[發明專利]序批式電極反轉微生物燃料電池及其應用

有效

• 申請號: 201310612780.0
• 申請日: 2013-11-25
• 公開（公告）號: CN103715444A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 張捍民;張廣毅
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于環境工程技術領域，涉及污水處理及中水回用技術，特別涉及電極厭氧/好氧/缺氧序批運行而極性反轉的微生物燃料電池，產電同步去除碳氮磷的污水處理方法。

背景技術

我國面臨水資源短缺和水污染嚴重的雙重壓力，中水回用是解決該問題的有效手段之一，SBR反應器采用時間分割代替空間分割的方式，集生物降解、沉淀等功能于一池，構造簡單，運行靈活，具有脫氮除磷效果，且利于污水處理廠的擴建和改造。

隨著全球人口和經濟規模的不斷增長，化石能源使用帶來的環境問題也愈發嚴重。發展以低碳能源為特征的新型能源來逐步替代傳統能源，是解決化石能源枯竭和環境污染問題的重要途徑。生物質能是太陽能以化學能形式貯存在生物質中的能量形式，是具有廣泛使用價值的新能源。微生物燃料電池技術是將廢水看作是能源與資源的載體，利用有機污染物作為燃料，將生物質能進一步轉化為最清潔的能源—電能，實現廢水處理和電能產生的統一，可在技術上支持和推動“低碳經濟”的發展。

隨著人們生活水平的提高，城市污水氮含量相對增加，呈現出高氮/碳比的特征，微生物燃料電池（Microbial?Fuel?Cell，MFC）生物陰極負載的微生物可以直接以電極作為電子供體，以硝酸鹽或亞硝酸鹽作為最終電子受體，進行反硝化，可以提高低碳氮比廢水的脫氮效率。Clauwaert等首次研究了生物陰極對于硝酸鹽的還原作用，發現電極可以作為電子供體在微生物的作用下實現硝酸鹽的完全反硝化，拓寬了微生物燃料電池所能轉化去除的污染物范疇。Virdis等研究了生物陰極微生物燃料電池同時脫氮除碳，在陰極，通過外加硝化反應器或者在線曝氣實現同步硝化反硝化，實現氮污染物的去除，該研究組提出了陰極生物膜的分層，對于同步硝化反硝化實現氮化合物的去除起決定性的作用。

然而，微生物燃料電池作為一種獨立的污水處理技術很難滿足日益嚴格的出水標準，所以各種各樣的MFC耦合其他水處理技術不斷涌現，如MFC-MBR，MFC-RBC等。MFC-SBR的耦合技術也有相應的研究，Liu等將一個MFC反應器放置于一個活性污泥系統（SBR）中，整個SBR反應器作為陰極室，水流依次經過MFC，進入陰極室（SBR），最終形成出水。顯然，該系統并沒有實現真正意義上的耦合，而是兩種反應器物理意義上的簡單相加堆疊。

Cheng等研究發現，MFC中馴化培養的陽極生物膜不僅可以很好地完成有機物的氧化，向電極傳遞電子（陽極反應），而且在向這些生物膜提供電子受體時（氧氣或者硝酸氮），可以實現從電極上接受電子，進行還原反應（陰極反應）。也就是說，同一生物膜在不同條件下可以催化兩種截然不同的氧化還原反應，實現方向相反的電子（電流）傳遞方向。該方法可以緩解傳統微生物燃料電池由于長期運行而產生的pH梯度，從而可以降低由此而產生的氧化還原反應過電勢，提高微生物燃料電池的產電效率。生物陰極的生物膜和陽極電活性菌生物膜的菌落組成相似性也說明了催化這兩種反應的菌落可能是同一組細菌。

發明內容

本發明目的是提供一種極室序批運行的微生物燃料電池，用于回收電能，同時完成碳氮磷污染物的去除。用該方法設計及建造的序批式電極反轉微生物燃料電池，不僅可以抑制產甲烷菌的生長，減緩pH梯度，催化陰陽極反應，提高MFC的效率；而且可以在一個周期內，厭氧段釋磷，好氧段吸磷，實現磷的去除。該發明有利于促進水污染控制技術的節能降耗、實現可持續發展。

本發明采用的技術方案是：

一種序批式電極反轉微生物燃料電池，該電池包括兩個對稱的SBR反應器，兩個對稱的SBR反應器的中間有墊片用于固定交換膜，且防止漏水；每個SBR反應器作為半電池，經歷厭氧階段、好氧階段和缺氧階段，電動機安裝在反應器頂部，厭氧階段和缺氧階段通過電動機帶動攪拌桿攪拌；好氧階段通過位于SBR反應器底部的曝氣頭進行曝氣，由位于SBR反應器液位以上的排氣孔進行排氣；兩個對稱的SBR反應器的序批差異使兩個對稱的SBR反應器之間存在電勢差異，以碳材料作為電極連接外電路，產生電流；序批式電極反轉微生物燃料電池通過進水口進水，出水口出水。所述的電極在厭氧階段為陽極，在好氧階段和缺氧階段為陰極。

所述的序批式電極反轉微生物燃料電池可以用于污水處理廠或現有SBR工藝的改造升級。