[發明專利]一種交替式陰陽極脫氮除磷微生物燃料電池

有效

• 申請號: 201410159938.8
• 申請日: 2014-04-21
• 公開（公告）號: CN103996866A
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發明（設計）人: 周少奇;陶琴琴
• 申請（專利權）人: 華南理工大學;貴州科學院
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

技術領域

本發明屬于生物燃料電池技術領域，尤其涉及一種交替式陰陽極脫氮除磷微生物燃料電池。

背景技術

氮、磷是引起水體富營養化的重要限制因子，人類的生產和生活過程中，向湖泊、河口、海灣等緩流水體中排入了大量的氮和磷，引起水體富營養化，造成水體中藻類及其他浮游生物迅速繁殖，水體溶解氧量下降，水質惡化，魚類及其他生物大量死亡。富營養化的防治是水污染處理中最為復雜和困難的問題。目前，最常用的生物脫氮除磷工藝是A（缺氧）/O（好氧）工藝。該方法有很好的脫氮除磷效果，但有高能耗和剩余污泥量多等問題。國際上很多國家之間的爭端和矛盾的根源都是能源的爭奪，能源短缺的日益加劇，使得我們在解決實際問題時不得不考慮節能降耗、使用新能源。

微生物燃料電池(Microbial?Fuel?cells，簡稱MFC)是一種利用微生物將化學能直接轉變為電能的裝置，其能量轉化效率可達80%以上。微生物燃料電池以廢水中的有機物為燃料，有機物在降解過程中產生的電子經過陽極電極、外電路、電路負載，最終到達陰極端。以廢水為燃料的微生物發電是一種新的可再生能源利用方式，不僅凈化了廢水，而且獲得了能量；具有常溫發電、清潔高效、可循環利用等優點。今年來，在環境污染和能源危機的雙重壓力下，由于微生物燃料電池的治廢和產電特性，這項新技術越來越受人們青睞。

微生物燃料電池的基本工作原理：陽極有機物被厭氧微生物氧化分解后，產生電子和質子。部分電子傳遞到陽極上，通過外電路到達陰極，質子通過質子交換膜到達陰極。在陰極表面，電子、質子與電子受體結合，從而完成電子和質子的回路。隨著陽極有機物的不斷氧化和陰極反應的持續進行，閉合回路下獲得持續的電流。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種交替式陰陽極脫氮除磷微生物燃料電池，具體技術方案如下。

一種交替式陰陽極脫氮除磷微生物燃料電池，包括反應系統和數據采集監測系統，所述反應系統包括兩個結構相同的子反應系統，其中一個子反應系統包括反應室一、電極一、進水管、出水管、恒流泵軟管、鼓氣泵、緩沖瓶、曝氣頭、恒流泵、微生物和電解液；反應室一中的電解液依次經過出水管、第一恒流泵軟管、緩沖瓶、第二恒流泵軟管、進水管，在恒流泵的作用下形成內循環；鼓氣泵通過第三恒流泵軟管與緩沖瓶中的曝氣頭連接；兩個子反應系統的反應室由質子交換膜隔開，兩個子反應系統的電極分別緊貼在質子交換膜的兩側。數據采集監測系統包括導電絲、負載、導線、數據采集器和計算機，兩個子反應系統的電極均連接有導電絲，導電絲再通過導線與負載連接形成閉合回路；負載兩端還通過導線與數據采集器的輸入端連接，數據采集器的輸出端與計算機輸入端連接。

所述的微生物是從污水處理廠接種的具有脫氮除磷功能的活性污泥微生物。

所述的電解液為含氮和磷有機廢水，初始pH為7.0~7.5。

進一步優化的，出水管與反應室一頂部的出水口連接；進水管穿過反應室一頂部的進水口并伸入反應室一內底部。

進一步優化的，恒流泵作用于第二恒流泵軟管上。

進一步優化的，兩個子反應系統的鼓氣泵交替打開和關閉，當其中一個子反應系統的鼓氣泵打開時，該子反應系統形成一個好氧環境內循環系統作為微生物燃料電池的陰極反應室，此時另一個子反應系統形成厭氧環境內循環系統作為微生物燃料電池的陽極反應室。

進一步優化的，當該微生物燃料電池輸出電壓小于50?mV時，關閉呈好氧環境內循環系統子系統中的鼓氣泵，將其中的電解液排到系統外后重新加入新鮮未處理含氮磷有機廢水，同時打開呈厭氧環境內循環系統子系統中的鼓氣泵，如此循環運行，含氮磷有機廢水加入反應系統中的其中一個反應室到排出該反應室所經歷的時間為一個運行周期。

進一步優化的，所述兩個子反應系統的反應室的高度大于水平方向的寬度。

進一步優化的，緩沖瓶中曝氣量大小由鼓氣泵流量控制按鈕調節，好氧循內循環系統中溶解氧為2.0~3.5?mg/L，厭氧內循環系統中溶解氧為0.05~0.1?mg/L。

進一步優化的，所述的電極為碳布、碳紙、碳氈、石墨氈或石墨板；電極表面都附著具有脫氮除磷功能的微生物，電極面積與反應室的體積比為1?cm²：0.1~10?cm³。

進一步優化的，反應室一和反應室二中充滿電解液，初期啟動時，接種菌液為體積比為1:1的污水處理廠二次沉淀池的厭氧和好氧污泥上清液，接種菌液體積與反應室體積比為1:3。