一种三阳极共用单阴极型脱氮微生物燃料电池的制作方法

本发明涉及一种三阳极共用阴极型脱氮微生物燃料电池，特别涉及微生物燃料电池装置的结构设计，属于生活污水及工业废水处理技术领域。

背景技术：

微生物燃料电池是利用微生物催化作用使有机物如有机酸、蛋白质、糖类等降解，将化学能直接转化为电能的装置，具有效率高、无污染等特点。利用微生物燃料电池处理实际生活污水，可在高效去除污染物的同时，实现有效产电。近年来，关于利用微生物燃料电池技术实现有机物降解和氮类物质去除已成为研究热点。但是目前所开发的有膜微生物燃料电池大多为传统双筒式结构，存在内阻较大、产电量较低等不足。

技术实现要素：

技术问题：针对现有技术的缺陷与不足，本发明提出一种三阳极共用单阴极型脱氮微生物燃料电池，该电池结构采用生物阴极代替Pt阴极，降低传统MFC成本的同时，阳极COD去除率及阴极硝态氮去除率分别在80％和50％以上。采用三阳级结构，有效增加质子和电子由阳极向阴极传输的通道，在提高传递效率的同时，使阴阳极间电流增加，系统自身产生的弱电场也加强了阴阳极微生物的催化活性，从而进一步提高脱氮效率。该微生物燃料电池集污水产电和高效脱氮于一体，具有节能减排意义。

技术方案：本发明是一种三阳极共用单阴极型脱氮微生物燃料电池，该电池主要包括三个阳极室、一个阴极室、三个阴阳极室连接结构和三根钛导线及三个电阻；三个阳极室即第一阳极室、第二阳极室、第三阳极室分布于阴极室周边，且在内部分别通过阴阳极室连接结构与阴极室连接；在外部分别通过三根钛导线即第一钛导线、第二钛导线、第三钛导线及三个电阻即第一电阻、第二电阻、第三电阻与阴极室连接，构成闭合电路；取样口和进水口分别位于三个阳极室的两侧。

阳极室反应产生的电子通过外部钛导线与电阻传递到阴极室，阳极室反应产生的质子通过阴阳极室连接结构与位于连接结构中间的质子交换膜传递到阴极室，在阴极室内实现生物脱氮。含有有机物的污水从阳极进水口进入阳极室，含有硝酸盐的废水从阴极进水口进入阴极室，阳极出水通过阳极出水口排出，阴极出水通过阴极出水口排出，阳极产气通过阳极排气孔收集，阴极产气通过阴极排气孔排放。

阴阳极室连接结构由两块穿孔有机玻璃板组成，两块阴阳极室连接结构间设有两块环氧橡胶垫，两块环氧橡胶垫间设有质子交换膜，用于实现阳极反应产生的质子向阴极的流动；阴阳极室连接结构由螺丝螺母固定，确保密闭；三个阳极室分别通过阴阳极室连接结构与阴极室连接，且三个阳极室上部均由密闭有机玻璃板及环氧橡胶垫密封，密闭有机玻璃板上开有橡胶塞孔及参比电极放置口，用于固定橡胶塞，橡胶塞分别用于钛导线穿出及参比电极放置，取样口用于阳极水样分析测试。

三个阳极室处于厌氧环境，产电菌和非产电菌共同降解有机物，反应生成的质子通过质子交换膜传递到阴极室；阴极室采用反硝化菌作为生物催化剂，阴极石墨毡上微生物利用通过钛导线从阳极传递过来的电子，对阴极室废水中的硝酸盐进行反硝化脱氮。阴极采用反硝化菌代替Pt作为生物催化剂，降低反应器成本的同时，阳极COD去除率及阴极硝态氮去除率分别在80％和50％以上。

含有一定浓度有机物的污水从阳极进水口进入阳极室，阳极室处于厌氧环境，其石墨毡上附着着大量微生物，可以将污水中大量含碳有机物代谢生成CO₂、质子和电子，质子通过阴阳极室连接结构，穿过质子交换膜进入阴极室，电子通过具有导电性的钛导线及外部电阻，到达阴极室，形成外电流。含有一定浓度的硝酸盐污水通过阴极进水口进入阴极室，阴极室中石墨毡上附着反硝化菌。在阴极室中，污水中硝酸盐氮通过附着在石墨毡上反硝化菌的作用，通过质子交换膜传递过来的质子以及外电路传递的电子生成水和氮气，完成脱氮过程。

本发明所述的装置还包括阴阳极室连接结构，由两块穿孔有机玻璃板组成，阴阳极室连接结构间设有两块环氧橡胶垫，环氧橡胶垫间设有质子交换膜。穿孔有机玻璃板之间用螺丝螺母嵌合在一起，确保密闭。

本发明所述的装置还包括石墨毡与钛导线之间的连接，将钛导线弯曲成不同形状，内插在石墨毡上，从而使得石墨毡固定在钛导线上，以保证石墨毡与集流钛导线电流传导的畅通。

本发明所述的装置还包括阴极采用培养驯化的反硝化菌代替Pt作为生物催化剂，降低反应器成本，同时对污水中硝酸盐进行反硝化，净化污水。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性进步：本发明采用与传统单阳极单阴极微生物燃料电池不同的三阳极单阴极结构，能够在不增加阳极室体积的同时，增加阳极室有效反应区，从而提高阳极库仑效率；采用反硝化菌作为阴极催化剂，降低反应器成本，同时对污水中硝酸盐进行反硝化，净化污水；采用吸附能力强的石墨毡作为微生物载体及集流电极材料、导电性能好的钛线作为导线，能够降低反应器内阻，提高产电能力；阴阳极室连接结构及质子交换膜的布置设计，可以提高反应器内部电流通道，降低MFC内阻，提高产电能力；三阳级结构的布置设计，可以有效增加质子和电子的传输通道，同时提高产电，使系统自身产生的弱电场刺激增强阴阳极微生物的生理活性，进一步提高脱氮效率。总之，本发明有效地解决了现有技术的不足与缺陷，和以往微生物燃料电池相比，具有成本低、能高效脱氮、内阻低、产电能力强，适合长期间歇运行等特点，同时其操作性和安全性也得到了进一步提高。该装置适合处理高浓度有机废水的降解和高浓度硝酸盐废水的脱氮。

附图说明

图1为本发明反应器结构示意图；

图2为图1中的A向视图；

图3为图1中的B向视图；

图4为a-a剖面图；

图5为三阳级串联微生物燃料电池组等效电路图；

图6为MFC的启动与稳定运行图；

图7为三阳级共用单阴极型微生物燃料电池极化曲线与功率密度曲线图。

图中有：第一阳极室1a、第二阳极室1b、第三阳极室1c、阴极室2、阴阳极室连接结构3、质子交换膜4、石墨毡5、第一钛导线6a、第二钛导线6b、第三钛导线6c、第一电阻7a、第二电阻7b、第三电阻7c、阳极进水口8、阳极出水口9、阴极进水口10、阴极出水口11、阳极排气孔12、阴极排气孔13、环氧橡胶垫14、密闭有机玻璃板15、固定螺丝螺母16、橡胶塞17、参比电极放置口18、阳极取样口19。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明是一种三阳极共用阴极型微生物燃料电池，能够去除有机物，并实现阴极脱氮。本装置主要由三个阳极室、一个阴极室和阴阳极室连接结构组成。

图1为本发明的结构示意图。主要包括三个阳极室即第一阳极室1a、第二阳极室1b、第三阳极室1c、阴极室2、阴阳极室连接结构3和三根钛导线即第一钛导线6a、第二钛导线6b、第三钛导线6c，及三个电阻即第一电阻7a、第二电阻7b、第三电阻7c；三个阳极室分布于阴极室2周边，且在内部分别通过阴阳极室连接结构3与阴极室2连接，在外部分别通过钛导线及电阻与阴极室2连接，构成闭合电路。阳极室反应产生的电子通过外部钛导线与电阻传递到阴极室，阳极室反应产生的质子通过阴阳极室连接结构3与位于连接结构中间的质子交换膜4传递到阴极室，在阴极室内实现生物脱氮。含有有机物的污水从阳极进水口8进入阳极室，含有硝酸盐的废水从阴极进水口10进入阴极室，阳极出水通过阳极出水口9排出，阴极出水通过阴极出水口11排出，阳极产气通过阳极排气孔12收集，阴极产气通过阴极排气孔13排放。

阴阳极室连接结构3由两块穿孔有机玻璃板组成，两块阴阳极室连接结构3间设有两块环氧橡胶垫14，两块环氧橡胶垫14间设有质子交换膜4，用于实现阳极反应产生的质子向阴极的流动；阴阳极室连接结构3由螺丝螺母16固定，确保密闭；三个阳极室分别通过阴阳极室连接结构3与阴极室2连接，且三个阳极室上部均由密闭有机玻璃板15及环氧橡胶垫14密封，密闭有机玻璃板15上开有橡胶塞孔17及参比电极放置口18，用于固定橡胶塞，橡胶塞分别用于钛导线穿出及参比电极放置，取样口19用于阳极水样分析测试。

图2为图1中的A向视图，将钛导线弯曲成不同形状，内插在石墨毡5上，从而使得石墨毡5固定在钛导线上，以保证石墨毡5与集流钛导线电流传导的畅通。图3为图1中的B向视图，含有有机物的污水从阳极进水口8进入阳极室，阳极出水通过阳极出水口9排出。图4为a-a剖面图，阴阳极室连接结构3由两块穿孔有机玻璃板组成，两块阴阳极室连接结构3间设有两块环氧橡胶垫14。

含有一定浓度有机物的污水从阳极进水口进入阳极室，阳极室中石墨毡上附着着大量产电菌和非产电菌，可以将污水中大量含碳有机物代谢生成CO₂、质子和电子，其中代谢产物通过阳极出水口流出，CO₂经由阳极排气孔排出，质子通过阴阳极室连接结构，穿过质子交换膜进入阴极室，电子通过具有导电性的钛导线及电阻，到达阴极室，形成外电流。含有一定浓度的硝酸盐污水通过阴极进水口进入阴极室，阴极室中石墨毡上附着反硝化菌。在阴极室中，污水中硝酸盐氮在附着于石墨毡上的反硝化菌作用下，通过质子交换膜传递过来的质子以及外电路传递的电子生成水和氮气，完成脱氮过程，反应产物由阴极出水口流出，气体经由阴极排气孔排出。

将本发明反应器进行试验，设置反应条件：固定外电阻值为1000Ω，等效连接电路如图5所示，阳极进水COD浓度为600mg/L，阴极NaNO₃浓度约为112mg/L，阴阳两极进水分别按照1L:1mL的比例加入如表1所示的微量营养元素。试验完成时，阳极COD去除率达到87.20％，阴极硝酸盐去除率为75.52％，阴极库仑效率为99.5％，最大功率密度输出为795.70mW.m^-3。说明本发明反应器可在高效产电的同时，有效实现阳极有机物降解、阴极脱氮。

表1微量营养元素配方表

图6为本发明反应器在驯化过程中的电压输出图，由图6可见，三阳极共用单阴极型微生物燃料电池装置是可行的，接种后MFC的电压不断上升，三个周期的稳定产电时间逐渐缩短，以乙酸钠为底物的MFC获得了可重复的最大电压输出412±1mV。

图7为本发明反应器在试验中的极化曲线，三阳级共用单阴极型微生物燃料电池的最大功率密度为338.35mW·m^-3(相对于阴极室净体积)，最大功率密度在外电阻为405.06Ω处获得。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。