专利名称：一种一体式硝化-反硝化微生物燃料电池的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及生物燃料电池，尤其涉及一种一体式硝化-反硝化微生物燃料电池。
背景技术：
废水处理是高能耗行业。据统计，在我国废水处理设施建设尚不完善的情况下，每年用于废水处理的耗电量就占全国总发电量的1%，而在欧美等西方发达国家更高达3%。随着能源短缺的日益加剧，节能降耗已成为废水处理行业急待解决的现实问题。
微生物燃料电池是一种以微生物为催化剂，将化学能直接转化为电能的装置。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，是废水处理技术的重大创新，不仅可以治污，而且可以回收电能，是可持续的废水处理新技术。由于微生物燃料电池可同时处理废水并产生电能，这项新技术越来越受人们青睐，成为废水处理领域的研发热点。目前，利用微生物燃料电池来处理有机废水，已取得重大进展，无论是对低浓度的生活污水还是对高浓度的工业废水(淀粉废水、酿酒废水、造纸废水)和农业废水(猪场废水)，都显示了较好的适应性，其容积负荷可达十几公斤，COD去除率可达90%以上，功率密度可达几十W/m3或几千mW/m2，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 O然而，现有的微生物燃料电池技术还存在不少缺陷。一是虽然对有机污染物具有较好的去除效果，但对氮素污染物的去除尚不尽如人意。在水体富营养化日趋加剧的背景下，研发微生物燃料电池的脱氮功能已是必然要求，具有同步除碳脱氮功能的微生物燃料电池更加具有应用价值；此外，废水中的氨氮同有机物一样都是电子供体，也可作为燃料，若能充分挖掘氨氮燃料资源，可有效提高原料利用率，并增强微生物燃料电池的产电能力。二是阴极电子受体成本较高，限制了其推广和应用。目前常用的电子受体主要有两类，一类是铁氰化物、高锰酸盐和重铬酸盐等化学氧化剂，这类电子受体传质性好，反应活性高，但不可再生，需经常更换，成本较高，且易造成二次污染；第二类是氧气，来源广泛，廉价易得，产物为水无污染，但其在水中的溶解度较低，还原速率很慢，常需在阴极负载Pt等贵金属催化剂，而且曝气成本也较高。废水中的硝酸盐氮和亚硝酸盐氮也是电子受体，若能将其充分利用，不但可以降低微生物燃料电池的运行成本，还能达到以废治废，一举多得。针对微生物燃料电池技术的诸多缺陷，本实用新型利用一体式硝化-反硝化微生物燃料电池技术来处理含氮废水，以含氮废水为燃料生产电能，实现同步废水脱氮和生物产电，显著降低生物脱氮费用；通过联合硝化反硝化，提高有机污染物和氮素污染物的去除率；利用有机物和氨氮为燃料，提高产电效率，利用硝化产物作为电子受体，以废治废，可有效降低微生物燃料电池的运行成本。试验证明，据此开发的一体式硝化-反硝化微生物燃料电池出水达标效果良好，性能高效稳定，产电功率高。
发明内容[0006]本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种一体式硝化-反硝化微生物燃料电池。—体式硝化-反硝化微生物燃料电池包括支撑底座、曝气区、反应区、硝化阳极、导线、负载、回流管、反硝化污泥、反硝化室、出水管、导气管、阴极液、取样管、反硝化阴极、法兰、分隔膜、取样管、反硝化阴极、穿孔板、硝化室、微孔曝气头、进水管；硝化室设有曝气区和反应区，硝化室底部设有支撑底座，曝气区底部设有进水管，曝气区内部设有微孔曝气头，反应区底部设有穿孔板，反应区侧壁设有取样管，反应区中部设有硝化阳极，反应区内部装有阳极液，阳极液中接种硝化污泥，硝化阳极上附着硝化污泥，反硝化室侧壁设有取样管，反硝化室中部设有反硝化阴极，反硝化室内部装有阴极液，阴极液中接种反硝化污泥，反硝化阴极上附着反硝化污泥，反硝化室上部侧壁设有出水管，反硝化室顶部设有导气管，硝化室和反硝化室通过法兰连接，法兰上固定有分隔膜，硝化室和反硝化室通过回流管连通，负载两端通过导线分别与硝化阳极和反硝化阴极相连。所述的硝化室的体积和反硝化室的体积之比为广2.5:1，硝化室中曝气区的体积和反应区的体积之比为0.Γ0.3:1，硝化污泥的体积与硝化室的体积之比为1/1(Γ /4，反硝化污泥的体积与反硝化室的体积之比为1/1(Γ /4。所述的阳极液为含有有机物和氨氮的废水，pH为7.8 8.5，溶解氧浓度为
0.5^3.0mg/L,阴极液为硝化室的出水，阴极液中含有硝酸盐氮和亚硝酸盐氮。所述的硝化阳极和反硝化阴极的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板，硝化阳极与反硝化阴极之间的距离为5 20cm，硝化阳极的面积与硝化室的体积之比为8 50m2:l m3，反硝化阴极的 面积与反硝化室的体积之比为8飞O 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。所述的穿孔板上分布一系列的同心圆圆孔，圆孔直径为l 3mm。本实用新型与现有技术相比具有的有益效果:(1)能以含氮废水为燃料生产电能，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。
(2)通过联合硝化工艺和反硝化工艺，实现全程脱氮，提高有机污染物和氮素污染物的去除率。(3)同时利用有机物和氨氮为燃料，提高原料利用率，增加产电效率。(4)利用硝化产物硝酸盐氮和亚硝酸盐氮作为微生物燃料电池的电子受体，以废治废，可有效降低微生物燃料电池的运行成本。实验室运试结果表明，一体式硝化-反硝化微生物燃料电池具有良好的同步脱氮除碳产电性能，污染物去除效率高，性能高效稳定。
图1是多功能反硝化微生物燃料电池结构示意图；图2是穿孔板结构示意图；图中:支撑底座1、曝气区2、反应区3、硝化阳极4、导线5、负载6、回流管7、反硝化污泥8、反硝化室9、出水管10、导气管11、阴极液12、取样管13、反硝化阴极14、法兰15、分隔膜16、取样管17、反硝化阴极18、穿孔板19、硝化室20、微孔曝气头21、进水管22。如图1、2所示，一体式硝化-反硝化微生物燃料电池包括支撑底座1、曝气区2、反应区3、硝化阳极4、导线5、负载6、回流管7、反硝化污泥8、反硝化室9、出水管10、导气管11、阴极液12、取样管13、反硝化阴极14、法兰15、分隔膜16、取样管17、反硝化阴极18、穿孔板19、硝化室20、微孔曝气头21、进水管22 ;硝化室20设有曝气区2和反应区3，硝化室20底部设有支撑底座1，曝气区2底部设有进水管22，曝气区2内部设有微孔曝气头21，反应区3底部设有穿孔板19，反应区3侧壁设有取样管13，反应区3中部设有硝化阳极4，反应区3内部装有阳极液17，阳极液17中接种硝化污泥18，硝化阳极4上附着硝化污泥18，反硝化室9侧壁设有取样管13，反硝化室9中部设有反硝化阴极14，反硝化室9内部装有阴极液12，阴极液12中接种反硝化污泥8，反硝化阴极14上附着反硝化污泥8，反硝化室9上部侧壁设有出水管10，反硝化室9顶部设有导气管11，硝化室20和反硝化室9通过法兰15连接，法兰15上固定有分隔膜16，硝化室20和反硝化室9通过回流管7连通，负载6两端通过导线5分别与硝化阳极4和反硝化阴极14相连。所述的硝化室20的体积和反硝化室9的体积之比为f 2.5:1，硝化室20中曝气区2的体积和反应区3的体积之比为0.Γ0.3:1，硝化污泥18的体积与硝化室20的体积之比为1/1(Γ /4，反硝化污泥8的体积与反硝化室9的体积之比为1/1(Γ /4。所述的阳极液4为含有有机物和氨氮的废水，pH为7.8 8.5，溶解氧浓度为
0.5^3.0mg/L,阴极液12为硝化室20的出水，阴极液12中含有硝酸盐氮和亚硝酸盐氮。所述的硝化阳极4和反硝化阴极14的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板，硝化阳极4与反硝化阴极14之间的距离为5 20cm，硝化阳极4的面积与硝化室20的体积之比为8 50 m2:l m3，反硝化阴极14的面积与反硝化室9的体积之比为8 50 m2:l m3。所述的分隔膜16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。所述的穿孔板19上分布一系列的同心圆圆孔，圆孔直径为f 3mm。
硝化污泥接种至硝化室内，含氮废水从进水管进入硝化室曝气区进行曝气充氧，在硝化室反应区，有机物被异养菌分解释放电子，氨氮被硝化菌转化为硝酸盐氮和亚硝酸盐氮并释放电子，完成硝化过程，反硝化室接种反硝化污泥，硝化室出水通过回流管引入反硝化室作为阴极液，残留有机物可作为反硝化电子供体被进一步去除，硝酸盐氮和亚硝酸盐氮被反硝化细菌转化为氮气，完成反硝化过程，实现废水脱氮，阳极液中有机物和氨氮分解释放的电子被硝化阳极接收，硝化阳极接受的电子经连接导线和负载传递到反硝化阴极，电子被阴极液中的硝酸盐氮和亚硝酸盐氮还原，实现产电。
权利要求1.一种一体式硝化-反硝化微生物燃料电池，其特征在于它包括支撑底座(I)、曝气区(2)、反应区(3)、硝化阳极(4)、导线(5)、负载(6)、回流管(7)、反硝化污泥(8)、反硝化室(9)、出水管(10)、导气管(11)、阴极液(12)、取样管(13)、反硝化阴极(14)、法兰(15)、分隔膜(16)、取样管(17)、反硝化阴极(18)、穿孔板(19)、硝化室(20)、微孔曝气头(21)、进水管(22);硝化室(20)设有曝气区(2)和反应区(3)，硝化室(20)底部设有支撑底座(1)，曝气区(2)底部设有进水管(22)，曝气区(2)内部设有微孔曝气头(21)，反应区(3)底部设有穿孔板(19)，反应区(3)侧壁设有取样管(13)，反应区(3)中部设有硝化阳极(4)，反应区(3)内部装有阳极液(17)，阳极液(17)中接种硝化污泥(18)，硝化阳极(4)上附着硝化污泥(18)，反硝化室(9)侧壁设有取样管(13)，反硝化室(9)中部设有反硝化阴极(14)，反硝化室(9)内部装有阴极液(12)，阴极液(12)中接种反硝化污泥(8)，反硝化阴极(14)上附着反硝化污泥(8)，反硝化室(9)上部侧壁设有出水管(10)，反硝化室(9)顶部设有导气管(11)，硝化室(20)和反硝化室(9)通过法兰(15)连接，法兰(15)上固定有分隔膜(16)，硝化室(20)和反硝化室(9)通过回流管(7)连通，负载(6)两端通过导线(5)分别与硝化阳极(4 )和反硝化阴极(14 )相连。
2.根据权利要求1所述的一种一体式硝化-反硝化微生物燃料电池，其特征在于所述的硝化室(20)的体积和反硝化室(9)的体积之比为广2.5:1，硝化室(20)中曝气区(2)的体积和反应区(3)的体积之比为0.Γ0.3:1，硝化污泥(18)的体积与硝化室(20)的体积之比为1/1(Γ /4，反硝化污泥(8)的体积与反硝化室(9)的体积之比为1/1(Γ /4。
3.根据权利要求1所述的一种一体式硝化-反硝化微生物燃料电池，其特征在于所述的阳极液(4)为含有有机物和氨氮的废水，pH为7.8 8.5，溶解氧浓度为0.5^3.0mg/L,阴极液(12)为硝化室(20)的出水，阴极液(12)中含有硝酸盐氮和亚硝酸盐氮。
4.根据权利要求1所 述的一种一体式硝化-反硝化微生物燃料电池，其特征在于所述的硝化阳极(4)和反硝化阴极(14)的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板，硝化阳极(4)与反硝化阴极(14)之间的距离为5 20cm，硝化阳极(4)的面积与硝化室(20)的体积之比为8 50 m2:l m3，反硝化阴极(14)的面积与反硝化室(9)的体积之比为8 50 m2:lm3。
5.根据权利要求1所述的一种一体式硝化-反硝化微生物燃料电池，其特征在于所述的分隔膜(16)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。
6.根据权利要求1所述的一种一体式硝化-反硝化微生物燃料电池，其特征在于所述的穿孔板(19)上分布一系列的同心圆圆孔，圆孔直径为f3mm。
专利摘要本实用新型公开了一种一体式硝化-反硝化微生物燃料电池。它主要由硝化室和反硝化室组成，通过在硝化室接种硝化污泥，以含氮有机废水为燃料，有机物被异养菌分解释放电子，氨氮被硝化菌转化为硝酸盐氮和亚硝酸盐氮并释放电子，反硝化室接种反硝化污泥，硝化室出水引入反硝化室作为阴极液，残留有机物可作为反硝化电子供体被进一步去除，硝酸盐氮和亚硝酸盐氮被反硝化菌转化为氮气，完成全程脱氮，同时硝化阳极接收的电子可由外电路被反硝化阴极接收，实现产电。本实用新型装置结构紧凑，可实现硝化反硝化联合产电，降低生物脱氮费用，利用有机物和氨氮为燃料，提高产电效率，利用硝化产物作为电子受体，以废治废，可有效降低微生物燃料电池的运行成本。
文档编号H01M8/02GK203071172SQ201320042228
公开日2013年7月17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, 王兰, 张萌 申请人:浙江大学