[發明專利]高效同步脫氮除碳微生物燃料電池

有效

• 申請號: 201310029011.8
• 申請日: 2013-01-25
• 公開（公告）號: CN103094597A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 鄭平;張吉強;厲魏;張萌
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16;H01M4/90;C02F3/34
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 張法高

技術領域

本發明涉及生物燃料電池，尤其涉及一種高效同步脫氮除碳微生物燃料電池。

背景技術

隨著全球經濟的快速增長，能源短缺和環境污染的壓力急劇增大，對人類社會可持續發展構成了嚴重威脅。微生物燃料電池可利用微生物為催化劑將化學能直接轉化為電能，是一種新的清潔能源生產技術，已成為當前能源和環境領域的研究熱點。

廢水中含有許多污染物，蘊含大量化學能。利用MFCs技術來處理廢水，不僅可以治污，而且可以回收電能，它是廢水處理技術的重大創新。由于有機污染物是廢水中的主要污染物，因此人們首先在利用MFCs處理有機廢水方面開展了大量研究，并取得了重大進展。

微生物燃料電池技術在廢水處理領域展示了良好的應用前景，但將其實際應用到廢水處理，還有不少問題亟待解決。首先，現有微生物燃料電池利用厭氧消化技術處理有機廢水已取得了較好效果，但其脫氮效果還不甚理想，在氮素污染日益嚴重的今天，開發具有同步脫氮除碳功能的微生物燃料電池已大勢所趨；其次，陰極成本較高，限制了其推廣和應用，鐵氰化物、高錳酸鹽和重鉻酸鹽等陰極電子受體不可再生，需經常更換，以氧氣為電子受體的陰極負載需Pt等貴金屬催化劑，曝氣耗能大；再次，陽極液易發生酸化，造成工藝失穩，由于分隔膜兩側離子通透性的差異，陽極液pH下降酸化,?使陽極室微生物活性下降，電池輸出功率降低，電池穩定性下降，為維持陽極液pH的穩定，目前多采用在陽極液中添加高濃度磷酸鹽緩沖溶液，成本較高，也易造成二次污染。

厭氧氨氧化是以氨為電子供體，亞硝酸鹽為電子受體產生氮氣的微生物反應。由于經濟高效，厭氧氨氧化工藝已成為廢水脫氮的重要技術。將厭氧氨氧化與厭氧消化技術聯合，可實現同步脫氮除碳；亞硝氮既可以作為厭氧氨氧化的電子供體，也可作為微生物燃料電池的陰極電子供體，可有效降低微生物燃料電池的陰極成本；厭氧氨氧化是一個產堿反應，將其出水回流至陽極室，可有效緩解陽極液酸化問題，降低維護費用，提高其運行穩定性。

針對現有微生物燃料電池技術的諸多缺陷，本發明利用高效同步脫氮除碳微生物燃料電池來處理有機廢水和含氮廢水，實現同步廢水脫氮除碳和生物產電，顯著降低廢水處理費用；利用厭氧氨氧化反應物亞硝酸鹽作為電子受體，可有效降低微生物燃料電池的運行成本；利用厭氧氨氧化出水調節陽極液pH，有效解決陽極液酸化問題，降低維護費用，提高微生物燃料電池的運行穩定性，增大其產電功率。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種高效同步脫氮除碳微生物燃料電池。

高效同步脫氮除碳微生物燃料電池包括厭氧消化污泥、進水管、陽極液、出水管、陽極、厭氧消化室、備用探頭套管、法蘭、分隔膜、導線、負載、厭氧氨氧化室、陰極、陰極液、回流管、厭氧氨氧化污泥；厭氧消化室下部側壁設有進水管，厭氧消化室上部側壁設有出水管，厭氧消化室內設有厭氧消化陽極，厭氧消化室內裝有陽極液，陽極液中接種厭氧消化污泥，厭氧消化陽極上附著厭氧消化污泥，厭氧消化室頂部設有備用探頭套管，厭氧氨氧化室下部側壁設有進水管，厭氧氨氧化室上部側壁設有出水管，厭氧氨氧化室內設有厭氧氨氧化陰極，厭氧氨氧化室內裝有陰極液，陰極液中接種厭氧氨氧化污泥，厭氧氨氧化陰極上附著厭氧氨氧化污泥，厭氧氨氧化室頂部設有備用探頭套管，厭氧消化室和厭氧氨氧化室通過法蘭連接，法蘭上固定有分隔膜，厭氧消化室和厭氧氨氧化室通過回流管連通，負載兩端通過導線分別與厭氧消化陽極和厭氧氨氧化陰極相連。

所述的厭氧消化室的體積和厭氧氨氧化室的體積之比為1:1，厭氧消化污泥的體積與厭氧消化室的體積之比為1/10~1/4，厭氧氨氧化污泥的體積與厭氧氨氧化室的體積之比為1/10~1/4。

所述的陽極液為有機廢水，陰極液為含氨和亞硝酸鹽廢水。

所述的厭氧消化陽極和厭氧氨氧化陰極的導電材料為碳紙、碳布、碳氈、石墨氈或石墨板，厭氧消化陽極和厭氧氨氧化陰極之間的距離為2~10cm，厭氧消化陽極的面積與厭氧消化室的體積之比為8~50?m²:1?m³，厭氧氨氧化陰極的面積與厭氧氨氧化室的體積之比為8~50?m²:1?m³

所述的分隔膜的材料為陽離子交換膜、陰離子交換膜、質子交換膜、雙極膜、微濾膜或超濾膜。