[發(fā)明專利]耦合厭氧氨氧化技術(shù)的陰極高效脫氮型微生物燃料電池

在審

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• 申請日: 2017-05-13
• 公開（公告）號: CN107180987A
• 公開（公告）日: 2017-09-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周少奇;許明熠;李猛
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學;貴州科學院
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16;C02F3/28;C02F3/34;C02F101/16
• 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(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微生物電化學系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種耦合厭氧氨氧化技術(shù)的陰極高效脫氮型微生物燃料電池。

背景技術(shù)

近年來，隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴大和人類活動的加劇，生活污水和工業(yè)廢水中的氮污染呈現(xiàn)濃度增高、排放量增大的趨勢，高氮含量廢水的隨意排放，不僅容易引起水體富營養(yǎng)化，還會大量消耗水中的溶解氧，造成嚴重的水體環(huán)境破壞。同時由于能源日趨緊張，污染治理過程中的能耗問題逐漸被重視起來，開發(fā)節(jié)能工藝與產(chǎn)品是國內(nèi)外環(huán)保界的重點研究方向。

微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell,簡稱MFC)是一種以產(chǎn)電微生物為催化劑，通過生物降解作用將存儲在污染物中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，陰極脫氮型MFC作為其應用的一種，兼具了同步脫氮除碳產(chǎn)電的性能，具有相當?shù)默F(xiàn)實意義和應用前景。其陽極中，有機物被降解產(chǎn)生電子，隨即電子通過陽極電極、外電路、外置電阻后到達陰極電極，硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮等氮素污染物在陰極得到電子被還原成N₂。目前脫氮型MFC研究主要基于同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、同步脫碳氨氧化等反應去除氮素，但其共同的缺陷在于反應路線長、剩余污泥量大、能耗高，系統(tǒng)復雜，維護成本高。

厭氧氨氧化技術(shù)(Anaerobic Ammonium Oxidation，簡稱Anammox)是一種同時去除氨氮和亞硝氮的式高效脫氮技術(shù)，其在厭氧氨氧化菌作用下，以銨鹽為電子供體，亞硝酸鹽為電子受體，一步同時將兩種污染物轉(zhuǎn)化為氮氣。將Anammox與雙室型MFC耦合，創(chuàng)造陰極高效脫氮環(huán)境的同時獲得電壓輸出是最新出現(xiàn)的理念，這不僅能解決MFC細菌氮負荷低的缺陷，還能給Anammox技術(shù)提供一個嶄新的應用方向，很好地利用其高氮負荷、低污泥濃度、高反應速率的特點，非常值得進一步研究。

本發(fā)明所述MFC的原理為：陰、陽極室由質(zhì)子交換膜隔開，形成相對獨立的反應環(huán)境，在生物電化學耦合成功后，陰、陽極反應通過電子傳遞形成聯(lián)系并相互影響，陽極中乙酸鹽由電化學活性菌催化降解，產(chǎn)生的電子傳遞并富集于陽極電極上，隨后其通過外電路傳遞至陰極電極，陰極室在發(fā)生厭氧氨氧化反應的同時，生成的硝酸鹽因獲得電子被進一步去除。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有陰極脫氮型MFC的缺陷，提供一種耦合厭氧氨氧化技術(shù)的陰極高效脫氮型微生物燃料電池，具體技術(shù)方案如下。

一種耦合厭氧氨氧化技術(shù)的陰極高效脫氮型微生物燃料電池，包括陽極電化學活性菌除碳系統(tǒng)、陰極厭氧氨氧化菌脫氮系統(tǒng)、外電路及數(shù)據(jù)在線采集系統(tǒng)、厭氧密閉采樣系統(tǒng)、氣壓穩(wěn)定系統(tǒng)、磁力攪拌系統(tǒng)；其中，陽極電化學活性菌除碳系統(tǒng)中各部件的結(jié)構(gòu)關(guān)系為：在陽極室左側(cè)裝第一配亞克力隔板，在中間加入第一硅膠墊片并使用螺釘鉚緊進行密封，陽極室右側(cè)內(nèi)部嵌入陽極電極碳氈，碳氈內(nèi)部插入一根鈦絲，并引出至陽極室外以供外電路連線，陽極室內(nèi)部填充滿電化學活性菌和陽極電解液；陰極厭氧氨氧化菌脫氮系統(tǒng)中各部件的結(jié)構(gòu)關(guān)系為：在陰極室右側(cè)裝配另第二亞克力隔板，在中間加入第二硅膠墊片并使用螺釘鉚緊進行密封，陰極室左側(cè)內(nèi)部嵌入陰極電極碳布，碳布右側(cè)涂上一層鉑碳催化層，并在旁邊緊密貼合另一根鈦絲，并引出至陰極室外以供外電路連線，陰極室內(nèi)部填充滿厭氧氨氧化菌和陰極電解液；外電路及數(shù)據(jù)在線采集系統(tǒng)中各部件的結(jié)構(gòu)關(guān)系為：將陽極電化學活性菌除碳系統(tǒng)和陰極厭氧氨氧化菌脫氮系統(tǒng)進行拼合，中間夾入質(zhì)子交換膜，質(zhì)子交換膜的兩側(cè)均設(shè)有硅膠墊片，使用螺釘鉚緊進行密封構(gòu)成一個耦合整體，隨后使用銅制導線連接至兩根所述鈦絲，并聯(lián)接入電阻箱，再連至數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)采集，全周期不間斷運行；所述厭氧密閉采樣系統(tǒng)中各部件的結(jié)構(gòu)關(guān)系為：在陽極室左側(cè)、陰極室右側(cè)分別打孔并插入亞克力管，使用亞克力膠粘牢后各自連接一個醫(yī)用三通閥，并接入一次性注射器；所述氣壓穩(wěn)定系統(tǒng)中各部件的結(jié)構(gòu)關(guān)系為：在陽極室、陰極室頂部分別打孔并插入亞克力管，使用亞克力膠粘牢后各自連接一個醫(yī)用三通閥，并接入藍玻璃注射器；磁力攪拌系統(tǒng)中各部件的結(jié)構(gòu)關(guān)系為：在陽極室、陰極室內(nèi)部均加入磁力攪拌子，底部放置磁力攪拌器。

進一步地，所述反應器陽極室和陰極室構(gòu)型大小完全相同，有效容積約28mL，進樣口和取樣口于兩極室側(cè)邊，通過醫(yī)用三通閥保證取樣過程中雙室的環(huán)境嚴格厭氧，通過一次性注射器取樣，構(gòu)成厭氧密閉采樣系統(tǒng)。