一种微生物燃料电池及其用于处理废水的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于废水可持续生物处理技术领域，特别设及一种微生物燃料电池及其处 理废水的方法。 技术背景
[0002] 能源环境危机蔓延，正在成为制约21世纪人类发展的主要瓶颈。而我国经济快速 发展的同时每年产生大量废水，污染环境且危害居民健康。废水中污染物通常经传统生物 厌氧、好氧曝气-物化处理后排放，但上述过程中污染物去除不仅耗能大，而且产生大量的 污泥，造成处理成本高，更重要的是污染物中蕴含的大量化学能被白白浪费。因而，亟待开 发一种效率高、成本低、资源化的可持续污水处理技术。新兴的微生物燃料电池（Microbial 化el cells,MFCs)是一种利用电化学活性的微生物催化氧化有机物，将其中的化学能转变 为电能的装置，因其能同时处理废水和产生电能，抵消部分水处理成本而越来越受到人们 关注。研究报道称，MFC能使活性污泥法中曝气能耗减半，污泥产量减少50~90%，其对有 机污染物有很好的去除（COD去除率80~99% )，氮憐也有一定的去除，为微生物燃料电池 展示了良好的应用前景。
[0003] 虽然MFCs技术兼有污染物去除与能源回收等优点，但也存在一些问题：1)双室体 系需要外加隔膜，易造成膜两侧抑梯度，减弱微生物代谢活性，而且其价格昂贵，增加成本 (质子交换膜约4000~12000元人民币/m2) ;2)无隔膜MFCs体系内，阴极需W高昂的贵重 金属作为催化剂巧％的销碳售价为118980元人民币Ag) ;3)铁氯化钟、高儘酸钟或重铭 酸钟等化学氧化剂作为电子受体，存在污染和再生问题，不利于实际应用；氧气作为电子受 体，具有来源广、廉价易得和产物为水无污染等优点，但是氧气在水中的溶解度有限，溶氧 利用效率低，造成大量曝气能耗。专利号201020139304. 3公开了一种厌氧氨氧化微生物燃 料电池，W厌氧氨氧化菌接种启动微生物燃料电池脱氮，虽然不需要曝气，但是需要外加硝 化产物亚硝酸盐为电子受体，而且厌氧氨氧化菌存在生长缓慢、易受溫度影响及来水要求 苛刻等缺点。专利号201010166534. 3公开了一种旋转生物阴极微生物燃料电池及其污水 处理方法，但是该旋转的生物阴极不仅需要动能驱动，而且电极的转动极易夹带氧传递至 底部阳极从而降低其产电性能。专利号201310745120. X公开了一种微生物燃料电池空气 阴极片的制备方法，但是扩散层和催化层的制备程序相对繁琐，限制了其实际应用。
【发明内容】
[0004] 本发明目的是提供一种微生物燃料电池，W及将其用于处理废水的方法。 阳〇化]本发明设及一种基于毛细作用的微生物燃料电池，其特征在于，所述电池包括主 反应区1、生物选择调节区2、溢流出水槽3、穿孔布水管4、生物阳极5、空气阴极6、电极支 架6曰、电极卡槽化、阴阳极电极插孔密封圈7、参比电极8、PH及DO电极插孔9-1和II、外 电阻10、进水管11、监测口 12、排空管13和14、出水管15 ;主反应区1为敞开式柱状或立 方体结构，电极插孔9-1和II设置在主反应区1上；空气阴极置于主反应区上层、生物阳极 置于主反应区下层，同时生物阴极的部分暴露至空气中，所述暴露于空气中的阴极面积占 整个阴极面积的25~90% ;其它附属仪器设备有进水池16、蠕动累17、数据采集卡18、数 据处理与显示系统19、W及出水池20,生物阴极、生物阳极通过导线分别从电极插孔9-1和 II密封引出，并外接电阻后连入数据采集系统18和数据处理与显示系统19。
[0006] 所述微生物燃料电池主体材质可W由有机玻璃、塑料、玻璃、钢结构或混凝±等制 成。
[0007] 所述阳极采用碳拉、碳棒、石墨板、碳刷或活性炭颗粒等导电材料制成。
[0008] 所述阴极采用具有毛细作用的导电或导电修饰的材料，包括但不限于碳拉、石墨、 碳布、碳纤维等材料，优选碳拉或石墨。
[0009] 所述用于固定阴阳电极的电极支架和电极卡槽材质可W由非导电性材料组成，如 工程塑料ABS、PTFE支架等，或经防腐绝缘处理的不诱钢、铁架。
[0010] 所述阴阳极采用支架、电极卡槽固定组成，可W是一对电极，或多对电极模块化置 于反应器当中。
[0011] 进一步地，本发明提供一种利用上述微生物燃料电池处理废水的方法，其特征在 于，所述方法包括如下步骤：
[0012] 步骤一、启动微生物燃料电池：将含氮有机废水缓慢注入微生物燃料电池的前端 生物选择调节区2内，通过生物作用对进水进行预调节，随后折流进入主反应区1 ;接种来 自城市污水处理厂二沉池的活性污泥于主反应区1中，接种比例为按重量计5%~10% ; 最后，连接置于主反应区内PH及DO电极插孔9-1和II，同时将阴、阳两电极用导线分别 与外电阻、数据处理与显示系统连接；所述含氮有机废水中氮氨NH/-N含量为20mg/L~ lOOOmg/L，C/N比为0. 5:1~10:1 ( W化学需氧量COD和氨氮比值计算）；在反应溫度为 20. 0~35. (TC、外接电阻为1000 Q的条件下进行启动运行；当电池电压低于IOmV时，更换 反应器内的废水，待负载电压输出出现较小波动、且持续稳定出现较高输出电压过程，即完 成该型微生物燃料电池启动；
[0013] 步骤二、微生物燃料电池连续运行：利用蠕动累将含氮有机废水由底部连续累入 上述已启动微生物燃料电池生物选择区后，经折流进入主反应区内，通过生物选择区调节 后，由主反应区内阴、阳电极上驯化培养的活性微生物对污染物进行处理，实现同时脱氮产 电，最后出水由上部溢流至出水槽外排；所述过程中通过调节蠕动累转速来变化进水流速 (Qm)，实现装置的水力停留时间化RT)控制，进一步调整进水的有机负荷（OLR)和氨氮负荷 (化时变化。记录电池的电压，采集频率为每2分钟一个点，每天采样测定化学需氧量COD、 氨氮和总氮，对处理过程进行实时调控。
[0014] 步骤一中的预调节包括均质、溶解氧值0)和抑值等。
[0015] 优选地、所述含氮有机废水氨氮含量可W在200mg/L~500mg/L之间；C/N比为 3:1~8:1 ( W化学需氧量COD和氨氮比值计算）。
[0016] 所述方法中，微生物燃料电池处理含氮有机废水的主反应区内，废水溶解氧DO值 均小于等于1. Omg/L。
[0017] 所述方法中，处理含氮有机废水的抑值在6~9。
[0018] 所述方法中，微生物燃料电池处理对象可W是含乙酸钢、葡萄糖等废水，也可W是 市政污水、城市垃圾填埋渗滤液、源分离尿液、污泥消化脱水液等废水。
[0019] 上述方法中，具体过程是由蠕动累17将进水池16内废水先累至微生物燃料电池 内反应处理，而后出水溢流至出水池20中；空气阴极5和生物阳极6分别由导线与数据采 集卡18连接，将处理过程数据存置于19中。
[0020] 本发明所设及的采用上述微生物燃料电池处理废水的原理是利用毛细作用使暴 露于空气中的阴极表面浸润，促进氧气在阴极的传质从而增强还原作用，避免了阴极曝气 能耗；此外，部分暴露于空气的阴极存在一定的氧扩散梯度，在外层的氧含量相对较高有利 于硝化作用，其产生的硝酸盐和亚硝酸盐也可W作为电子受体，在阴极内层氧浓度较低，易 在生物膜的催化下将上述氧化型氮还原为氮气（反硝化作用），从而完成有机物和氮素污 染物的同时除去并伴随电能的产生。整个生物电化学过程如下：阳极附着的电化学活性微 生物通过新陈代谢氧化废水中有机物获得电子、并生成质子，所获得的电子从微生物转移 到阳极，然后电子通过外电路到达阴极，同时生成的质子经过水溶液迁移到阴极；阴极的毛 细作用不仅促进了氧在电极表面的还原作用，而且形成的一定的氧扩散梯度环境有利于好 氧微生物将废水中氨氮（NH/-N)降解产生亚硝态氮或硝态氮（N02-N或N03-N)，该类氮素 同样可作为电子受体形成回路完成产电。
[0021] 除非另有说明，本申请中的"％ "为重量百分比。
[0022] 本发明具有W下优点：
[002引 1)、利用毛细作用巧妙地避免了 MFC的阴极曝气，减少能耗，提高了 MFC阴极氧气 传质效率；
[0024] 2)、本发明的技术方法，阴极不需要催化剂，具有工艺简单、成本低、性能稳定、易 实施等优点，可用于含氮有机废水的处理，同时将废水中污染物的化学能转变成电能W补 偿水处理成本，为可持续处理含氮有机废水提供了新途径。
[00巧]3)、本发明的微生物燃料电池可稳定高效脱氮除碳，COD的去除率可达到75~ 94. 4%，总氮灯脚去除率42~99. 9%。
[00%] W下是本发明技术方法与已有MFCs处理废水比较：
[0027]
【附图说明】
[0028] 图1微生物燃料电池处理废水流程示意图。
[0029] 图2微生物燃料电池装置结构示意图（A侧视图，B俯视图，C和D多组电极连接模 块化示意图）。
[0030] 图中：主反应区1、生物选择调节区2、溢流出水槽3、穿孔布水管4、生物阳极5、空 气阴极6、电极支架6曰、电极卡槽化、阴阳极电极插孔密封圈7、参比电极8、PH及DO电极插 孔9-1和II、外电阻10、进水管11、监测口 12、排空管13和14、出水管15 ;附属仪器设备： 进水池16、蠕动累17、数据采集卡18、数据处理与显示系统19、W及出水池20。
【具体实施方式】
[0