[發明專利]可實現同步硝化反硝化的無膜微生物燃料電池反應器

有效

• 申請號: 201410130177.3
• 申請日: 2014-04-02
• 公開（公告）號: CN103887552A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發明（設計）人: 朱光燦;孔赟;朱建國
• 申請（專利權）人: 江蘇省城市規劃設計研究院
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16;H01M8/02;C02F3/34;C02F3/30
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 李紀昌;唐循文

技術領域

本發明屬于無膜微生物燃料電池反應器，具體涉及一種可實現同步硝化反硝化的無膜微生物燃料電池反應器。

背景技術

水資源是不可替代的自然資源之一，是人類生存與可持續發展的基礎。隨著社會的進步與經濟的發展，水環境污染日趨嚴重，已成為世界性的難點、熱點和重點問題。能源是人類生存和發展的物質基礎，是經濟和社會發展的基本動力，也是人類文明進步的先決條件。然而，隨著社會的進步、經濟的發展和人口的不斷增長，人類對能源的需求越來越大。全世界每年用于處理污水消耗的能源巨大，給社會和經濟發展帶來了嚴重的負擔。污水處理的同時回收能量成為世界各國研究的焦點，可以最大限度的實現污水處理的可持續發展。

微生物燃料電池是利用微生物催化作用使有機物（如有機酸、蛋白質、糖類等）降解，將化學能直接轉化為電能的裝置，具有效率高、無污染等特點。利用微生物燃料電池處理實際生活污水，可在高效的去除污染物的同時，實現有效產電。

近年來，微生物燃料電池生物陰極研究越發廣泛，這種情況下，陰極反應的催化劑是微生物。生物陰極比非生物陰極更具優勢，例如結構和運行成本可得到降低，因為無需成本較高的催化劑（例如platinum）或者介體，并且生物陰極可產生其他收益，例如反硝化可與陰極反應結合。至今已有一些研究考察了微生物燃料電池中生物陰極的應用，有學者報道了醋酸鹽氧化陽極與暴露于空氣中的生物陰極結合產電的管式微生物燃料電池。反硝化能直接通過非有機電子供體如H₂或甚至是由電極直接提供的電子實現，能夠提供反硝化所需碳源的約40%和硝化需氧的25%；生物陰極還可實現同步硝化反硝化，無明顯硝化產物積累表明硝化反硝化是同步進行的，且無需能量輸入；當陰極DO升高時，硝化速率提高，導致硝化反硝化不平衡，所以DO不宜過高；營養物梯度導致生物膜分層，表層硝化菌優勢，內層反硝化菌優勢；而MFC開路情況下，由于缺乏電子供體而抑制了反硝化，陰極上電子的能量限制了反硝化速率，動力學因素限制了反硝化速率。

然而，現有微生物燃料電池的發展仍有許多問題亟待解決，一是盡管微生物燃料電池被證明具有良好的有機物去除能力，但對于污水中重要存在的氮元素的去除能力尚不盡如人意。隨著水體富營養化日益加劇，具有同步去除有機物和氮元素的微生物燃料電池的價值顯得更加尤為重要。因而，關于利用微生物燃料電池技術實現有機物降解和氮類物質去除已成為研究熱點。但是目前所開發的微生物燃料電池反應器，均為有膜反應器，而昂貴的質子交換膜成為微生物燃料電池實際應用的阻礙。

因此，如何克服現有技術的不足而提供一種可實現同步硝化反硝化的無膜微生物燃料燃料電池反應器已成為現有領域亟待解決的技術難題。

發明內容

解決的技術問題：本發明的目的是提供一種可實現同步硝化反硝化的無膜微生物燃料電池反應器，該反應器可同時實現陽極有機物降解、陰極脫氮及系統產電。

本發明的技術方案：

可實現同步硝化反硝化的無膜微生物燃料電池反應器，包括陽極反應區、過渡區、陰極反應區、曝氣室和緩沖室，陽極反應區、過渡區和陰極反應區依次相接，曝氣室與緩沖室通過開孔相連通且兩者均與陰極反應區相接；其中：反應器設有頂蓋，陽極反應區一側壁底部設有排泥管，另一相對平行側壁設有陽極回流管A排泥管上部的側壁上設陽極回流管B、進水管和折流板A，折流板A一端與陽極反應區的側壁固定連接，折流板A之間為石墨氈A，陽極反應區頂蓋上設有一組排氣管A、一組取樣孔A、一組參比電極放置孔A和一組導線孔A，石墨氈A通過穿過導線孔A的鈦線與外電路相連；過渡區由兩塊穿孔板與反應器的兩側壁構成；陰極反應區側壁設有第一陰極回流管A、第二陰極回流管A和出水管，側壁中部設有折流板B，折流板B一端與陰極反應區的側壁固定連接，折流板B之間為石墨氈B，陰極反應區頂蓋上設有一組排氣管B、一組取樣孔B、一組參比電極放置孔B和一組導線孔B，石墨氈B通過穿過導線孔B的鈦線與外電路相連；曝氣室內設有曝氣器，曝氣器通過蠕動泵管與外充氧泵相連，曝氣室側壁設有陰極回流管B，曝氣室頂端頂蓋上設有曝氣室開孔；緩沖室底部設有陰極回流管C，緩沖室頂端的頂蓋上設有溶氧測定儀測定開孔。?

所述穿孔板左下方、右下方、左側中部或右側中部設有穿孔，穿孔的長、寬分別為100mm、60mm。

所述陽極反應區和陰極反應區的體積比為2~4:1，過渡區和陰極反應區的體積比為0.5~0.7:1，曝氣室和陰極反應區的體積比為0.3~0.5:1，緩沖室和陰極反應區的體積比為0.15~0.25:1。