废水，阴极液(14)为含氨和亚硝酸盐废水。
4.根据权利要求1所述的一种高效同步脱氮除碳微生物燃料电池，其特征在于所述的厌氧消化阳极(5)和厌氧氨氧化阴极(13)的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板，厌氧消化阳极(5)和厌氧氨氧化阴极(13)之间的距离为flOcm，厌氧消化阳极(5)的面积与厌氧消化室(6)的体积之比为8 50 m2:l m3，厌氧氨氧化阴极(13)的面积与厌氧氨氧化室(12)的体积之比为8 50 m2:1 m3。
5.根据权利要求1所述的一种高效同步脱氮除碳微生物燃料电池，其特征在于所述的分隔膜(9)的材料为阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜、双极膜、微滤膜或超滤膜。
全文摘要
本发明公开了一种高效同步脱氮除碳微生物燃料电池。它主要由厌氧消化室和厌氧氨氧化室组成，通过在厌氧消化室接种厌氧消化污泥，以有机废水为燃料，有机物经异养菌分解释放电子，厌氧氨氧化室接种厌氧氨氧化污泥，以含氮废水为阴极液，亚硝酸氮作为电子受体，氨氮和亚硝氮由厌氧氨氧化菌转化为氮气，实现同步脱氮除碳，同时厌氧消化阳极接收的电子由外电路传递到厌氧氨氧化阴极，实现产电。本发明可同时处理有机废水和含氮废水，实现高效同步脱氮除碳产电，利用亚硝酸盐氮为电子受体，降低微生物燃料电池的运行成本，厌氧氨氧化室含碱出水回流至厌氧消化室，缓解阳极液酸化问题，提高运行稳定性。
文档编号H01M4/90GK103094597SQ20131002901
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月25日 优先权日2013年1月25日
发明者郑平, 张吉强, 厉魏, 张萌 申请人:浙江大学