一种生物阴极型微生物燃料电池废水处理系统和处理废水的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种生物阴极型微生物燃料电池废水处理系统。
【背景技术】
[0002]国内外对于氨氮废水的处理方法，主要分为物化法和生物法两类，其中物化法包括吹脱法、化学沉淀法、离子交换法、折点氯化法。这些方法都各有特点，但也各有一定的局限性，如设备投资大，能耗高，运行费用高或二次污染等。而氨氮处理技术的选择，主要取决于废水的性质和要求，目前国内多采用物化法，国外以生物法或联合工艺为主来处理氨氮废水。
[0003]近阶段，有人发现了一种新型的生物电化学系统可以作为一种替代的技术来实现脱氮的同时产电。即将微生物燃料电池与传统的生物脱氮技术相结合，提出了一种新型的工艺-微生物脱氮电池。
[0004]生物阴极微生物燃料电池脱氮的原理是，在阳极室微生物催化氧化有机物产生电子和质子，电子被阳极捕集并通过外电路转移到阴极上，质子则通过离子交换膜从阳极室迀移到阴极室，在阴极室中利用微生物作为催化剂能够将阴极的硝酸盐最终还原为氮气，从而达到脱氮的目的。其电极反应如下:
[0005]阳极反应:C6H1206+6H20— 24H++24e>6C02 (I)
[0006]阴极反应:N03>5e-+6H+—0.5N2+3H20 (2)
[0007]相对于阳极处理废水的应用，现有技术中阴极的用途还未得到广泛的开发利用。除了氧气以外，铁氰化钾、重络酸钾、高猛酸钾、过氧化氧等都可以用作阴极电子受体。这些微生物燃料电池有个共同点:阴极不依靠微生物催化还原反应，也就是非生物阴极微生物燃料电池。但非生物阴极微生物燃料电池存在电子受体和催化剂价格昂贵、需经常科换、再生难、易造成二次污染等问题。而生物阴极微生物燃料电池的出现很好地解决了上述问题。生物阴极无需额外加入催化剂，不存在电子受体和催化剂再生问题，降低了微生物燃料电池构建成本，反应器实现真正地连续运行。由以上述论述可知，将生物阴极应用到微生物燃料电池中发电不仅可解决阴极造价昂贵、运行不连续的问题，还可以进行污水的深度处理。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于利用生物阴极型微生物燃料电池系统来处理含氮废水，以含氮废水为燃料生产电能，实现同步脱氮和生物产电，显著降低生物脱氮费用。
[0009]本发明提供的一种生物阴极型微生物燃料电池废水处理系统，所述系统包括第一进水管1-1、第二进水管1-2、生物阳极2、第一出水管4-1、第二出水管4-2、阳极室5、分隔膜9、阴极室10和生物阴极12 ;所述阳极室5下部侧壁设有第一进水管1-1，阳极室5上部侧壁设有第一出水管4-1，阳极室5内设有生物阳极2，阴极室10下部侧壁设有第二进水管1-2，阴极室10上部侧壁设有第二出水管4-2，阴极室10内设有生物阴极12，阳极室5通过分离膜9与阴极室10相连，所述阳极室(5)内填充有阳极液3，所述阴极室10内填充有阴极液11，所述阳极液3中含有产电菌种，所述阴极液中3中含有反硝化菌种。
[0010]优选的，所述的生物阳极2和生物阴极12的导电材料为石墨毡、石墨板、碳毡或碳布，生物阳极2的面积与阳极室5的体积之比为8?20m2: lm3，生物阴极12的面积与阴极室10的体积之比为8?20m2:1m3O
[0011]优选的，所述的分隔膜9的材料为质子交换膜、阳离子交换膜、阴离子交换膜或双极膜。
[0012]优选的，所述的阳极液3的体积占阳极室5体积的2/3?3/4，所述的阴极液11占阴极室10体积的2/3?3/4。
[0013]优选的，所述生物阳极2和生物阴极12通过连接导线6与负载7两端相连，所述负载7和电压采集记录仪8连接。
[0014]本发明还公开了一种微生物燃料电池废水处理氨氮废水的方法，包括:
[0015]向生物阴极型微生物燃料电池的阴极液和阳极液中分别加入反硝化菌种和产电菌种。
[0016]本发明提供的生物阴极型为生物燃料电池废水处理系统具有以下优点:
[0017]I)本发明采用生物阴极和阳极产电来促进污染物的降解，将为生物燃料电池与传统水处理技术相结合，实现同步废水脱氮和生物产电，有效回收含氮废水中蕴含的能量，降低生物脱氮成本；
[0018]2)本发明的系统对低、中、高浓度的含氮废水均具有较好的适应性，处理效果好，性能尚效稳定；
[0019]3)本发明的电池阴极无需额外加入催化剂，不存在电子受体和催化剂再生问题，极大降低了微生物燃料电池构建成本，反应器实现真正地连续运行。
【附图说明】
[0020]图1是本发明生物阴极型微生物燃料电池废水处理系统的基本设计图。
[0021]附图标记
[0022]1-1:第一进水管；1_2:第二进水管；2:生物阳极；3:阳极液；4_1:第一出水管4-2:第二出水管；5:阳极室；6:连接导线；7:负载；8:电压采集记录仪；9:分隔膜；10:阴极室；11:阴极液；12:生物阴极。
【具体实施方式】
[0023]如图1所示，生物阴极型微生物燃料电池废水处理系统包括第一进水管1-2、第二进水管1-2、生物阳极2、阳极液3、第一出水管4-1、第二出水管4-2、阳极室5、连接导线6、负载7、电压采集记录仪8、分隔膜9、阴极室10、阴极液11、生物阴极12;阳极室5下部侧壁设有第一进水管1-1，阳极室5上部侧壁设有第一出水管4-1，阳极室5内设有生物阳极2，阳极室5内部装有阳极液3，阴极室10下部侧壁设有第二进水管1-2，阴极室10上部侧壁设有第二出水管4-2，阴极室10内设有生物阴极12，阴极室10内部装有阴极液11，阳极室5通过分离膜9与阴极室10相连，生物阳极2和生物阴极12分别通过连接导线6与负载7两端相连，负载7并接有电压采集记录仪8。
[0024]所述的生物阳极和生物阴极的导电材料为石墨毡、石墨板、碳毡或碳布，生物阳极下端到阳极室底部之间间距为I?5cm，生物阴极下端到阴极室底部之间间距为I?5cm，生物阳极和生物阴极之间距离为4?10cm，生物阳极的面积与阳极室的体积之比为8?20m2:1m3,生物阴极的面积与阴极室的体积之比为8?20m2:1m3。
[0025]所述的分隔膜的材料为质子交换膜、阳离子交换膜、阴离子交换膜或双极膜，分隔膜与生物阳极之间的距离为3?6cm，分隔膜与生物阴极之间的距离为3?6cm。
[0026]所述的阳极液的体积占阳极室体积的2/3?3/4，阴极液占阴极室体积的2/3?3/4。
[0027]使用本发明装置处理废水时，具体操作如下:
[0028]将产电菌种接种于生物阳极，反硝化菌种接种于生物阴极，阳极室中加入阳极液，硝酸盐或亚硝酸盐废水从进水管进入阴极室内，接通外电路系统。在阳极室微生物的作用下，催化氧化有机物产生电子和质子，电子被阳极捕集并通过外电路转移到阴极上，质子则通过离子交换膜从阳极室迀移到阴极室，在阴极室中反硝化细菌的催化作用下，将硝酸盐或亚硝酸盐逐步还原为氮气，从而同时完成产电及反硝化脱氮过程。在此过程中，负载两端的输出电压被电压采集记录仪测量记录，通过输出电压的变化可监测反硝化进程，便于过程及时调节。
[0029]所述的产电菌种可以选自希瓦氏菌或地杆菌科属或弓形菌属。此处阳极可采用混合细菌，不仅因为混合细菌易于操作、来源广泛，而且混合细菌的产电性能优于纯菌，所述的反硝化菌种可以选自假单胞菌属或是产碱杆菌属，这些菌种均为已知的并且已经在生化处理氨氮废水中广泛应用的菌种，其加入量为0.3?1.2g/L，其浓度可以根据需要进行调整。
【主权项】
1.一种生物阴极型微生物燃料电池废水处理系统，其特征在于，所述系统包括第一进水管(1-1)、第二进水管(1-2)、生物阳极(2)、第一出水管(4-1)、第二出水管(4-2)、阳极室(5)、分隔膜(9)、阴极室(10)和生物阴极(12);所述阳极室(5)下部侧壁设有第一进水管(1-1)，阳极室(5)上部侧壁设有第一出水管(4-1)，阳极室(5)内设有生物阳极(2)，阴极室(10)下部侧壁设有第二进水管(1-2)，阴极室(10)上部侧壁设有第二出水管(4-2)，阴极室(10)内设有生物阴极(12)，阳极室(5)通过分离膜(9)与阴极室(10)相连，所述阳极室(5)内填充有阳极液(3)，所述阴极室(10)内填充有阴极液(11)，所述阳极液⑶中含有产电菌种，所述阴极液中(3)中含有反硝化菌种。
2.根据权利要求1所述的生物阴极型微生物燃料电池废水处理系统，其特征在于，所述的生物阳极(2)和生物阴极(12)的导电材料为石墨毡、石墨板、碳毡或碳布，生物阳极(2)的面积与阳极室(5)的体积之比为8?20m2: lm3，生物阴极(12)的面积与阴极室(10)的体积之比为8?20m2:1m3。
3.根据权利要求1所述的生物阴极型微生物燃料电池废水处理系统，其特征在于，所述的分隔膜(9)的材料为质子交换膜、阳离子交换膜、阴离子交换膜或双极膜。
4.根据权利要求1所述的一种生物阴极型微生物燃料电池废水处理系统，其特征在于，，所述的阳极液⑶的体积占阳极室(5)体积的2/3?3/4，所述的阴极液(11)占阴极室(10)体积的2/3?3/4。
5.根据权利要求1所述的一种生物阴极型微生物燃料电池废水处理系统，其特征在于，所述生物阳极⑵和生物阴极(12)通过连接导线(6)与负载(7)两端相连，所述负载(7)和电压采集记录仪(8)连接。
6.—种微生物燃料电池废水处理废水的方法，包括: 向生物阴极型微生物燃料电池的阴极液和阳极液中分别加入反硝化菌种和产电菌种。
【专利摘要】本发明公开了一种生物阴极型微生物燃料电池废水处理系统和处理废水的方法，该系统主要由阳极室、阴极室、膜组件和外电路系统组成，在阳极室微生物催化氧化有机物产生电子和质子，电子被阳极捕集并通过外电路转移到阴极上，质子则通过分隔膜从阳极室迁移到阴极室，在阴极室中利用微生物作为催化剂将阴极的硝酸盐最终还原为氮气。本发明的目的在于降低微生物燃料电池成本的同时在阴极室实现脱氮。本发明采用生物阴极和阳极产电来促进污染物的降解，可实现同步废水脱氮和生物产电，有效回收含氮废水中蕴含的能量，降低生物脱氮成本，处理效果好，性能高效稳定。
【IPC分类】H01M8-16, C02F3-30
【公开号】CN104773827
【申请号】CN201510172618
【发明人】李浩然, 李洪珊
【申请人】中国科学院过程工程研究所, 中国大洋矿产资源研究开发协会
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月13日