一种基于零价铁的同步脱氮除磷微生物燃料电池的制作方法

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种基于零价铁的同步脱氮除磷微生物燃料电池。

背景技术：

目前，我国水体有机物含量得到有效控制，氮磷污染上升为主要环境问题。传统反硝化技术多采用有机物作为电子供体，传统生物除磷技术也需要有机物作为生物摄磷的能源物质。对于低C:N:P比废水的处理，额外添加有机物不仅增加投资成本，易造成二次污染，同时加大温室气体的排放。探寻针对低C:N:P比废水的新型脱氮除磷技术意义重大。

铁和铁盐是水处理过程中应用广泛的药剂，包括零价铁、二价铁盐和三价铁盐等。零价铁价格低廉、来源丰富、且具有更强的供电子潜能。利用零价铁作为反硝化电子供体，产生的二价铁用于废水除磷同时生成蓝铁矿，不仅可实现水体的同步脱氮除磷，还可实现水体中磷资源的回收再利用。

然而零价铁作为反硝化电子供体，产生的二价铁不稳定，极易被氧化为三价铁或是以铁氧化物的形式堆积在微生物细胞表面，丧失除磷功能；即便少量溶解性二价铁与磷酸盐反应生成蓝铁矿，但蓝铁矿吸附于微生物表面，难以实现蓝铁矿的分离。如何提取零价铁脱氮产物二价铁，并将其单独运用于除磷是基于零价铁的同步脱氮除磷技术的关键所在。

技术实现要素：

本实用新型针对我国废水低C:N:P比现状，提出一种基于零价铁的同步脱氮除磷微生物燃料电池，本实用新型利用铁碳电极实现电子从阳极向阴极的转移，产生电能供回收利用；铁阳极失去电子，生成的溶解性二价铁与磷酸盐反应生成蓝铁矿，实现废水中磷资源的去除和回收；碳阴极得到电子，碳阴极表面的反硝化生物膜利用该电子将硝酸盐还原为氮气，实现废水脱氮。

为了实现上述目的，本实用新型采用的具体技术方案如下：

一种基于零价铁的同步脱氮除磷微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室内分别填充有产电基质和耗电基质，阳极室上从上至下依次设有阳极室进水口、阳极室出水口和阳极产物排出口，阳极室中，阳极室进水口与阳极室出水口之间的部分为阳极室反应区，阳极室反应区设有阳极电极，阳极电极材质为零价铁，且处于产电基质液面以下；

阴极室上从上至下依次设有排气口、阴极室进水口、阴极室出水口和阴极生物膜排出口，阴极室中，阴极室进水口和阴极室出水口之间的部分为阴极室反应区，阴极室反应区设有阴极电极，阴极电极上附着有具有脱氮功能的阴极生物膜，阴极电极处于耗电基质液面以下；

阳极室反应区与阴极室反应区通过管路连通，管路中设有质子交换膜。

阳极室和阴极室均为中空结构，上端均设有密封法兰，密封法兰上可拆卸连接有密封盖，阳极电极悬挂于阳极室的密封盖，并处于阳极室反应区的中部，阳极电极上连接有外接导线，外接导线的一端延伸至阳极室的外部；

阴极电极悬挂于阴极室的密封盖，并处于阴极室反应区的中部，阴极电极上连接有外接导线，外接导线的一端延伸至阳极室的外部。

排气口设置于阴极室的密封盖上，阳极室和阴极室的密封盖上均设置有外接导线口，阳极电极上连接的外接导线和阴极电极上连接的外接导线从外接导线口处分别延伸至阳极室的外部和阴极室的外部。

阳极室和阴极室的下端分别在阳极室出水口下部和阴极室出水口下部设置有阳极产物收集斗和脱落生物膜收集斗，阳极产物排出口和阴极生物膜排出口分别设置在阳极产物收集斗和脱落生物膜收集斗的下部。

阳极产物收集斗和脱落生物膜收集斗均为倒锥形结构，阳极产物收集斗的倾角为60±2°，脱落生物膜收集斗的倾角为55±2°。

阳极室和阴极室分别于阳极室反应区的中部和阴极室反应区的中部垂直连接有连通管，阳极室反应区和阴极室反应区均分别与连通管连通，连通管的自由端均设置有用于将阳极室和阴极室连接为一体的连接法兰，两个法兰连接，质子交换膜设置于连接法兰处。

阳极电极为长方形铁片，阳极电极的高宽比为(2.5:1)～(3.5:1)，阳极电极的表面积与阳极室总体积之比为(1cm²:8cm³)～(1cm²:12cm³)，阳极电极的顶部距产电基质液面的距离至少为30mm。

阴极电极为长方形碳毡片，高宽比为(2.5:1)～(3.5:1)，阴极电极的表面积与阴极室总体积之比为(1cm²:8cm³)～(1cm²:12cm³)；阴极生物膜为反硝化菌生物膜。

阳极室和阴极室的高径比均为3.5:1～4.5:1，顶空占比为10％～15％；质子交换膜的面积与阳极室和阴极室的提及之和的比为(1cm²:50cm³)～(1cm²:70cm³)。

产电基质为含磷酸盐的产电基质，耗电基质为含硝酸盐的耗电基质。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型的微生物燃料电池阳极电极的材质为零价铁，阴极电极上附着有具有脱氮功能阴极生物膜，在阳极室设置上阳极室进水口和阳极室出水口，阴极室上设置阴极室进水口和阴极室出水口，在使用时，将含磷酸盐的废水由阳极室进水口通入阳极室内，将含硝酸盐的废水由阴极室进水口通入阴极室内，当阳极电极和阴极电极分别与负载电连接后，阳极电极失电子成为可溶性二价铁离子并进入阳极反应区，二价铁离子与含磷酸盐废水中的磷酸根离子反应生成蓝铁矿沉淀，实现除磷；生成的蓝铁矿沉淀经由阳极产物排出口排出，经处沉淀反应后的不含磷废水由阳极室出水口排出；阴极电极获得阳极电极失去的电子，阴极生物膜利用该电子将含硝酸盐废水中的硝酸盐还原为氮气，实现脱氮；产生的氮气由排气口排出；经脱氮后的不含氮废水由阴极室出水口排出；在阳极室进行除磷以及阴极室进行脱氮的过程中，阳极室和阴极室之间通过质子交换膜进行质子交换，使阳极室和阴极室之间的维持电荷平衡；通过上述，本实用新型的燃料电池能够利用磷酸盐废水中的磷以及含硝酸盐废水中的氮进行产电，并且能够实现对含磷酸盐废水中的磷以及含硝酸盐废水中的氮进行同步连续处理，本实用新型的燃料电池以零价的铁片作为废水生物脱氮的电子供体，能够避免有机物的额外添加，节省成本，减少温室气体排放，本实用新型能够以蓝铁矿形式回收磷，同步实现磷去除和磷回收，一举两得且变废为宝，由于本实用新型的燃料电池具有上述性能，因此能够利用低C:N:P的废水产电并能够去除低C:N:P废水中的磷和氮，具有经济环保的特点。

进一步的，阳极电极为铁片，因此铁片价廉易得，成本低。

附图说明

图1是本实用新型基于零价铁的同步脱氮除磷微生物燃料电池的结构示意图；

图2是本实用新型基于零价铁的同步脱氮除磷微生物燃料电池俯视图；

图3是图1的A-A截面示意图；

图4是图1的B-B截面图；

图中：1-阳极产物排出口，2-阳极产物收集斗，3-阳极室出水口，4-阳极室反应区，5-阳极电极，6-阳极室进水口，7-密封盖，8-密封法兰，9-外接导线口，10-阴极生物膜排出口，11-脱落生物膜收集斗，12-阴极室出水口，13-阴极室反应区，14-阴极生物膜，15-阴极电极，16-阴极室进水口，17-排气口，18-质子交换膜，19-导线，20-负载，21-电信号采集系统，22-连通管。

具体实施方式

下面结合具体附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。若没有特殊说明或冲突，各优选实施方式可以任意组合。

参照图1，本实用新型的基于零价铁的同步脱氮除磷微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室内分别填充有产电基质和耗电基质，其中产电基质为含磷酸盐的产电基质，耗电基质为含硝酸盐的耗电基质；阳极室和阴极室均为中空结构，上端均设有密封法兰8，密封法兰8上可拆卸连接有密封盖7，阳极室和阴极室的密封盖7上均设置有外接导线口9；

阳极室上从上至下依次设有阳极室进水口6、阳极室出水口3和阳极产物排出口1，阳极室中，阳极室进水口6与阳极室出水口3之间的部分为阳极室反应区4，阳极室反应区4设有阳极电极5，阳极电极5处于产电基质液面以下；阳极电极5悬挂于阳极室的密封盖7，并处于阳极室反应区4的中部，阳极电极5上连接有外接导线19，阳极电极5上连接的外接导线19从外接导线口9处延伸至阳极室的外部；

阴极室上从上至下依次设有排气口17、阴极室进水口16、阴极室出水口12和阴极生物膜排出口10，排气口17设置于阴极室的密封盖7上，阴极室中，阴极室进水口16和阴极室出水口12之间的部分为阴极室反应区13，阴极室反应区13设有阴极电极15，阴极电极15上附着有具有脱氮功能的阴极生物膜14，阴极电极15处于耗电基质液面以下；阴极电极15悬挂于阴极室的密封盖7，并处于阴极室反应区13的中部，阴极电极15上连接有外接导线19，阴极电极15上连接的外接导线19从外接导线口9处延伸至阴极室的外部；

阳极室和阴极室分别于阳极室反应区4的中部和阴极室反应区13的中部垂直连接有连通管22，阳极室反应区4和阴极室反应区13均分别与连通管22连通，连通管22的自由端均设置有用于将阳极室和阴极室连接为一体的连接法兰，两个法兰连接，在连接法兰处设置质子交换膜18，阳极室基质与阴极室基质通过质子交换膜18进行物质交换。

参照图1、图3和图4，本实用新型的阳极电极5和阴极电极15均为外形相同的板状结构，其中，阳极电极5为铁片，阳极电极5的顶部距产电基质液面的距离至少为30mm。阴极电极15为碳毡片，阴极生物膜14为反硝化菌生物膜。阳极室和阴极室的高径比均为(3.5:1)～(4.5:1)，顶空占比为10％～15％，顶空占比为阳极室(或阴极室)的顶空与阳极室的容积(或阴极室的容积)之比)。

本实用新型的阳极室和阴极室的下端分别在阳极室出水口3下部和阴极室出水口12下部设置有阳极产物收集斗2和脱落生物膜收集斗11，阳极产物排出口1和阴极生物膜排出口10分别设置在阳极产物收集斗2和脱落生物膜收集斗11的下部。

其中阳极产物收集斗2和脱落生物膜收集斗11均为倒锥形结构，阳极产物收集斗2的倾角为60±2°，脱落生物膜收集斗11的倾角为55±2°。

通过本实用新型的微生物燃料电池进行脱氮除磷的过程如下：

步骤1，阳极室采用续批式操作，将含磷酸盐的废水由阳极室进水口6通入阳极室内，使含磷酸盐的废水的液面高于阳极电极5的顶端；

阴极室采用续批式操作，将含硝酸盐的废水由阴极室进水口16通入阴极室内，使含硝酸盐的废水的液面高于阴极电极15的顶端；

步骤2，将阳极电极5和阴极电极15分别与负载20电连接，则在阳极室中，阳极电极5失电子成为可溶性离子并进入阳极反应区4，可溶性离子与含磷酸盐废水中的磷酸根离子反应生成沉淀，实现除磷；生成的沉淀经阳极产物收集斗2收集，再由阳极产物排出口1排出，经处沉淀反应后的不含磷废水由阳极室出水口3排出；

在阴极室中，阴极电极15获得阳极电极5失去的电子，阴极生物膜14利用该电子将含硝酸盐废水中的硝酸盐还原为氮气，实现脱氮；产生的氮气由排气口17排出；经脱氮后的不含氮废水由阴极室出水口12排出；

在阳极室进行除磷以及阴极室进行脱氮的过程中，阳极室和阴极室之间通过质子交换膜18进行质子交换，使阳极室和阴极室之间的维持电荷平衡；

在阴极室中，随着脱氮反应的进行，阴极生物膜14的外层逐渐老化并脱落，脱落的阴极生物膜14经脱落生物膜收集斗11收集后，再由脱落生物膜排出口10排出，当阴极生物膜14的脱落量达到设定量之后，对阴极生物膜14或将阴极电极和阴极生物膜14整体进行更换。

优选的，当采用铁片作为阳极电极时，铁片失电子成为可溶性二价铁进入阳极反应区4，二价铁与含磷酸盐废水中的磷酸根离子反应生成蓝铁矿沉淀。

实施例

如图1至图4所示，将阳极室阳极电极5与阴极室阴极电极15通过外接导线19相连接，外接导线19上设置负载20，再在负载20两端并联接入电信号采集系统21。

本实用新型的燃料电池中，各部件的尺寸及比例可视实际情况进行设定。在本实施方案中，阳极室和阴极室高径比均为4:1，阳极室出水口3到阳极产物收集斗2顶部距离为阳极室总高的1/12，阳极室进水口6到密封法兰8下端面的距离为阳极室总高的1/8，阳极室的顶空占比12.5％；阴极室出水口12到脱落生物膜收集斗11顶部距离为阴极室总高的1/12，阴极室进水口16到密封法兰8下端面的距离为阴极室总高的1/8，阴极室的顶空占比12.5％。阳极电极材料为铁片，阳极电极5为长方形，高宽比为3:1，阳极电极5的表面积与阳极室总体积之比为1cm²：10cm³。除磷产物收集斗2的倾角为60°，除磷产物排出口1与除磷产物收集斗2的内径比为1:3。阴极电极15为长方形碳毡片，阴极电极15的表面附着反硝化菌生物膜14；阴极电极15的高宽比为3:1，其表面积与阴极室总体积之比为1cm²：10cm³。脱落生物膜收集斗11的倾角为55°，脱落生物膜排出口10与脱落生物膜收集斗11的内径比为1:6。质子交换膜18的膜面积与阴极室和阳极室容积之和之比为1cm²：60cm³。经过试验，上述尺寸及比例能够较好地完成本实用新型的试验目的。

本实施例中，基于零价铁的同步脱氮除磷微生物燃料电池采用有机玻璃制作，其工作过程如下：

阳极室采用续批式操作，含磷酸盐的模拟废水由阳极室进水口6进入阳极室反应区4，含磷酸盐的模拟废水的阳极室反应区4形成产电基质；阳极电极5铁片失电子成为可溶性二价铁进入阳极反应区4，二价铁与产电基质中的磷酸根离子反应生成蓝铁矿沉淀；蓝铁矿沉淀经除磷产物收集斗2收集，由除磷产物排出口1排出；经处理过的不含磷废水由阳极室出水口3排出。阳极电极5失去的电子经由外接导线19传送至阴极电极15，产生的电信号可通过电信号采集系统21进行监测。阴极室采用续批式操作，含硝酸盐的模拟废水由阴极室进水口16进入阴极室反应区13，含硝酸盐的模拟废水在阴极室反应区13形成耗电基质；阴极电极15获得来自阳极室阳极电极5的电子，附着于阴极电极15上的阴极生物膜14利用该电子将耗电基质中的硝酸盐还原为氮气，实现脱氮；产生的氮气由排气口17排出；经处理过的不含氮废水由阴极室出水口12排出；随着反应的进行，阴极生物膜14外层逐渐老化并脱落，脱落的生物膜经脱落生物膜收集斗11收集后由脱落生物膜排出口10排出。为维持阳极室和阴极室的电荷平衡，产电基质与耗电基质通过质子交换膜18进行质子交换。

综上，本实用新型能够破解我国低C/N比废水脱氮除磷难题，实现废水磷资源和电能的回收，具有经济、环保和资源再利用等多重优势。