一种同步脱氮除磷双室微生物燃料电池的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种同步脱氮除磷双室微生物燃料电池，该燃料电池包括反应系统和数据采集监测系统。反应系统包括阳极反应系统和阴极反应系统，其中阳极反应系统包括阳极微生物、阳极电极、阳极室、取样口、进样口和电解液。阴极反应系统包括阴极微生物、阴极电极、阴极室、进水管、出水管、恒流泵软管、鼓气泵、棕色缓冲瓶、曝气头、恒流泵和电解液。阳极电极和阴极电极分别紧贴在质子交换膜两侧。数据采集监测系统包括导电丝、负载、导线、数据采集器和计算机。本发明间歇运行，装置结构简单，内阻小，性能高效稳定，具备产能和水处理两方面的功效，为微生物燃料电池脱氮除磷开辟了一种新的方法。
【专利说明】一种同步脱氮除磷双室微生物燃料电池
【技术领域】
[0001]本发明属于生物燃料电池【技术领域】，尤其涉及一种同步脱氮除磷双室微生物燃料电池。
【背景技术】
[0002]水体富营养化又称作水华是指湖泊、河流、水库等水体中氮磷等植物营养物质含量过多所引起的水质污染现象。由于水体中氮磷营养物质的富集，引起藻类及其他浮游生物的迅速繁殖，使水体溶解氧含量下降，造成藻类、浮游生物、植物、水生物和鱼类衰亡甚至绝迹的污染现象。富营养化的防治是水污染处理中最为复杂和困难的问题，通常的二级生化处理方法只能去除30-50%的氮、磷。
[0003]微生物燃料电池(Microbial Fuel cells，简称MFC)是一种利用微生物把化学能转化为电能的装置。利用微生物燃料电池，不仅可以直接将水体或污泥中的有机物降解，而且可以将有机物代谢过程中产生的电子转化为电流，从而获得电能。在环境污染和能源危机的双重压力下，由于微生物燃料电池可同时处理废水并产生电能，MFC技术的研究和开发备受各国政府与大公司的重视，被认为是21世纪洁净、高效的发电技术。以废水为燃料的微生物发电是一种新的可再生能源利用方式，具有常温发电、清洁高效、可循环利用等多个优点。
[0004]MFC的基本产电原理为(I)基质(即燃料)的生物氧化:有机物于阳极室在微生物作用下被氧化，产生电子、质子及代谢产物；(2)阳极还原:有机物氧化产生的电子从微生物细胞传递至阳极表面，使电极还原；(3)外电路电子传输:电子经由外电路到达阴极；(4)质子迁移:有机物氧化产生的质子从阳极室迁移到阴极室，到达阴极表面；(5)阴极反应:在阴极室中的氧化态物质即电子受体与阳极传递来的质子和电子于阴极表面发生还原反应，氧化态物质被还原。电子的产传递、消耗形成电流，完成产电过程。
[0005]利用微生物燃料电池技术处理氮磷污染废水，不仅能够高效率去除废水中氮磷，同时还有电能产生。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种同步脱氮除磷双室微生物燃料电池，具体技术方案如下。
[0007]—种同步脱氮除磷双室微生物燃料电池，包括反应系统和数据采集监测系统；所述反应系统包括阳极反应系统和阴极反应系统，其中阳极反应系统包括阳极微生物、阳极电极、阳极室、取样口、进样口和电解液；阴极反应系统包括阴极微生物、阴极电极、阴极室、进水管、出水管、恒流泵软管、鼓气泵、棕色缓冲瓶、曝气头、恒流泵和电解液；阴极反应系统中电解液依次经过出水管、第一恒流泵软管、棕色缓冲瓶、第二恒流泵软管、进水管，在恒流泵的作用下形成内循环；鼓气泵通过第三恒流泵软管与棕色缓冲瓶中的曝气头连接，阳极室和阴极室由质子交换膜隔开，阳极电极和阴极电极分别紧贴在质子交换膜的两侧；数据采集监测系统包括导电丝、负载、导线、数据采集器和计算机，阳极电极和阴极电极均连接有导电丝，导电丝再通过导线与负载连接形成闭合回路；负载两端还通过导线与数据采集器的输入端连接，数据采集器的输出端与计算机输入端连接。
[0008]进一步地，所述阳极室和阴极室结构和大小完全相同，取样口、进样口位于阳极室顶部。
[0009]进一步地，恒流泵作用于第二恒流泵软管上。
[0010]进一步地，出水管与阴极室顶部的出水口连接；进水管穿过阴极室顶部的进水口并伸入阴极室内底部。
[0011 ] 进一步地，阳极室除进样和取样过程外，阳极室顶部的取样口和进样口一直呈关闭状态，以确保阳极室是厌氧环境；所述鼓气泵一直是打开状态，使得阴极反应系统一直呈好氧状态，棕色缓冲瓶中曝气量大小由鼓气泵的流量控制按钮调节。
[0012]进一步地，阳极室内溶解氧为0.05、.1 mg/L，棕色缓冲瓶内电解液溶解氧为
2.0~3.5 mg/L 、。
[0013]进一步地，所述的电解液是含氮磷有机废水，初始pH为7.0-7.5。
[0014]进一步地，当该微生物燃料电池输出电压小于50 mV后，将棕色缓冲瓶内电解液排到反应系统外；将阳极室中电解液回流至棕色缓冲瓶中，然后在阳极室中加满新鲜未处理含氮磷有机废水，如此循环运行，以含氮磷有机废水加入反应系统到排出反应系统整个时间段作为一个反应周期。
[0015]进一步地，阳极室和阴极室的高度大于水平方向的宽度。
[0016]进一步地，阳极电极和阴极电极面积相同，均为碳布、碳纸、碳毡、石墨毡或石墨板，两者材料相同或不同，电极面积与反应室的体积比为I cm2:0.1"?0 cm3。
[0017]进一步地，所述的微生物是从污水处理厂接种的具有脱氮除磷功能的活性污泥微生物。
[0018]进一步地，所述的电解液为含氮磷有机废水，初始pH为7.0-7.5。
[0019]进一步地，阳极室和阴极室中充满电解液，初期启动时，接种菌液为体积比为1:1的污水处理厂二次沉淀池的厌氧和好氧污泥上清液，接种菌液体积与反应室体积比为1:3。以含氮磷有机废水加入反应系统到排出反应系统整个时间段作为一个反应周期。当输出电压小于50 mV时，将棕色缓冲瓶中的电解液排到反应系统外，阳极室内电解液全部回流至棕色缓冲瓶内，向阳极室中加入新鲜未处理的含氮磷有机废水(人工配水或实际废水均可)。
[0020]进一步地，所述的阳极室是一个严格厌氧环境，阳极液溶解氧为0.05、.1 mg/L。棕色缓冲瓶连接的鼓气泵一直处于打开状态，且用鼓气泵流量控制按钮控制曝气量大小，从而控制阴极液的溶解氧，阴极室中溶解氧控制在2.0-3.5 mg/L范围内。
[0021]进一步地，所述的数据采集器为吉时利2007型数据采集器。
[0022]与已有技术相比，本发明具有如下有益效果:
(1)本发明无需投加铁氰化物和高锰酸盐等具有高氧化活性的化学物质就可实现同步脱氮除磷和产电；
(2)阳极室出液全部回流至阴极室，有效缓解阴阳极pH的问题，且可以使有机物的去除率进一步提闻；
(3)利用缓冲瓶曝气可以减少阴极室氧向阳极室扩散，提高了产电效率和整个反应器的产电稳定性；
(4)通过鼓气泵的流量控制，可以得到不同的脱氮除磷和产电效果，反应器可以灵活运
行；
(5)阴极循环系统加强了反应室内部的物质流动，加快了产电速率；
(6)阳极电极和阴极电极紧贴在质子交换膜两侧，两电极间的距离非常小，极大地降低了电池内阻；
(7)阴极曝气达到了提供电子受体、硝化细菌氨氮硝化、反硝化聚磷菌吸磷反硝化和聚磷菌好氧吸磷的多重效果，减少能耗。
[0023](8)含氮磷有机废水先后经阳极反应系统和阴极反应系统处理，可以将含氮磷有机废水中的有机物质分解更彻底。
[0024]
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是一种同步脱氮除磷双室微生物燃料电池结构示意图。
[0026]图2是实施例中阴极室液体溶解氧为3.5 mg/L左右时电池功率密度和电池电压与电流密度的关系。
[0027]图3是实施例中阴极室液体溶解氧为2.5 mg/L左右时电池功率密度和电池电压与电流密度的关系图。
【具体实施方式】
[0028]下面通过具体实施例，对本发明的实施方式进行详细描述，但本发明的实施不限于此。
[0029]如图1，一种同步脱氮除磷双室微生物燃料电池，包括阳极反应系统和阴极反应系统，其中阳极反应系统包括阳极微生物1、阳极电极2、阳极室3、取样口 5、进样口 6和电解液；阴极反应系统包括阴极微生物21、阴极电极20、阴极室19、进水管16、出水管17、恒流泵软管、鼓气泵11、棕色缓冲瓶14、曝气头15、恒流泵12和电解液；阴极反应系统中电解液依次经过出水管17、第一恒流泵软管、棕色缓冲瓶14、第二恒流泵软管、进水管16，在恒流泵12的作用下形成内循环；鼓气泵11通过第三恒流泵软管与棕色缓冲瓶14中的曝气头15连接，阳极室3和阴极室19由质子交换膜18隔开，阳极电极2和阴极电极20分别紧贴在质子交换膜15的两侧；数据采集监测系统包括导电丝4、负载7、导线8、数据采集器9和计算机10，阳极电极2和阴极电极20均连接有导电丝4，导电丝4再通过导线与负载7连接形成闭合回路；负载7两端还通过导线与数据采集器9的输入端连接，数据采集器9的输出端与计算机10输入端连接。本实例中阳极电极2是碳纸，阴极电极20是涂有0.5 mg/cm2钼碳的碳布，且催化层面向质子交换膜18。
[0030]电池的外接1000欧姆电阻，在室温条件下间歇运行，每当电池电压低于50 mV时，棕色缓冲瓶14内电解液排到反应系统外，阳极室3电解液回流至棕色缓冲瓶14，向阳极室3中加入新鲜未处理含氮磷有机废水。
[0031]人工模拟废水配方:NTA1.5 g/L,MgSO4 3 g/L、MnSO4.H2O 0.5 g/L、NaCl I g/L、FeSO4.7Η20 0.1 g/L,CaCl.2Η20 0.1 g/L,CoCl.6Η20 0.1 g/L,ZnCl 0.13 g/L,CuSO4.5Η200.0l g/L、AlK(SO4)2.12H20 0.01 g/L、H3BO3 0.01 g/L、NaMoO4 0.025 g/L、NiCl.6H200.024 g/L、Na2WO4.2Η20 0.025 g/L、NaHCO3 5.96 g/L、NaC2H3O2 1.00 g/L、KH2PO4 0.54 g/L、NH4Cl 0.21 g/L、维生素 H 2 mg/L、维 B 2 mg/L、维 B6 10 mg/L、核黄素 5 mg/L、硫胺 5mg/L、烟酸 5 mg/L、泛酸 5 mg/L、B12 0.1 mg/L、对氨基苯甲酸 5 mg/L、硫辛酸 5 mg/L。
[0032]本同步脱氮除磷双室微生物燃料电池启动如下:
将含氮磷人工模拟有机废水80 ml加到干净烧杯中，再加入接种菌液40 ml (接种菌液为体积比为1:1的污水处理厂二次沉淀池的厌氧和好氧污泥上清液)，混匀，将阳极室3用模拟废水和接种菌液的混合液充满(约28 ml)，剩余混合液约92 ml全部加到棕色缓冲瓶14中。把阳极室3顶部进样口 6和取样口 5封好，打开恒流泵12和鼓气泵11。两天以后，将棕色缓冲瓶14中电解液排到反应系统外，打开阳极室3顶部取样口 5，将阳极室3内电解液全部回流到棕色缓冲瓶14内。如此循环运行。以含氮磷有机废水加入反应系统到排出反应系统整个时间段作为一个反应周期。当微生物燃料电池输出电压稳定三个运行周期以上时，启动过程完成。
[0033]同步脱氮除磷双室微生物燃料电池工作过程如下:
模拟废水加入到阳极室3，经运行72 h后，电池输出电压小于50 mV，排出棕色缓冲瓶14中电解液，把阳极室3中全部电解液回流至棕色缓冲瓶14，阳极室3中加入新鲜未处理模拟废水，经72 h后，重复上一轮操作。
[0034]图2为实施例中，阴极室19电解液溶解氧为3.5 mg/L左右时电池功率密度和电池电压与电流密度的关系。电池在电流密度为1777 mA/m2时达到最大输出功率531 mff/ m2。该条件下氮几乎无去除效果，磷去除率为95%以上。
[0035]图3为实施例中，阴极室19电解液溶解氧为2.5 mg/L左右时电池功率密度和电池电压与电流密度的关系。电池在电流密度为1427 mA/m2时达到最大输出功率429 mff /m2。该条件下氮磷的去除率均为90%以上。
[0036]从上述实验数据可以看出，以不同的阴极室19电解液溶解氧运行该双室微生物燃料电池，其产电性能和对废水的脱氮除磷效果相差很大。
[0037]最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干具体实施例子。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种同步脱氮除磷双室微生物燃料电池，包括反应系统和数据采集监测系统，其特征在于:所述反应系统包括阳极反应系统和阴极反应系统，其中阳极反应系统包括阳极微生物(I)、阳极电极(2)、阳极室(3)、取样口(5)、进样口(6)和电解液；阴极反应系统包括阴极微生物(21)、阴极电极(20)、阴极室(19)、进水管(16)、出水管(17)、恒流泵软管、鼓气泵(11)、棕色缓冲瓶(14 )、曝气头(15 )、恒流泵(12 )和电解液；阴极反应系统中电解液依次经过出水管(17)、第一恒流泵软管、棕色缓冲瓶(14)、第二恒流泵软管、进水管(16)，在恒流泵(12)的作用下形成内循环；鼓气泵(11)通过第三恒流泵软管与棕色缓冲瓶(14)中的曝气头(15)连接，阳极室(3)和阴极室(19)由质子交换膜(18)隔开，阳极电极(2)和阴极电极(20)分别紧贴在质子交换膜(15)的两侧；数据采集监测系统包括导电丝(4)、负载 (7)、导线(8)、数据采集器(9)和计算机(10)，阳极电极(2)和阴极电极(20)均连接有导电丝(4)，导电丝(4)再通过导线与负载(7)连接形成闭合回路；负载(7)两端还通过导线与数据采集器(9)的输入端连接，数据采集器(9)的输出端与计算机(10)输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种同步脱氮除磷双室微生物燃料电池，其特征在于所述阳极室(3)和阴极室(19)结构和大小完全相同，取样口(5)、进样口(6)位于阳极室(3)顶部。
3.根据权利要求1所述的一种同步脱氮除磷双室微生物燃料电池，其特征在于恒流泵(12)作用于第二恒流泵软管上。
4.根据权利要求1所述的一种同步脱氮除磷双室微生物燃料电池，其特征在于出水管(17)与阴极室(19)顶部的出水口连接；进水管(16)穿过阴极室(19)顶部的进水口并伸入阴极室(19)内底部。
5.根据权利要求1所述的一种同步脱氮除磷双室微生物燃料电池，其特征在于阳极室(3)除进样和取样过程外，阳极室(3)顶部的取样口(5)和进样口(6) —直呈关闭状态，以确保阳极室(3)是厌氧环境；所述鼓气泵(11) 一直是打开状态，使得阴极反应系统一直呈好氧状态，棕色缓冲瓶(14)中曝气量大小由鼓气泵(11)的流量控制按钮调节。
6.根据权利要求1所述的一种同步脱氮除磷双室微生物燃料电池，其特征在于阳极室(3)内溶解氧为0.05、.1 mg/L，棕色缓冲瓶(14)内电解液溶解氧为2.0-3.5 mg/L。
7.根据权利要求1所述的一种同步脱氮除磷双室微生物燃料电池，其特征在于所述的电解液是含氮磷有机废水，初始PH为7.0-7.5。
8.根据权利要求1所述的一种同步脱氮除磷双室微生物燃料电池，其特征在于当该微生物燃料电池输出电压小于50 mV后，将棕色缓冲瓶(12)内电解液排到反应系统外；将阳极室(3)中电解液回流至棕色缓冲瓶(14)中，然后在阳极室(3)中加满新鲜未处理含氮磷有机废水，如此循环运行，以含氮磷有机废水加入反应系统到排出反应系统整个时间段作为一个反应周期。
9.根据权利要求1所述的一种同步脱氮除磷双室微生物燃料电池，其特征在于阳极室和阴极室的高度大于水平方向的宽度。
10.根据权利要求1所述的一种同步脱氮除磷双室微生物燃料电池，其特征在于阳极电极(2)和阴极电极(20)面积相同，均为碳布、碳纸、碳毡、石墨毡或石墨板，两者材料相同或不同，电极面积与反应室的体积比为I cm2:0.1"?0 cm3。
【文档编号】H01M8/16GK103956510SQ201410159952
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月21日 优先权日:2014年4月21日
【发明者】周少奇, 陶琴琴 申请人:华南理工大学, 贵州科学院