一种三电池体系的微生物燃料电池装置及其应用

文档序号:10586863阅读:599来源:国知局
一种三电池体系的微生物燃料电池装置及其应用
【专利摘要】本发明公开了一种“厌氧/缺氧?厌氧/好氧?缺氧/好氧”三电池体系的微生物燃料电池装置及其应用于废水同时脱氮除碳的方法,属于污水生物修复领域。本发明在传统的“厌氧?缺氧?好氧(A2/O)”的基础上,与微生物燃料电池(MFC)进行耦合,构建了“厌氧/缺氧?厌氧/好氧?缺氧/好氧”三电池体系的微生物燃料电池装置。与传统的双室生物燃料电池同时脱氮除碳相比,能更加有效地挖掘污水中的能源,在充分利用有机碳源进行产电的同时,进一步强化反硝化脱氮,节省了反硝化所需的有机碳源。该方法在充分产电的基础上,具有同时脱氮除碳的功能,对污水中的CODcr、氮污染物都有很好的去除效果,是一种新型的污水生物处理以及能源回收的污水处理方法。
【专利说明】
-种Ξ电池体系的微生物燃料电池装置及其应用
技术领域
[0001] 本发明设及水处理及资源化利用领域,具体地说是高效处理高氨氮、低碳氮比的 生活污水并同时最大化实现电能回收的一种Ξ电池体系的微生物燃料电池装置及其应用 于废水同时脱氮除碳的方法。
【背景技术】
[0002] 水体富营养化是当今人类社会面临的重大难题,其主要是由于水体中氮憐等营养 物质浓度过高引起的。过量的氮污染物排放到自然水体中会造成:(1)加速水体富营养化;
[2] 氨氮消耗水体中的溶解氧,造成鱼类等水生生物的死亡;(3)氮化合物过多会对人和生 物有毒害作用。我国市政污水处理厂进水有机碳源普遍不足,为了出水氨氮、ΤΝ达标,大多 数污水处理厂需要额外投加有机碳源,大大增加了处理成本,成为制约污水处理厂发展的 关键因素。另一方面,污水中蕴含的庞大的有机物能源若能够回收利用,将大大缓解污水处 理厂能源消耗巨大的问题。因此,有必要研究和开发废水资源化的生物脱氮除碳的新型工 乙。
[0003] 微生物燃料电池(MFC,Microbial化el cell)是一种W微生物作为催化剂,将有 机物中所蕴含的化学能直接转化成电能的生物电化学反应装置,具有同时去除有机污染物 并获得能源输出的优点。应用该技术使废水处理与获取电能同步进行,有效缓解水污染和 能源短缺问题。近年来在废水处理领域,利用MFC阴极脱氮、阳极去除有机物的功能,将MFC 与传统生物脱氮除碳反应器相结合也得到了越来越多的关注。
[0004] Virdis等将传统双室MFC与好氧硝化反应器相结合,MF啡日极出水经外接好氧硝化 反应器后,将进水中大部分氨氮氧化成硝态氮,出水流入MFC阴极实现了电极反硝化脱氮, 获得了每天化g/m3 COD和0.41kg/m3的硝酸盐去除率,最大功率密度34.7W/m3DXie等构建了 由两个不同功能MFC组成的好氧/缺氧生物阴极型MFC组合工艺,分别在两个MFC的阴极中实 现了好氧硝化和缺氧反硝化,组合工艺的氨氮和总氮去除率分别达到了97.4%和97.3%。 魏锦程等简化了上述工艺流程,开发了好氧/缺氧两段式生物阴极MFC工艺,进水依次流经 阳极、好氧阴极、缺氧阴极,在该连续流的模式总氮去除率达到了 80%,最大功率密度为 43.5W/m\
[0005] Zhang等设计了 Ξ室型MFC,在阳极的两侧分别设置缺氧和好氧生物阴极,污水先 经过好氧生物阴极进行硝化反应,出水流经厌氧生物阴极进行反硝化脱氮,获得了 84%和 50%的氨氮和总氮去除率。Yu等将MFC与膜曝气生物反应器的优势相结合,构建了膜曝气 MFC,实现了阴极的同步硝化-电极反硝化,溶解氧在2mg/L时,COD、氨氮的去除率在99%,TN 去除率不足20% ;溶解氧降至0.5mg/L时,COD和氨氮的去除率大于95%,TN去除率达到了 52%。
[0006] 虽然微生物燃料电池具有底物来源广泛和底物转化率高的特点,为废水的资源化 利用和产生电能提供了一种十分有前景的方法。然而,要想使其成为一种成熟的污水处理 技术用于实际应用,还存在一定的问题。首先是目前已经报道研究使用的微生物燃料电池 的体积都较小(通常<1L),运与实际工程应用上还有较大的差距,还需要进一步的扩大其 规模尺寸,才能满足实际应用。其次,MFC结构与实际污水处理反应器相结合,将面临MFC产 电性能和降解污染物效率有机结合的问题,研究人员对影响MFC产电能力的各种因素和污 染物降解情况分别进行了大量的研究,但对MFC与传统的污水生物降解工艺高效结合上,即 在尽可能最大化挖掘MFC产电能力的前提下,还能保证较高的污染物降解效率,还存在一定 的问题。

【发明内容】

[0007]发明目的:为解决现有技术中存在的问题,本发明提供一种Ξ电池体系的微生物 燃料电池装置及其应用。
[000引技术方案:为实现上述技术目的,本发明提供一种Ξ电池体系的微生物燃料电池 装置,包括厌氧室、缺氧室、好氧室、电极和电阻,所述电极和电阻通过外电路进行链接;其 中,所述的厌氧室、缺氧室和好氧室两两相邻并用质子交换膜分隔开;所述电机包括厌氧/ 缺氧,缺氧/好氧和缺氧/好氧Ξ对电极;所述的外电路及电阻分别将厌氧室与缺氧室、缺氧 室与好氧室、缺氧室与好氧室的阴阳极相连,Ξ对电极构成了 Ξ电池体系的微生物燃料电 池装置;所述厌氧室、缺氧室和好氧室分别设置有进出水阀口和硝化液回流阀口。
[0009] 优选地,所述厌氧室、缺氧室及好氧室的尺寸分别为:24-30cmX16-20cmX12- 15cm、24-30cmX16-20cmX12-15cm 和48-60cmX24-30cmX12-15cm,体积比为1:1:3,分别 由直径为6-8cm的质子交换膜两两隔开;更优选地,所述厌氧室、缺氧室及好氧室的尺寸分 别为:24cmX 16cmX 12cm、24cmX 16cmX 12cm和48cmX 24cmX 12畑1,体积比为1:1:3,分别由 直径为6cm的质子交换膜两两隔开。
[0010] 所述的Ξ对电极的阳极、阴极材料均为碳拉,尺寸为12X 10cm2。
[0011] 所述的外电阻为固定的100欧姆。
[0012] 本发明进一步提出了上述的Ξ电池体系的微生物燃料电池装置在废水同时脱氮 除碳上的应用。
[0013] 具体地,在应用时包括如下步骤:
[0014] (1)将厌氧室、缺氧室及好氧室分别接种市政污水处理厂的厌氧池、缺氧池和好氧 池污泥,并分别放置厌氧/缺氧,缺氧/好氧和缺氧/好氧Ξ对电极;
[0015] (2)将含有有机碳源的废水序批式地加入厌氧室,将低碳氮比的废水序批式地加 入缺氧室,将含有氨氮的废水序批式地加入好氧室,待底物耗尽的时候或各对电池电压急 剧下降时更换废水,缺氧池和好氧池分别不间断揽拌与曝气;
[0016] (3)当厌氧室、缺氧室和好氧室的电极均成功挂膜后,即Ξ对电池的最大电压稳定 至少Ξ个间歇周期W上后,开始采用连续方式运行,将含有机碳源和氨氮的废水依次流经 厌氧室、缺氧室和好氧室,好氧室中的硝化液根据实际脱氮效率按一定的比例回流至缺氧 室;其中,厌氧室阳极生物膜利用一部分有机物产电,将电子分别经外电路传递到缺氧室阴 极和好氧室阴极;缺氧室阴极一方面利用阴极电子和有机碳源分别进行电极反硝化和非电 极反硝化,另一方面缺氧室阳极利用部分有机物产电,将电子传递至好氧室阴极;含氨氮的 污水进入好氧室经硝化反应生成硝态氮,再利用厌氧室和缺氧室传递来的电子进行电极反 硝化,即在好氧室发生同步硝化反硝化。
[0017]本发明有益效果:传统生活污水脱氮工艺-A2/0工艺因其具有良好的脱氮除憐效 果而被广泛应用。但其脱氮效果难再进一步提高,内循环量一般W2Q为限,不宜太高;且污 泥增长快,污泥量大。部分生活污水处理厂进水COD偏低,进水氨氮浓度过高,造成缺氧池有 机碳源不足,反硝化效果不佳。脱氮微生物燃料电池大体分为两种类型-缺氧型和好氧型, 前者阴极缺氧,利用阴极电子作为电子供体实现硝态氮的反硝化;后者阴极好氧,含有机碳 源或不含有机碳源,通常进行同步硝化反硝化W实现脱氮。微生物燃料电池应用于传统A2/ 0脱氮工艺时,通常希望传统A2/0脱氮工艺中,通常希望有机物在阳极用于产电,剩余的低 浓度有机物作为电子供体进入缺氧阴极进行生物反硝化,再进入好氧生物阴极进行同步硝 化反硝化。
[001引本发明将微生物燃料电池与传统的aVo工艺结合,构建了 "厌氧/缺氧-厌氧/好 氧-缺氧/好氧"Ξ电池体系的微生物燃料电池装置,能更加有效地挖掘污水中的能源,充分 利用有机碳源进行产电,在缺氧室和好氧室均能去除氮素污染物,强化了系统的反硝化脱 氮功能,即使在有机碳源不足的情况下也能获得较好的反硝化效果。由于系统中部分有机 物用于产电,W阴极电子的形式为反硝化提供电子,使有机物更加高效地被利用,污泥产量 低。本发明装置在Ξ对电极均成功挂膜后开始连续进水,模拟废水中含有乙酸纳(COD浓度 为180mg/L)和畑4C1(NH4+-N为60mg/L),另外加入2g/L的化2C03作为阴极反硝化菌生长所需 的无机碳源。电压稳定后,反应器Ξ对电池"厌氧/缺氧-厌氧/好氧-缺氧/好氧"分别获得了 10.4mW/m2,27.7mW/m2和3. ImW/m2的稳定输出功率,出水COD浓度为14.5mg/L,出水N03--N浓 度为8.7mg/L,出水NH4+-脚^度为2. Img/L,全面优于Ξ对电池均断开时装置脱氮除碳的效 果,并且起到污泥减量的作用。是一种基于节能降耗的高效处理含有机物和氮污染物废水, 同时最大化实现电能回收的一种运用于实际脱氮工艺的方法,适用于高氨氮、低碳氮比的 生活污水处理,有着良好的环境效益和经济效益。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明一种Ξ电池体系的微生物燃料电池装置图,图中:厌氧室1、缺氧室2、 好氧室3、质子交换膜4、电极(碳拉)5、外电路及电阻6、阀口,所述阀口包括:厌氧室进水阀 Π 7和出水阀口 8、缺氧室进水阀口 9和出水阀口 10、好氧室进水阀口 11和出水阀口 12、硝化 液回流阀口(好氧室回流出水阀口 13到缺氧室回流进水阀口 14)。
【具体实施方式】
[0020] 本发明提出了一种印染废水处理站的废气净化装置及方法,下面结合实施例对本

【发明内容】
作进一步说明。
[0021] 如图1所示,一种Ξ电池体系的微生物燃料电池装置,包括:厌氧室1、缺氧室2、好 氧室3、质子交换膜4、电极碳拉5、外电路及电阻6、阀口,所述阀口包括:厌氧室进水阀口7和 出水阀口 8、缺氧室进水阀口 9和出水阀口 10、好氧室进水阀口 U和出水阀口 12、硝化液回流 阀口(好氧室回流出水阀口 13到缺氧室回流进水阀口 14)。
[0022] 所述厌氧室1、缺氧室2及好氧室3,尺寸分别为:24cmX16cmX12cm,24cmX16cmX 12cm和48cm X 24cm X 12cm,体积比为1:1:3,分别由直径为6cm的质子交换膜4两两隔开。
[0023] 所述电极5,包括厌氧/缺氧,缺氧/好氧,缺氧/好氧Ξ对电极,即Ξ个不同功能的 MFC,阳极、阴极材料均为碳拉,尺寸为12 X 10cm2。
[0024] 所述的外电路及电阻6,分别将"厌氧室、缺氧室","缺氧室、好氧室","缺氧室、好 氧室"的阴阳极相连,外电阻为固定的100欧姆,Ξ对电极构成了 Ξ电池体系的微生物燃料 电池装置。
[0025] 实施例1:
[00%]上述Ξ电池体系的微生物燃料电池装置采用间歇运行方式处理模拟废水,处理试 验如下:
[0027]步骤一:将厌氧室1、缺氧室2及好氧室3分别接种市政污水处理厂厌氧池、缺氧池 和好氧池污泥,按图1放置电极(碳拉)5;
[00%]步骤二:将含有有机碳源的有机模拟废水(COD为500mg/L,乙酸钢作为电子供体) 序批式地加入厌氧室1,将低碳氮比的含硝态氮的模拟废水(含乙酸钢和硝酸钢,C0D/N约为 2.5)序批式地加入缺氧室2,将含有氨氮的模拟废水(NH4+-脚^度约为50mg/L)序批式地加入 好氧室3,另外Ξ室均加入Ig/L的化2(X)3。待底物耗尽的时候或各对电池电压急剧下降时更 换废水,其中,厌氧室换水周期大约为4她,缺氧室换水周期大约为12h,好氧室换水周期大 约为5d。缺氧室和好氧室分别不间断揽拌与曝气。
[0029] 间歇运行一段时间后,上述装置功率输出和污染物去除效果均趋于稳定,实验结 果如下:
[0030]
[0031] 从上表可W发现,间歇启动后反应装置的Ξ对电池单个反应周期的平均输出功率 总和达到30.1 mW/m2,其中,电池"厌氧-好氧"单个反应周期平均输出功率最大,约为 20.6mW/m2;综合反硝化速率3.38mg/(L · h),缺氧室反硝化速率约为3.04mg/(L · h),单室 反硝化所消耗有机碳源COD/N〇3^h于3.5。
[0032] 实施例2
[0033] 步骤一:上述实施例1表明Ξ室装置已经成功启动,即厌氧室1、缺氧室2和好氧室3 的电极5均成功挂膜(Ξ对电池的最大电压稳定至少Ξ个间歇周期W上),开始采用连续方 式运行,将含有机碳源和氨氮的模拟废水依次流经厌氧室1、缺氧室2和好氧室3,模拟废水 中含有乙酸纳(COD浓度约为180mg/L)和畑4C1(N也+-N约为60mg/L),另外加入2g/L的化2C〇3 作为阴极反硝化菌生长所需的无机碳源。好氧室硝化液按150%的比例回流至缺氧室。
[0034] 步骤二:其它操作条件同步骤一相同,将"厌氧/缺氧"、"厌氧/好氧"和"缺氧/好 氧"Ξ对电池同时断开,待Ξ室污染物去除效果稳定后,与步骤一进行比较。
[0035] 装置采用闭合和断开两种方式运行,获得实验结果如下:
[0036]
[0037] 从上表可W发现,将上述反应装置的"厌氧室、缺氧室","缺氧室、好氧室","缺氧 室、好氧室"的Ξ对电极断开,保持进水条件、水质不变,待出水水质稳定后,主要出水水质 指标均要差于Ξ电池闭合时,说明该Ξ电池体系的微生物燃料电池装置不仅能够进行电能 输出,还能优化出水水质。
[0038] 显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的 实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可W做出其 它不同形式的变化或变动,运里无需也无法对所有的实施方式予W穷举,运些引伸出的变 化或变动也处于本发明的保护范围之中。
【主权项】
1. 一种三电池体系的微生物燃料电池装置,其特征在于,包括厌氧室、缺氧室、好氧室、 电极和电阻,所述电极和电阻通过外电路进行链接;其中,所述的厌氧室、缺氧室和好氧室 两两相邻并用质子交换膜分隔开;所述电极包括厌氧/缺氧,缺氧/好氧和缺氧/好氧三对电 极;所述的外电路及电阻分别将厌氧室与缺氧室、缺氧室与好氧室、缺氧室与好氧室的阴阳 极相连,三对电极构成了三电池体系的微生物燃料电池装置;所述厌氧室、缺氧室和好氧室 分别设置有进出水阀门和硝化液回流阀门。2. 根据权利要求1所述的三电池体系的微生物燃料电池装置,其特征在于,所述厌氧 室、缺氧室及好氧室的尺寸分别为dA-SOcmXiejOcmXW-lScmJA-SOcmXiejOcmXW-iScm 和 48-60cmX 24-30cmX 12-15cm, 体积比为1:1:3 ,分别由 直径为 6-8cm 的 质子交换膜两 两隔开。3. 根据权利要求1所述的三电池体系的微生物燃料电池装置,其特征在于,所述的三对 电极的阳极、阴极材料均为碳毡,尺寸为12X 10cm2。4. 根据权利要求1所述的三电池体系的微生物燃料电池装置,其特征在于,所述的外电 阻为固定的100欧姆。5. 权利要求1所述的三电池体系的微生物燃料电池装置在废水同时脱氮除碳上的应 用。6. 根据权利要求5所述的应用,其特征在于,包括如下步骤: (1) 将厌氧室、缺氧室及好氧室分别接种市政污水处理厂的厌氧池、缺氧池和好氧池污 泥,并分别放置厌氧/缺氧,缺氧/好氧和缺氧/好氧三对电极; (2) 将含有有机碳源的废水序批式地加入厌氧室,将低碳氮比的废水序批式地加入缺 氧室,将含有氨氮的废水序批式地加入好氧室,待底物耗尽的时候或各对电池电压急剧下 降时更换废水,缺氧池和好氧池分别不间断搅拌与曝气; (3) 当厌氧室、缺氧室和好氧室的电极均成功挂膜后,即三对电池的最大电压稳定至少 三个间歇周期以上后,开始采用连续方式运行,将含有机碳源和氨氮的废水依次流经厌氧 室、缺氧室和好氧室,好氧室中的硝化液根据实际脱氣效率按一定的比例回流至缺氧室;其 中,厌氧室阳极生物膜利用一部分有机物产电,将电子分别经外电路传递到缺氧室阴极和 好氧室阴极;缺氧室阴极一方面利用阴极电子和有机碳源分别进行电极反硝化和非电极反 硝化,另一方面缺氧室阳极利用部分有机物产电,将电子传递至好氧室阴极;含氨氮的污水 进入好氧室经硝化反应生成硝态氮,再利用厌氧室和缺氧室传递来的电子进行电极反硝 化,即在好氧室发生同步硝化反硝化。
【文档编号】C02F101/16GK105948223SQ201610514684
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】李超, 操家顺, 周仕华, 章震, 薛朝霞, 费罗兰, 虞筠霄
【申请人】河海大学
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