一种叠加式微生物燃料电池原位测试系统及其应用
【技术领域】
[0001]本发明属于生物电化学技术领域，涉及一种叠加式微生物燃料电池原位测试系统及其应用。
【背景技术】
[0002]微生物燃料电池(MFCs)由于其在污染物处理的同时可持续回收电能这一经济环保的特性，而吸引了越来越多的关注。在MFC中，阳极和阴极通过导电材料相连，有机质在阳极室被产电微生物氧化，产生电子，电子被传递到阳极电极后通过外电路流至阴极，最终被阴极室中可还原化合物利用。MFC被应用于废水中各类有机物的去除已经被广泛报道。MFC不仅可以将有机物降解转化为电能，而且还能利用如硝酸盐和硫酸盐等作为生物阴极的电子受体，进行还原反应，这表明MFC具有利用自身产电特性进行污染物去除的可能，从而为低碳氮比污水提供可行的处理办法。
[0003]在研究生物阴极微生物电化学系统时，电极生物膜的参数及其表现出的电化学信号对于调控及优化MFC处理实际废水的性能十分重要。在大部分的研究中，研究者都借助电化学工作站系统，将配套电极插入MFC系统的电解质中进行原位测试，可获得系统的电化学数据，但都无法直接获得生物膜内部参数及其变化对系统整体性能的影响，而近年来发展较快的微电极为电极生物膜的研究提供了一种可以量化的测试方法，可被运用于电化学系统微生物环境的研究。但由于传统的微生物燃料电池为了减少电极平板之间的距离，而将阳极与阴极电极生物膜竖直平行放置，难以将微电极插入生物膜内部，而采用上下型电极室形式的微生物燃料电池只能测试上极室内生物膜的参数，难以获得同一电化学状态下阳极及阴极电极生物膜的参数，难以将两电极的测试数据进行耦合。
[0004]目前，研究人员也在一直寻找有效方法，用以提高阴极反硝化生物膜对于阳极产电生物膜所产电子的利用效率，试图建立不同电极生物膜膜内参数变化的相关关系，但电极生物膜的厚度通常在几十微米到几毫米左右，普通的电化学测试手段难以对其内外微环境进行表征和分析，而微电极作为一种微创的测试手段，使在空间上微米级的分析成为可能，而被逐渐运用广泛。它不但能够表征生物膜内外沿深度与生物膜表面相垂直方向特征参数的梯度分布情况和膜内部某深度上特征参数的变化情况，而且通过溶解氧电极的使用，可以直接测定生物膜的厚度。
[0005]此外，由于传统微生物燃料电池容积固定，无法根据实验条件的变化(进水流量、污染物浓度)做出相应的调整，也限制了微生物燃料电池的性能测试及实际应用。
[0006]运用微生物燃料电池处理高氨氮废水的相关技术已有出现。
[0007]例如，授权公告号为CN 102290590 B的中国专利公开了一种生物阴极型微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室，所述阴极室包括好氧阴极室和缺氧阴极室；所述阳极室、好氧阴极室和缺氧阴极室内均设有填料，所述填料上均负载产电微生物膜，所述阳极室内为厌氧产电微生物膜，所述好氧阴极室内为好氧产电微生物膜，所述缺氧阴极室内为缺氧产电微生物膜；所述阳极室与所述好氧阴极室之间设有阳离子交换膜；所述阳极室与所述缺氧阴极室之间设有阴离子交换膜；所述阳离子交换膜与所述阴离子交换膜的两侧均设有集电金属网；所述集电金属网的两端分别通过导线相连通，所述导线上设有负载；所述好氧阴极室的底部设有曝气装置。上述专利的技术方案是将阴极分为两部分，上部分进行好氧硝化作用，下部分进行缺氧反硝化作用，虽能对含氮废水取得比较好的处理效果，但由于硝化与反硝化并不是独立分置，因此，污染物去除效率不够高，而且不易根据实际工况条件改变阴阳极室的体积，使用范围有限。
[0008]另，授权公告号为CN 103326053 B的中国专利公开了一种研究微生物电化学的多电极微生物燃料电池系统，由基质储藏罐、蠕动栗；筒式微生物燃料电池、阳极电极、阴极电极、数据采集卡、负载电阻、数据记录和分析仪、三电极系统和电化学工作站组成；所述筒式微生物燃料电池包括筒式壳体、壳体内的阳极室、阴极室及质子交换膜；电化学测试时，直接将阳极电极作为工作电极构成三电极体系，利用电化学工作站进行分析。上述专利的技术方案侧重于调整反应器结构，以便于采用三电极系统连接电化学工作站测试研究电池产电性能，但无法在该构型下将微电极插入同一生长状态下阳极及阴极生物膜，进行生物膜内部性质的测试，且该构型进行生物样的取样分析也具有一定操作难度。
【发明内容】
[0009]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能利用微电极在同一电化学状态下原位测试阳极和阴极生物膜，同时可以根据废水量和污染物浓度变化需求灵活改变阴、阳极室体积的叠加式微生物燃料电池原位测试系统及其应用。
[0010]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0011]一种叠加式微生物燃料电池原位测试系统，该系统包括由至少一个阳极反应模块串联叠加而成的阳极室、由至少一个阴极反应模块串联叠加而成的阴极室、设置在阳极室与阴极室之间的质子交换膜以及分别与阳极室、阴极室相连通的外接硝化反应器，所述的阳极室与阴极室一上一下可对调相对设置，并且所述的阳极室与阴极室之间还设有外接可调电阻电路。
[0012]所述的阳极反应模块包括阳极反应腔室以及水平设置在阳极反应腔室中的阳极生物膜，并且相邻两阳极反应腔室中的阳极生物膜通过电路串联设置；
[0013]所述的阴极反应模块包括阴极反应腔室以及水平设置在阴极反应腔室中的阴极生物膜，并且相邻两阴极反应腔室中的阴极生物膜通过电路串联设置。
[0014]所述的质子交换膜两侧的阳极生物膜与阴极生物膜通过外接可调电阻电路相连接。
[0015]所述的阳极生物膜由阳极碳布以及负载在阳极碳布上的厌氧产电微生物构成；
[0016]所述的阴极生物膜由阴极碳布以及负载在阴极碳布上的缺氧产电微生物构成。
[0017]所述的阳极碳布、阴极碳布均作为电极材料使用，其具有稳定性好、表面平整，便于进行生物膜膜内参数测试的优点。
[0018]所述的厌氧产电微生物为污水处理厂厌氧池污泥驯化得到，所述的缺氧产电微生物为污水处理厂缺氧池污泥驯化得到。
[0019]所述的阳极室与阴极室一上一下相对设置时，所述的阳极室顶端还设有微电极及参比电极，并且所述的微电极的底端与阳极生物膜相接触；
[0020]所述的阴极室与阳极室一上一下相对设置时，所述的阴极室顶端还设有微电极及参比电极，并且所述的微电极的底端与阴极生物膜相接触。
[0021]所述的阳极室设有向阳极室注入废水的第一进水管以及将阳极室的流出液导入外接硝化反应器的第一出水管，并且所述的第一出水管上设有外接蠕动栗；
[0022]所述的阴极室设有将外接硝化反应器的流出液导入阴极室的第二进水管以及将阴极室处理液排出的第二出水管。
[0023]所述的阳极室还设有阳极蠕动栗，所述的废水通过阳极蠕动栗在阳极室中循环流动；
[0024]所述的阴极室还设有阴极蠕动栗，所述的外接硝化反应器的流出液进入阴极室，并通过阴极蠕动栗在阴极室中循环流动。
[0025]采用阳极蠕动栗、阴极蠕动栗有利于阳极室、阴极室实现连续再循环，能有效降低阳极室、阴极室内基质的浓度梯度。
[0026]所述的废水为高氨氮废水。
[0027]所述的外接硝化反应器中填充有活性炭纤维填料，该活性炭纤维填料上负载有挂膜微生物。
[0028]所述的挂膜微生物为污水处理厂好氧池污泥驯化得到。
[0029]所述的活性炭纤维填料的单丝直径为10-20 μ m。
[0030]一种叠加式微生物燃料电池原位测试系统的应用，用于在同一电化学状态下原位测定阳极生物膜或阴极生物膜的特性参数。
[0031]本发明叠加式微生物燃料电池原位测试系统中，还设有三个密封盖，其中，两个为全密封盖，一个为带孔密封盖，该带孔密封盖上设有用于插入微电极和参比电极的小孔。叠加式微生物燃料电池原位测试系统运行时，顶部密封盖采用带孔密封盖，底部为全密封盖；当需要使用微电极测量同一电化学状态下阳极生物膜与阴极生物膜参数时，可将电池反应器上下颠倒，此时，可采用另一个全密封盖供中转使用。在实际使用时，全密封盖、带孔密封盖可以通过紧固元件，如法兰等，与阳极室、阴极室进行固定连接。
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