[發明專利]一種自養型反硝化生物陰極型的微生物燃料電池

在審

• 申請號: 201611085308.6
• 申請日: 2016-11-30
• 公開（公告）號: CN106602101A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 蔣琛;楊麒;尚美榮;孫楊;鐘宇
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: H01M8/0271
• 分類號: H01M8/0271;C02F3/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種在去除地下水中含氧陰離子的同時回收所產電能的裝置，屬水污染處理技術與生物電化學的交叉領域。該裝置利用長期馴化并成功掛膜的反硝化生物陰極作為電子供體去除高氯酸鹽和硝酸鹽，并有效地回收電能。

背景技術

近年來隨著經濟地高速發展，人類對于自然界地索求越發嚴重，使得工農業生產所產生的副產物(高氯酸鹽和硝酸鹽)越來越多，超出了環境本身的容納值。高氯酸鹽，流動性強、反應活性低、較難被吸附，對人體甲狀腺功能有破壞作用。硝酸鹽常作為高氯酸鹽的伴隨物，易造成人體的肝損傷甚至癌癥，尤其是它的還原產物亞硝酸鹽。美國環境保護局在2010年就已經規定飲用水源中高氯酸鹽與硝酸鹽的最大污染限值分別為15μg/L和45mg/L，而我們中國的《生活飲用水衛生標準》(GB5749‐‐2012)也規定,飲用水中硝態氮(NO₃^‐‐N)的含量不超過10mg/L。

傳統的去除高氯酸鹽和硝酸鹽有離子交換法、反滲析法、催化還原法以及生物修復法等等。離子交換法雖可去除這兩種無機鹽，但是樹脂再生的要求高且水中其它陰離子的干擾都使得此法效率較低。反滲析法中所用的反滲析膜對進水水質要求高(一般需要預處理)，而且無專一選擇性也成了它的一大缺點。催化還原法雖利用了ClO₄^‐和NO₃^‐中Cl和N處于最高氧化態易被還原的特點，但難以將兩者完全或大部分轉化成無害物質，而且還存在催化劑的“二次污染”的隱患。而生物修復作為一種成本低、二次污染小的技術手段，多以有機物或無機物(較少)為電子供體，利用高氯酸鹽還原菌(PCBR)或/和反硝化菌(Denitrifiers)將高氯酸鹽和硝酸鹽還原成無毒無害的Cl^‐和N₂。但是碳源添加量難以控制，過少會降低去除效率，過大會引起微生物增殖從而引起其他污染。

然而隨著研究的深入，微生物燃料電池(MFC)逐漸成為一種既能去除水中污染物又能產生能源的很有潛力的技術手段。尤其是生物陰極，最近幾年越來越受學者們的推崇。它能夠富集一些特定微生物接受來自于固態陰極的電子，并將其用于O₂、NO₃^‐、NO₂^‐、ClO₄^‐的還原。與其他技術手段相比，該方法在含氧陰離子還原上更加徹底，對碳源沒有特定要求，而且還能“變廢為寶”，產生電能。

目前，幾乎所有生物陰極都被附加了外加電動勢或通過攪拌來增加微生物與污染物的接觸面積，且多數以異養為主。這樣，不僅消耗外界提供的能源，而且裝置氣密性差，成本也高，仍對此技術的應用與發展有著不利的影響。

發明內容

基于上述現有技術的不足，本發明的目的是提供一種自養型反硝化生物陰極型的微生物燃料電池及在其去除地下水中常見含氧陰離子并回收該電池所產電能中的應用，其具有氣密性高、成本低、不消耗外加能量的特點。

本發明提供的這套裝置的主體由陰極室和陽極組成。陰極室為活性污泥與剩余污泥按體積比1:1接種，以碳酸(氫)鹽作為唯一碳源；而陽極室以剩余污泥接種，污泥量與陰極室總污泥量相等，以乙酸鹽等有機物作為碳源。陰陽極材料均選擇了相等表面積易掛膜的碳氈，經136天掛膜成功。陰陽室以質子交換膜分隔開來，并在陽極室放置Ag/AgCl參比電極，外電路以鈦絲連接負載電阻和手動控制開關共同組成完整回路。在實際運行中產生的電量用數據采集卡收集并通過臺式計算機定時記錄。電池陰陽極的進水均由恒流泵打入，出水或換水均采取虹吸方式收集。其中陰陽極室用法蘭盤連接并夾帶防水墊，整套裝置是在完全密封且常溫條件下運行的。

所述的陰陽極室材質均為有機玻璃，形狀為臥式圓柱體形(D＝6cm，H＝8cm)，容積均為226mL。

所述的陰陽極材料均為長3cm、寬2cm、厚0.3cm的表面干凈的碳氈。

所述的質子交換膜選擇透過率≥96％，膜厚度(濕態)為0.32±0.02mm，膜面電阻4～5Ω/㎝²，爆破強度＞6Kg/㎝²。

所述的Ag/AgCl參比電極D＝3.8mm，玻璃管長度60mm，可拆裝。

所述的數據采集卡具有16路單端模擬信號信號采集，8路數字信號輸出和16位計數器的便攜式功能。

本發明還提供了上述自養型反硝化生物陰極在地下水中含氧陰離子生物還原中的應用。