一种多室微生物燃料电池以及高C/N比污水的净化方法

本发明涉及污水处理领域，具体涉及一种多室微生物燃料电池以及高c/n比污水的净化方法。

背景技术：

1、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污水，可在去除污染物的同时，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。

2、但是目前所开发的有膜微生物燃料电池大多为传统双室结构，且阳极室与阴极室的进水水质大多不同，阳极室的出水往往需要与其它工艺进行联合处理，处理后的水作为阴极室的进水。

3、以游离氨(nh3)和铵离子(nh4+)形式存在的化合氮叫做氨氮。氨氮是水体中的营养素，可导致水富营养化现象产生，是水体中的主要耗氧污染物，对鱼类及某些水生生物有毒害。

4、目前氨氮去除工艺主要为生物膜法，首先利用硝化菌将氨氮转变为硝基氮或亚硝基氮，进一步利用反硝化菌使得硝酸盐氮或亚硝酸盐氮转变为氮气，从而达到脱氮的目的，基于这种脱氮原理，现有技术中存在一种阴极硝化耦合阳极反硝化的双室微生物燃料电池，在阴极室进行硝化反应，在阳极室进行反硝化反应进行污水净化处理。

5、对于阴极硝化耦合阳极反硝化的双室微生物燃料电池来说，当以阳离子交换膜作为分隔膜时，阴极室中的硝化产物由于阳离子交换膜的阻隔而无法得到有效去除；当以阴离子交换膜作为分隔膜时，阳极室中的氨氮在厌氧环境下由于阴离子交换膜的阻隔也无法得到有效去除。

6、而且在阴极硝化耦合阳极反硝化的双室微生物燃料电池处理高c/n比污水时，阴极室内的异养型微生物会大量繁殖，又异养型微生物之生长速率较自养微生物块，因此自养型硝化菌无法获得充足的溶解氧而受到抑制，因此阴极硝化耦合阳极反硝化的双室微生物燃料电池事实上处理高c/n比污水时，难以实现有效的有机物和氨氮的同时脱除。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种多室微生物燃料电池以及高c/n比污水的净化方法，以解决现有技术中阴极硝化耦合阳极反硝化的双室微生物燃料电池处理高c/n比污水时难以实现有效的有机物和氨氮的同时脱除的技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

3、一种多室微生物燃料电池，其特征在于，包括多个电极室，所述多个电极室包括相同数量的多个阳极室和多个阴极室，所述阳极室和阴极室交替排布形成序列，前序位电极室与后序位电极室密封固定连接，所述序列的首位为阳极室，序列的末位为阴极室，且末位阴极室与首位阳极室相接形成循环序列；

4、每个电极室内均安装有电极组件，按照序列次序，相邻两极室内的电极组件分别通过电导线连接，同时，末位阴极室与首位阳极室内的电极组件也通过电导线连接；

5、所述每个电极室的侧壁均开设有两个离子通道，按照序列次序，相邻两极室的离子通道位置对应且相连通；

6、按照序列次序，位于前序位的阳极室和与其相邻的后序位的阴极室相连通的离子通道之间安装有阳离子交换膜，位于前序位的阴极室与其相邻的后序位的阳极室相连通的离子通道之间安装有阴离子交换膜，末位阴极室与首位阳极室相连通的离子通道之间安装有阴离子交换膜。

7、本发明公开的多室微生物燃料电池，能够在阳极室内同时实现有机物和氨氮的脱除，通过阳极室与阴极室之间的阳离子交换膜与阴离子交换膜交替排列，前序位的阳极室中的氨氮通过阳离子交换膜迁移至后序位的阴极室，氨氮在后序位的阴极室中进行硝化反应转化成亚硝酸盐与硝酸盐，亚硝酸盐与硝酸盐通过阴离子交换膜迁移至后序位的阳极室中进行反硝化脱氮，在反硝化脱氮时，能够利用后序位阳极室中的厌氧微生物分解污水中大量含碳有机物代谢生成的co2、质子和电子，最终实现高c/n比污水中有机物和氨氮的同时净化。

8、优选的，在各个电极室内设置双电极组件，在同一个电极室中，两个电极组件分别安装于靠近阳离子交换膜和阴离子交换膜的电极室顶壁。这样能够减少相邻阳极室和阴极室之间的电极间距，有效增加电子由阳极向阴极传输的通道，在提高传递速率的同时，使阴阳极间电流增加，进而强化了微生物的催化活性。

9、优选的，所述电极组件包括石墨毡和钛丝，所述石墨毡为片状，且竖向设置于电极室内部；所述钛丝的一端内插于石墨毡上，所述钛丝的一端，钛丝的中段固定于电极室顶壁，钛丝的另一端出露于电极室顶壁之外，所述电导线与出露于电极室顶壁之外的钛丝连接；所述电导线上设置有电阻。

10、所述电导线位于各个电极室外，具体的，电导线端头具有鳄鱼夹，电导线通过鳄鱼夹与钛丝连接，所述电导线优选具有良好导电性能的铜导线。

11、所述石墨毡为微生物载体及集流电极材料，具有微生物附着和电子富集的双重功能，所述钛丝和铜导线具有电子传递功能，所述钛丝具有良好的导电性能，能够降低反应器内阻，提高产电能力，阳极室的石墨毡能够富集电子并将富集的电子通过钛丝和铜导线传递至阴极室，从而实现阳极室和阴极室之间的电子传递功能。所述电阻用于调节电导线上传递的电流的大小，以控制反应速度。

12、优选的，所述各个电极室中开设有参比电极孔，用于安装参比电极，所述参比电极采用银/氯化银参比电极。

13、所述参比电极用于测量电极电势(vs.ag/agcl)随电流密度的变化曲线。

14、优选的，所述各个阴极室内均安装有曝气装置。

15、这样能够实现阴极室处于好氧或缺氧环境。

16、优选的，所述各个电极室的顶壁或侧壁上均开设有进出水口。

17、进出水口方便运行时将污水或缓冲液输入阳极室和阴极室中，同时进出水口还用于在产电周期结束后各个电极室排放出水。

18、优选的，各个阳极室的顶壁还开设有取样口，各个阴极室的顶壁还开设有溶解氧探测口。

19、取样口方便在运行过程中对各个极室内的液体进行取样检测，以便监控运行状态，溶解氧探测口用于伸入溶解氧监测探头以监测第一阴极室和第二阴极室的溶解氧。

20、一种高c/n比污水的净化方法，利用如权利要求1所述的多室微生物燃料电池，其特征在于，包括以下步骤：

21、s1、将相邻极室之间的电极用电导线进行连接，形成电子传递通路；

22、s2、在各个电极室内接种相应种类的污泥，并打开各个阴极室内的曝气装置；

23、s3、在各个电极室中输入相应种类的进水；

24、s4、在各个电极室的产电周期结束后排放出水，完成一次序批式的高c/n比污水的净化过程；

25、s5、重复步骤s4和s5，实现高c/n比污水的连续净化。

26、优选的，步骤s2中，在各个电极室内接种相应种类的污泥的其中一种具体实施方式是，在各个阳极室内接种厌氧污泥，并将各个阳极室进行密封处理；在各个阴极室内接种好氧污泥；对应的，步骤s3中，在各个电极室中输入相应种类的进水是指，将高c/n比污水等量分别输入各个阳极室中；将与输入各个阳极室中的污水量等量的缓冲溶液分别输入各个阴极室中。

27、优选的，步骤s2中，在各个电极室内接种相应种类的污泥的另外一种具体实施方式是，在各个阳极室内接种厌氧污泥，并将各个阳极室进行密封处理；在各个阴极室内接种异养硝化污泥；对应的，步骤s3中，在各个电极室中输入相应种类的进水是指，将高c/n比污水等量分别输入各个电极室中，阳极室和阴极室进水水质相同。

28、本发明具有以下有益效果：

29、本发明公开的多室微生物燃料电池，能够实现有高c/n比污水中有机物和氨氮的同时脱除，通过阳极室与阴极室之间的阳离子交换膜与阴离子交换膜交替排列，前序位的阳极室中的氨氮通过阳离子交换膜迁移至后序位的阴极室，氨氮在后序位的阴极室中进行硝化反应转化成亚硝酸盐与硝酸盐，亚硝酸盐与硝酸盐通过阴离子交换膜迁移至后序位的阳极室中进行反硝化脱氮，在反硝化脱氮时，能够利用后序位阳极室中的厌氧微生物分解污水中大量含碳有机物代谢生成的co2、质子和电子，最终实现高c/n比污水中有机物和氨氮的同时净化。

30、本发明公开的多室微生物燃料电池在多个阳极中产生的电子将在多个阴极上实现更高的氧化速率，增强微生物燃料电池内部的电流通道，提高微生物燃料电池的产电能力，进而增加微生物燃料电池的运行功率，提高产电量，进而提高有机物和氨氮的去除效率。