專利名稱：：微生物燃料電池裝置和電池及用法以及水處理系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明是關于一種燃料電池裝置和具有該裝置的電池，以及該電池的使用方法和包括該電池的污水處理系統(tǒng)，尤其是關于一種微生物燃料電池裝置和具有該裝置的微生物燃料電池，以及該電池的使用方法和包括該電池的污水處理系統(tǒng)。
背景技術：
：水源污染是危害最大最廣的污染，出于保護環(huán)境的目的，污染物尤其是污水必須達到國家污染物排放標準，因此必須對污水進行處理。污水處理的方法包括物理處理法、化學處理法、物理化學處理法、生物處理法及它們的組合。目前，富含有機物的高化學需氧量(COD)值污水主要通過污水處理廠利用生物處理法集中處理。污水處理中最常用的生物處理法主要包括兩種一種是利用好氧微生物在污水池中進行曝氣處理，但是曝氣屬高能耗過程，《吏污水處理的成本很高，不利于該方法的推廣；另一種是利用厭氧微生物將污水池中的有機物氧化分解為二氧化碳以及甲垸等小分子物質，但是厭氧處理過程不能將全部有機物都徹底氧化成二氧化碳，因此該過程產(chǎn)生的小分子氣體如甲烷、一氧化碳等，一旦得不到適當處理會對周圍空氣產(chǎn)生二次污染。因此需要更好的處理有機廢水的方法，既不需高能耗的曝氣過程，同時又能將有機物徹底氧化。Chaudhuri和Lovley在Electricitygenerationbydirectoxidationofglucoseinmediator-lessmicrobialfUelcells.NatureBiotechnology2003，21:1229-1232中提出可以采用具有特殊代謝特性的異化還原菌，構建微生物燃料電池。該類異化還原菌廣泛存在于海底沉積物、河流底層、溝渠的淤泥中，能以多種有機物作為代謝底物，例如可以將呼吸作用中的電子供體(如葡萄糖、醋酸鹽、苯甲酸鈉等)完全氧化；同時是以固體的金屬氧化物(如鐵、錳、鈷的氧化物)作為電子受體。在其代謝過程中固體金屬氧化物被還原，有機底物被氧化成二氧化碳。用上述異化菌構建的微生物燃料電池可以利用污水中的有機物為燃料，將其徹底氧化為二氧化碳，同時產(chǎn)生電能。CN1164509C公開了一種生物燃料電池，如圖4所示，該電池包括位亍生物燃料電池內(nèi)部的分別含導電介質的陽極腔室3和陰極腔室4:安置在陽極腔室3中的陽極13;安置在陰極腔室4中的陰極16;以及介于陽極腔室3和陰極腔室4之間的隔膜17(即離子交換膜)；其中陽極腔室3含有有機廢水和活性污泥并在生物燃料電池的操作過程中維持厭氧條件。該生物燃料電池能夠使用廢水和活性污泥中的電化學活性微生物氧化廢水中的有機物，氧化所產(chǎn)生的電子流出細胞外，直接轉移到電極上，從而在產(chǎn)生電流的同時處理廢水。但是該電池陰極腔室4內(nèi)的溶液需要持續(xù)通入達到飽和的氧氣才能工作，而氧氣在水中的溶解度低，并會造成陰極腔室4的濃差極化，所以既耗費能量又不能有效利用氧氣的有效電勢，同時還會增大電池的內(nèi)阻，最終導致質子遷移效率低另外，該生物燃料電池只能對污水進行批式間歇處理，即一批污水處理完畢，需先通過閥門2排出陽極腔室溶液，再注入下一批污水，不能連續(xù)大規(guī)模地處理污水同時因為該電池需大面積的價格昂貴的質子交換膜，因此成本很高。CN2745229Y中公開了一種微生物燃料電池，該電池主要由陽極腔體、陰極腔體以及它們之間的隔板構成，利用啤酒酵母菌代謝有機底物葡萄糖，以鐵氰化鉀和延胡索酸亞鐵作為電子受體，以石墨棒作為陽極和陰極，從而利用微生物消耗葡萄糖放出的能量產(chǎn)生電能。但是該電池隔板上同樣也需要大的質子交換膜，成本較高；同時該電池所選的啤酒酵母菌的電化學活性低，不容易失去其細胞膜外表面的電子，使得該電池的電動勢偏低，必須利用鐵慨化鉀和延胡索酸亞鐵等物質來替代氧氣，提高陰極室的氧化還原電位，才會有明顯的電流，質子遷移效率低而鐵氰化鉀有很強的毒性，不適合應用于實際的微生物燃料電池中。而且由于啤酒酵母對培養(yǎng)條件的要求很嚴格，因此該實用新型不能用于有機廢水處理。綜上所述，現(xiàn)有的微生物燃料電池存在質子遷移效率低的缺陷，'不能用于大規(guī)模連續(xù)處理污水而且成本高，因此，需要一種能克服現(xiàn)有技術前述缺陷的微生物燃料電池，質子遷移效率高，既能大規(guī)模連續(xù)無二次污染地處理污水，同時又能低成本高效產(chǎn)生電能。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術微生物燃料電池存在質子遷移效率低的缺點，提供一種能使微生物燃料電池的質子遷移效率提高的微生物燃料電池裝置。本發(fā)明的第二個目的是提供包括該微生物燃料電池裝置的微生物燃料電池。本發(fā)明的第三個目的是提供上述微生物燃料電池的使用方法。本發(fā)明的第四個目的是提供一種包括上述微生物燃料電池的污水處理系統(tǒng)。本發(fā)明提供了一種微生物燃料電池裝置，該裝置包括電池外殼l、陽極腔室3、陽極13、陰極腔室4、陰極16和隔膜17:所述陽極13位于陽極腔室3中，隔膜17位于陽極腔室3及陰極腔室4之間，其中，所述陰極16為片狀陰極，片狀陰極的一個表面和隔膜17的一個表面貼合形成膜陰極組件10，片狀陰極不與隔膜17貼合的一面位于陰極腔室4--側。本發(fā)明還提供了一種微生物燃料電池，該電池包括微生物燃料電池裝置、位于該裝置中的電化學活性微生物，以及工作液和/或工作氣體，其中，所述微生物燃料電池裝置為本發(fā)明提供的微生物燃料電池裝置。本發(fā)明提供了上述微生物燃料電池的使用方法，該方法包括1)將外電路與微生物燃料電池的陰極16和陽極13連接以構成回路2)向陽極腔室3中加入工作液，并使工作液在陽極腔室3的停留時間為20-30小時向陰極腔室4中加入工作液或通入工作氣體。本發(fā)明還提供了一種包括微生物燃料電池的污水處理系統(tǒng)，其中，所述微生物燃料電池為本發(fā)明提供的微生物燃料電池。按照本發(fā)明，由于所述微生物燃料電池裝置通過片狀陰極和隔膜貼合構成膜陰極組件，從而可以提高質子遷移的效率，繼而加快陰極反應速率，使使用該裝置的微生物燃料電池的整體反應速率大幅度提高，因此可以實現(xiàn)污水的大規(guī)模連續(xù)處理。圖1為本發(fā)明實施例1內(nèi)筒筒壁結構示意圖圖2為本發(fā)明實施例1微生物燃料電池裝置的結構剖面示意圖圖3為本發(fā)明實施例2微生物燃料電池裝置的結構剖面示意圖圖4為現(xiàn)有技術微生物燃料電池裝置的結構剖面示意圖圖5為本發(fā)明污水處理系統(tǒng)的工藝示意圖；圖6為本發(fā)明實施例1有機廢水的化學需氧量(COD)值隨微生物燃料電池分解作用時間變化的關系圖。圖中1——電池外殼2——閥門3——陽極腔室4——陰極腔室5——陽極入口6——陽極出口7——陰極入口8——陰極出口9——金屬網(wǎng)10——膜陰極組件11——內(nèi)筒支架12——網(wǎng)孔13——陽極14——柱塞水泵15——鼓風機16——陰極具體實施例方式本發(fā)明提供的微生物燃料電池裝置包括電池外殼1、陽極腔室3、陽極13、陰極腔室4、陰極16和隔膜17:所述陽極13位于陽極腔室3中，隔膜17位于陽極腔室3及陰極腔室4之間，其中，所述陰極16為片狀陰極，片狀陰極的一個表面和隔膜17的一個表面貼合形成膜陰極組件10，片狀陰極不與隔膜17貼合的一面位于陰極腔室4一側。所述片狀陰極的--個表面和隔膜17的一個表面貼合形成膜陰極組件10,可以通過壓合(如熱壓合)或粘合等本領域公知的方法實現(xiàn)?，F(xiàn)有技術的微生物燃料電池裝置的陰極一般選用棒狀石墨陰極，通常通過中間介質完成與隔膜之間的質子遷移而本發(fā)明的微生物燃料電池裝置采用片狀陰極且片狀陰極的一個表面和隔膜的一個表面貼合形成膜陰極組件，這樣質子--經(jīng)在隔膜上產(chǎn)生不用通過中間介質直接就能夠遷移到陰極上，從而可以提高質子遷移的效率，繼而加快陰極反應速率，最終能夠提高使用該裝置的微生物燃料電池的整體反應速率。因此，所述片狀陰極表面的面積是隔膜17表面面積的至少75%，優(yōu)選片狀陰極表面的面積是隔膜17表面面積的卯-100。Z。本發(fā)明片狀陰極選自本領域常用的片狀陰極如炭布、炭紙等可以制成片狀陰極的材料，優(yōu)選韌性好的炭布。本發(fā)明所述微生物燃料電池裝置除所述陰極16為片狀陰極，片狀陰極的一個表面和隔膜17的一個表面貼合形成膜陰極組件10,片狀陰極不與隔膜17貼合的一面位于陰極腔室4一側外，對微生物燃料電池裝置其他部分的結構沒有特別的限制，可以采用現(xiàn)有技術中的結構，例如CN2745229Y或CN1164509C中公開的結構。本發(fā)明的微生物電池裝置可以如圖3所示，所述陰極16為片狀陰極，片狀陰極的---個表面和隔膜17的一個表面貼合形成膜陰極組件10，電池外殼1與膜陰極組件10組成陽極腔室3和陰極腔室4:其他結構與如圖4所示的現(xiàn)有技術微生物電池裝置相同，比如二者的陽極13都位于陽極腔室3中。更優(yōu)選地，本發(fā)明微生物燃料電池裝置具有如下結構(如圖2所示)所述微生物燃料電池裝置包括外筒和套在外筒中的內(nèi)筒，所述電池外筒的筒壁為電池外殼l:陽極13位于所述陽極腔室3(即內(nèi)筒的筒壁和外筒的筒壁之間的空間)內(nèi)所述內(nèi)筒的筒壁和外筒的筒壁之間的空間為陽極腔室3;所述內(nèi)筒的筒壁包括片狀陰極的一個表面和隔膜17的一個表面貼合形成的脫陰極組件IO，片狀陰極不與隔膜17貼合的一面位于內(nèi)筒內(nèi)；所述內(nèi)筒內(nèi)的空間為陰極腔室4。所述外筒的筒壁為電池外殼1，可以選用本領域常用的用作電池外殼的材料如玻璃、熱塑性塑料、熱固定性塑料、金屬等制成。所述套筒的外筒和內(nèi)筒的形狀也沒有特別的限制，只要內(nèi)筒能納入外筒中，就可以實現(xiàn)充分利用空間的目的；由于相同面積的材料，圍成圓柱形的筒所能包圍的空間體積最大，而且圓柱形不存在死角問題，[判此優(yōu)選所述套筒的外筒和內(nèi)筒的截面為圓形。所述陽極腔室3和陰極腔室4的體積比沒有特別的限制，優(yōu)選所述陽極腔室3和陰極腔室4的體積比大于1:1，即陽極腔室的體積大于陰極腔室。更優(yōu)選所述陽極腔室3和陰極腔室4的體積比為2:1至100:1。陽極腔室的體積越大，所能容納的陽極越多，則陽極的總表面積越大，從而陽極上可以附著相對更多的微生物，有利于提高微生物燃料電池的工作能力。陰極腔室的體積小，圍成陰極腔室所用的隔膜(即質子交換膜)面積越小成本越低。所述隔膜即質子交換膜可以是本領域常用于微生物電池裝置的質子交換膜，其種類已為本領域技術人員所公知。質子交換膜可以商購得到，例如由杜邦公司出品的Nafion膜，包括Nafionl12膜、Nafionll5膜、Nafionll7膜、Nafionl035膜等。如圖2所示，所述陽極腔室3還包括陽極入口5和陽極出口6，本發(fā)明對陽極入口5和陽極出口6的相對位置沒有特別的限定，優(yōu)選所述陽極入口5低于陽極出口6，關閉所述陽極入口5和陽極出口6則密封所述陽極腔室3。所述陰極腔室4還包括陰極入口7和陰極出口8，本發(fā)明對二者的相對位置沒有特別的限定。如圖1所示，所述內(nèi)筒的筒壁還包括位于膜陰極組件10和陽極腔室3之間的金屬網(wǎng)9，所述金屬網(wǎng)9與膜陰極組件10的隔膜面貼合。所述金屬網(wǎng)9起到防止隔膜剝離脫落的作用，能起到上述作用的金屬網(wǎng)都可以用于本發(fā)明如不銹鋼細網(wǎng)、鋁合金網(wǎng)、鈦合金網(wǎng)等。此外，所述內(nèi)筒的筒壁還包括位于膜陰極組件10和陰極腔室4之間的內(nèi)筒支架11，所述內(nèi)筒支架11與膜陰極組件10的陰極面貼合。所述內(nèi)筒支架ll起到加固膜陰極組件，并維持膜陰極組件及整個內(nèi)筒形狀的作用，因此，所述內(nèi)筒支架11優(yōu)選可以起到機械支撐作用的無機材料如玻璃、熱塑性塑料、熱固定性塑料、金屬等制成。該支架為網(wǎng)孔12結構(如圖1所示)，可以保證陰極腔室4中的氣體或液體容易到達膜陰極組件10。所述網(wǎng)孔12起到透氣的作用，網(wǎng)孔越大透氣效果越好，但是網(wǎng)孔過大會影響整個內(nèi)筒支架11的機械強度，因此優(yōu)選所述網(wǎng)孔12的直徑為0.5-5毫米。優(yōu)選所述陽極13為石墨棒。所述石墨棒通常是微生物燃料電池的微生物的載體，而帶有微生物的石墨棒通常與陽極腔室的工作液接觸以完成微生物燃料電池的電極反應。所述石墨棒的個數(shù)越多，石墨棒所帶的微生物也越多，石墨棒與陽極腔室中工作液的總接觸面積越大，由此得到的陽極的效率越高，但是石墨棒過多，會使陽極腔室工作液的總量過少或者影響其流動，因此優(yōu)選所述石墨棒的個數(shù)為3-10，更優(yōu)選個數(shù)為4-8:所述石墨棒的總體積占所述陽極腔室3(即內(nèi)筒的筒壁和外筒的筒壁之間的空間)的總容積的10-70%,更優(yōu)選10-40%。所述石墨棒的直徑應小于陽極腔室3的寬度。優(yōu)選所述石墨棒在所述陽極腔室3(即內(nèi)筒的筒壁和外筒的筒壁之間的空間)中均勻分布，可以使工作液的在陽極腔室中分布或者流動得更均勻。所述均勻分布優(yōu)選為石墨棒等間隔分布在圓上，該圓以內(nèi)筒圓心為圓心，該圓的直徑為內(nèi)筒直徑和外筒直徑的平均值。本發(fā)明提供的微生物燃料電池包括微生物燃料電池裝置、位于該裝置中的電化學活性微生物，以及工作液和/或工作氣體，其中，所述微生物燃料電池裝置為本發(fā)明提供的微生物燃料電池裝置。本發(fā)明對所述電化學活性微生物沒有特別的限制，凡是利用有機物作底物、產(chǎn)生電能的微生物都能實現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)明目的。優(yōu)選所述電化學活性微生物為氧化有機物并產(chǎn)生電子放電至細胞外，轉移至電子至電極產(chǎn)生電流的微生物。在培養(yǎng)厭氧微生物時無需曝氣等耗能過程，因此優(yōu)選厭氧微生物。所述厭氧微生物可以為從污水中分離的厭氧微生物，也可以為高菌密度(細菌濃度在105細菌/毫升以上)的異化還原菌菌種的活化菌液。所述異化還原菌菌種可以為無需曝氣等耗能過程徹底氧化有機物的各種異化還原菌，例如Geo6flcrter菌屬的微生物等。此外，從污水中分離的厭氧微生物能在pH5-9溫度10-80'C的環(huán)境中生存，但其生長最適條件為30'C，pH中性，更適于在從中分離該菌的污水環(huán)境中進行各種生理代謝活動，閑此本發(fā)明的微生物燃料電池可以用于在常溫下處理中性污水，效果最好、最經(jīng)濟。陽極石墨棒通常需要帶有所述電化學活性微生物，優(yōu)選所述電化學活性微生物鑲嵌或附著在石墨棒上。使石墨棒帶有電化學活性微生物可以釆用本領域公知的方法，比如利用電化學活性微生物本身的固著作用、或者石墨棒上存在凹槽、粗糙花紋、孔等結構，所述微生物可以鑲嵌其中。本發(fā)明所述微生物燃料電池的陽極腔室3中還包括陽極工作液，所述陽極工作液可以為污水，尤其是富含有機物的高COD值的有機污水，也可以是微生物能夠利用的專門配制的培養(yǎng)液。本發(fā)明優(yōu)選污水，一方面本發(fā)明的氧化為二氧化碳，該過程中產(chǎn)生的能量可以轉化為電能，另一方面還可以達到處理污水的作用。所述微生物燃料電池的陰極腔室4中還包括陰極工作液或工作氣體，在向陰極腔室4中通入陰極工作液后，陰極工作液提供電子受體，保證電池電極反應完成。所述陰極工作液可以為氧飽和水，也可以為本領域常用的氧化還原電位低于通入陽極腔室的陽極工作液的溶液。所述工作氣體為氧氣或空氣。優(yōu)選向陰極腔室通入上述氣體，阻力小，能耗少，而且能提供充足的電子受體。陰極工作液或工作氣體從陰極入口7通入，從陰極出口8排出。制備本發(fā)明微生物燃料電池時，可以采用本領域常用的方法即向陽極腔室中加入營養(yǎng)培養(yǎng)液，然后接種具有電化學活性的微生物。優(yōu)選密封陽極腔室形成厭氧環(huán)境，靜置培養(yǎng)具有電化學活性的厭氧微生物。同時可以向陰極腔室中通入工作液或工作氣體，優(yōu)選向陰極腔室中通入工作氣體，有助于加快微生物的代謝過程，促進陽極石墨棒上帶有微生物。所述具有電化學活性的微生物的接種量為種子菌溶液占陽極腔室中總溶液體積的5-15%,優(yōu)選10%;其中，種子菌溶液的微生物密度以及接種后陽極培養(yǎng)液中的微生物密度可以通過本領域常用的方法如活細胞計數(shù)法、培養(yǎng)液中總蛋白測定法等進行測定。例如，種子菌溶液的細菌濃度按照活細胞計數(shù)法可知在105細菌/毫升以上。陽極石墨棒帶有微生物的程度可以按照BCA(bicinchoninicacid)蛋白質檢測試劑盒的說明書測得陽極溶液中總蛋白含量結果間接確定。按照本發(fā)明，當接種培養(yǎng)后陽極培養(yǎng)液中的總蛋白含量達到5-20毫克/升時，優(yōu)選達到8-10毫克/升時，即可以認為石墨棒上已經(jīng)帶有足夠的微生物，可以形成微生物燃料電池。此外，還可以通過本領域常用的方法檢測陽極石墨棒是否盡量多地帶有所接種的微生物，例如在電池外電路上連接電阻，并記錄其電壓的變化，經(jīng)過10-15天，上述電壓緩慢上升至穩(wěn)定值，證明微生物細胞在陽極石墨棒表面形成致密網(wǎng)狀結構。即使不經(jīng)過的富集過程，也可以實現(xiàn)本發(fā)明，但是由于具有電化學活性的微生物的濃度低，因此優(yōu)選先富集培養(yǎng)具有電化學活性微生物的種子菌溶液，然后向陽極腔室中接種微生物。所述富集培養(yǎng)具有電化學活性的微生物的方法為本領域技術人員所公知，一般包括從河流底層或溝渠深層的厭氧污泥中取樣，優(yōu)選將作為工作液的有機污水流經(jīng)的河底層污泥，用選擇性培養(yǎng)基在厭氧條件(如用氮氣除氧的培養(yǎng)液)下密封培養(yǎng)，監(jiān)測培養(yǎng)基中定量加入的氧化性物質(如Fe(III))的濃度下降了60-80%時，取部分生長有微生物的培養(yǎng)液(以最初選擇性培養(yǎng)基的體積為基準，取10-30%的培養(yǎng)液)傳代轉接到新鮮選擇性培養(yǎng)基中，反復傳代三次得富集培養(yǎng)的具有電化學活性的微生物。所得包含具有電化學活性的微生物的培養(yǎng)液，可以作為制備微生物燃料電池的種子菌溶液。由于從污泥中富集的微生物中除大多數(shù)為厭氧異化還原菌外，還包括少量兼性好氧的微生物，可以消耗營養(yǎng)培養(yǎng)基中的溶氧，因此陽極腔室的營養(yǎng)培養(yǎng)液可以不進行除氧，但優(yōu)選除氧，更優(yōu)選在接種前和接種后兩步除氧。除氧可以用本領域共知的方法進行，比如向液體培養(yǎng)基中通入氮氣除氧。本發(fā)明提供的微生物燃料電池的使用方法包括1)將外電路與微生物燃料電池的陰極16和陽極13連接以構成回路；2)向陽極腔室3中加入工作液，并使工作液在陽極腔室3的停留時間為20-30小時；向陰極腔室4中加入工作液或通入工作氣體。和陽極13連接以構成回路。其中，由電源以外的用電器、電鍵、導線等電器元件所組成的電路為外電路，本發(fā)明所述外電路可以包括用電器、電鍵、導線等電器元件。步驟2)所述向陽極腔室3中加入工作液，可以間歇加入也可以連續(xù)加入。優(yōu)選所述向陽極腔室3中加入工作液為向陽極腔室3中連續(xù)加入工作液，經(jīng)電化學活性微生物分解后的工作液連續(xù)排出陽極腔室3。同時可以向陰極腔室4中通入工作液或工作氣體，優(yōu)選向陰極腔室4中通入工作氣體。連續(xù)加入陽極工作液吋，帶有微生物的陽極石墨棒是靜止的，在此情況下，由于微生物的代謝活動一直進行，因此氧化還原反應得以在陽極13上連續(xù)進行，微生物代謝的廢物被流動的工作液帶走，代謝反應產(chǎn)生的自由電子和氫離子不斷透過隔膜17(即質子交換膜)傳遞到片狀陰極腔室4，與陰極腔室4通入的工作液或工作氣體反應而被消耗掉，同時所釋放的能量轉化為電能。若通入工作氣體時，保持其流量為50-60升/分鐘。所述陽極工作液停留時間的計量遵循公式停留時間=陽極腔室體積/流速。所述陽極工作液在陽極腔室中的停留時間，在陽極工作液為有機廢水的情況下，即本發(fā)明微生物燃料電池的處理有機廢水的時間。有機廢水的化學需氧量(COD)值隨本發(fā)明微生物燃料電池中微生物分解作用時間的延長不斷下降，但停留時間過長，則會降低微生物燃料電池的放電效率，但是如果陽極工作液停留時間過短，則微生物不能充分分解工作液中的有機物，因此優(yōu)選停留時間為20-30小時。本發(fā)明還提供了一種包括微生物燃料電池的污水處理系統(tǒng)，其中，所述微生物燃料電池為本發(fā)明提供的微生物燃料電池。如圖5所示，微生物燃料電池可以作為污水處理系統(tǒng)的核心組成部分，完成污水處理。污水在微生物電池的陽極腔室3中得到凈化，COD值降低，與此同時微生物電池產(chǎn)生電能。下面結合實施例對本發(fā)明做進一步的說明。實施例1本實施例說明本發(fā)明提供的微生物燃料電池裝置及具有該裝置的微生物燃料電池，以及該電池的使用方法和包括該電池的污水處理系統(tǒng)。(1)微生物燃料電池裝置的制備如圖1所示，在圓柱形有機玻璃內(nèi)筒支架11的筒壁外表面依次壓合上與該內(nèi)筒支架11的筒壁外表面面積相同的炭布、Nafionll7膜和不銹鋼網(wǎng)，制成內(nèi)筒筒壁。片狀陰極(炭布)表面的面積是隔膜(即Nafionll7質子交換膜)表面面積的100%,二者貼合形成膜陰極組件10。所述內(nèi)筒支架11內(nèi)直徑4厘米，長50厘米，壁厚2毫米，并均勻分布有直徑2毫米網(wǎng)孔12。將內(nèi)筒一端與圓環(huán)形有機玻璃片端面用玻璃膠粘結，并使內(nèi)筒截面圓心與圓環(huán)形有機玻璃片端面的圓心重合；將有機玻璃外筒一端與上述圓環(huán)形有機玻璃片端面用玻璃膠粘結，并使外筒截面圓心也與圓環(huán)形有機玻璃片端面的圓心重合，該端面與內(nèi)筒、外筒之間用法蘭連接密封。所述外筒內(nèi)直徑15厘米，長50厘米，壁厚2毫米，具有陽極入口5和陽極出口6。所述圓環(huán)形端面內(nèi)緣直徑2厘米，外緣直徑18厘米，厚2毫米。使6根長50厘米，直徑為2厘米的石墨棒均勻分布于陽極腔室3(即內(nèi)筒的筒壁和外筒的筒壁之間的空間)中，即該石墨棒等間隔分布在以內(nèi)筒圓心為圓心、直徑9.5厘米的圓上，然后，使內(nèi)筒外筒開口一端與另一圓環(huán)形有機玻璃片的端面粘結，使外筒截面、內(nèi)筒截面和圓環(huán)形有機玻璃片端面的圓心重合，并用法蘭連接密封。所得微生物燃料電池裝置陽極腔室與陰極腔室的體積比為209:16。所述石墨棒的總體積占陽極腔室總容積的11.5%。陰極腔室具有陰極入口7和陰極出口8。(2)微生物的富集取污水處理站污水入口底部厭氧污泥20克密封到250毫升的厭氧培養(yǎng)瓶中，該容器中事先盛有150毫升厭氧菌培養(yǎng)液。所述厭氧菌培養(yǎng)液的配方為每1升培養(yǎng)液含有0.8克/升NH4Cl、1.0克/升KC1、1.5克/升Na2HP04、1.0克/升酵母浸膏、10mM葡萄糖、lOmM乳酸鈉、50mM檸檬酸鐵，其余為水，并用碳酸鈉和碳酸氫鈉緩沖溶液調pH到中性。通入氮氣除去溶液中的溶解氧后密封培養(yǎng)15天，得到種子菌溶液，取少量種子菌溶液，用化學法分析其中的Fe(III)濃度，結果表明Fe(III)濃度下降了70%,并且種子菌溶液中含有Fe(11)。按10體積％的接種量，將上述所得的種子菌溶液按同樣的方法接種到同樣的厭氧菌培養(yǎng)液中，繼續(xù)培養(yǎng)。如此反復富集三次，得到富集的主要為異化還原菌的厭氧菌菌液。(3)微生物的附著外龜路接通10歐姆的電阻，并用導線將外電路分別與微生物燃料電池的陽極13和陰極16相連。向微生物燃料電池的陽極腔室3中加入營養(yǎng)培養(yǎng)液，使營養(yǎng)培養(yǎng)液充滿整個陽極腔室3,該營養(yǎng)培養(yǎng)液的配方是每1升培養(yǎng)液含有0.8克/升NH4C1、1.0KC1克/升、1.5克/升Na2HP04、1克/升酵母浸膏、2mM葡萄糖、2mM乳酸鈉，其余為水。按10體積％的接種量，接入步驟(2)所得的菌液，密閉靜置培養(yǎng)。靜置培養(yǎng)同時向陰極腔室4通入空氣，保持空氣的流量為55升/分鐘。記錄電阻上的電壓，剛接種后電阻的初始電壓為零，隨著培養(yǎng)時間推移，電壓逐漸上升。在培養(yǎng)的第12天觀察到電壓上升到0.6伏后保持穩(wěn)定，證明微生物細胞己經(jīng)在陽極表面形成致密的網(wǎng)狀結構，得到微生物燃料電池。4)有機廢水的連續(xù)處理如圖5所示，從陽極入口向陽極腔室3中連續(xù)注入pH值在8、COD值為460毫克/升的有機廢水，用柱塞水泵14保證有機廢水在陽極腔室中的停留時間為20小時，陰極腔室4通過鼓風機15正送風量為60升/分鐘。其它條件不變的情況下，用柱塞水泵14調整有機廢水在陽極腔室3中的停留吋間分別為5、10、15、25、30、35、40小時，然后用國家標準GB11914-89水質一化學需氧量測定一重鉻酸鉀法分別檢測被處理后的有機廢水的COD值。結果如圖6所示，有機廢水的停留時間越長，其COD值降低越多，但在停留時間超過20小時后，污水COD值下降的幅度明顯減緩。因此在20-30小時的時間范圍內(nèi)，陽極工作液與陽極石墨棒上帶有的微生物可以得到充分反應，同時將反應過程中釋放的能量轉化為電能。實施例2本實施例說明本發(fā)明提供的微生物燃料電池裝置及具有該裝置的微生物燃料電池，以及該電池的使用方法和包括該電池的污水處理系統(tǒng)。1)微生物燃料電池裝置的制備首先壓合Nafionll7膜和陰極炭紙得到膜陰極組件10，該膜陰極組件的大小為20厘米X20厘米，其中，片狀陰極(炭紙)表面的面積是隔膜(即Nafionll7質子交換膜)表面面積的卯％。如圖3所示，用玻璃膠粘合有機玻璃制備20厘米X20厘米X30.75厘米的電池外殼1,并用陰極組件10和電池外殼構成體積比為2:1的長方體陽極腔室3和陰極腔室4。所得微生物燃料電池裝置的陽極腔室體積與實施例1陽極腔室體積相同。壓合得到的膜陰極組件10位于陽極腔室3與陰極腔室4之間。如圖3所示，陽極腔室3中固定一根陽極13石墨棒，該石磨棒的總體積占陽極腔室總容積的30%。陰極腔室具有陰極入口7和陰極出口8。2)微生物的附著取污水處理站污水入口底部厭氧污泥20克密封到250毫升的厭氧培養(yǎng)瓶中備用，該容器中事先盛有150毫升厭氧菌培養(yǎng)液。外電路接通10歐姆生物燃料電池的陽極腔室3中加入營養(yǎng)培養(yǎng)液，使營養(yǎng)培養(yǎng)液充滿整個陽極腔室，該營養(yǎng)液的配方是每1升培養(yǎng)液含有0.8克/升NH4C1、1.0克/升KC1、1.5克/升Na2HP04、l克/升酵母浸膏、2mM葡萄糖、2mM乳酸鈉，其余為水。按10體積％的接種量，接入上述污水處理站采集的菌液，密閉靜置培養(yǎng)。靜置培養(yǎng)同吋向陰極腔室通過柱塞水泵以4.8升/分鐘的流量通入氧飽和的水，所述氧飽和水充滿陰極腔室4。所述陰極腔室具有陰極入口7和陰極出口8。接種后的初始電壓為零，隨著培養(yǎng)時間推移，電壓逐漸上升。在培養(yǎng)的第17天觀察到電壓上升到0.5伏后保持穩(wěn)定，證明微生物細胞已經(jīng)在電極表面形成致密的網(wǎng)狀結構，得到微生物燃料電池。3)有機廢水的連續(xù)處理從陽極入U5向陽極腔室3中連續(xù)注入pH值在9、COD值為600毫克/升的有機廢水，用柱塞水泵14保證有機廢水在陽極腔室中的停留時間為30小時，陰極腔室4通過水泵輸送氧飽和水4.8升/分鐘，所述氧飽和水充滿陰極腔室4。比較例1本比較例說明現(xiàn)有技術的微生物燃料電池裝置及具有該裝置的微生物燃料電池，以及該電池的使用方法和包括該電池的污水處理系統(tǒng)。按照圖4所示的結構參照實施例2的方法制備微生物燃料電池裝置，不問的是陰極16為石墨的棒狀電極，并且與隔膜17(即Nafionl17質子交換膜)分離，該隔膜的大小為20厘米X20厘米，陰極16位于陰極腔室4正中，浸泡在陰極腔室4的氧飽和水中，陰極16浸泡在氧飽和水中的表面積與實施例2的片狀陰極一面面積相等:本比較例的微生物電池裝置包括由隔膜17和有機玻璃電池外殼1構成的長方體的陽極腔室3和陰極腔室4，陽極腔室3的體積與實施例1陽極腔室的體積相同，陽極腔室3與陰極腔室4的體積比為l:1，陽極13石磨棒的總體積占陽極腔室總容積的15%。按照實施例l的方法連接外電路、接種微生物構成微生物燃料電池，陽極腔室3中的污水和陰極腔室4中的氧飽和水均間歇分批加入和排出，即陽極腔室3中的污水通過陽極入口5和帶有閥門2的陽極出口6，陰極腔室4中的氧飽和水通過陰極入口7和帶有閥門2的陰極出口8，每30小時更換一次。測試結果分析污水經(jīng)微生物燃料電池處理前后COD值的下降程度可以反映出微生物燃料電池污水處理能力。用國家標準GB11914-89水質一化學需氧量測定一重鉻酸鉀法分別檢測實施例l-2和比較例1的上述指標，結果如表1所示。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>從表1可以看出，由于實施例的微生物燃料電池裝置通過片狀陰極和隔膜貼合構成膜陰極組件，提高了質子遷移的效率，繼而加快陰極反應速率，使使用該裝置的微生物燃料電池的整體反應速率大幅度提高，因此本發(fā)明的微生物燃料電池與比較例微生物燃料電池相比，處理污水的能力大大加強，效率更高。權利要求1、一種微生物燃料電池裝置，該裝置包括電池外殼(1)、陽極腔室(3)、陽極(13)、陰極腔室(4)、陰極(16)和隔膜(17)；所述陽極(13)位于陽極腔室(3)中，隔膜(17)位于陽極腔室(3)及陰極腔室(4)之間，其特征在于，所述陰極(16)為片狀陰極，片狀陰極的一個表面和隔膜(17)的一個表面貼合形成膜陰極組件(10)，片狀陰極不與隔膜(17)貼合的一面位于陰極腔室(4)一側。2、根據(jù)權利要求1所述的微生物燃料電池裝置，其中，片狀陰極表面的面積是隔膜(17)表面面積的至少75%。3、根據(jù)權利要求2所述的微生物燃料電池裝置，其中，片狀陰極表面的面積是隔膜(17)表面面積的卯-100%。4、根據(jù)權利要求1所述的微生物燃料電池裝置，其中，所述片狀陰極選自炭布或炭紙。5、根據(jù)權利要求1所述的微生物燃料電池裝置，其中，所述微生物燃料電池裝置包括外筒和套在外筒中的內(nèi)筒，所述電池外筒的筒壁為電池外殼(1):陽極(13)位于所述內(nèi)筒的筒壁和外筒的筒壁之間的空間內(nèi)；所述內(nèi)筒的筒壁和外筒的筒壁之間的空間為陽極腔室(3);所述內(nèi)筒的筒壁包括片狀陰極的一個表面和隔膜(17)的一個表面貼合形成的膜陰極組件(10)，片狀陰極不與隔膜(17)貼合的一面位于內(nèi)筒內(nèi)；所述內(nèi)筒內(nèi)的空間為陰極腔室(4)。6、根據(jù)權利要求5所述的微生物燃料電池裝置，其中，所述套筒的外筒和內(nèi)筒的截面為圓形；所述陽極腔室(3)和陰極腔室(4)的體積比大于1:1。7、根據(jù)權利要求6所述的微生物燃料電池裝置，其中，陽極腔室(3)和陰極腔室(4)的體積比為2:1至100:1。8、根據(jù)權利要求5所述的微生物燃料電池裝置，其中，所述陽極腔室(3)還包括陽極入口(5)和陽極出口(6),所述陽極入口(5)低于陽極出口(6);所述陰極腔室(4)還包括陰極入口(7)和陰極出口(8)。9、根據(jù)權利要求5所述的微生物燃料電池裝置，其中，所述內(nèi)筒的筒壁還包括位于膜陰極組件(10)和陽極腔室(3)之間的金屬網(wǎng)(9):所述金屬網(wǎng)(9)與膜陰極組件(10)的隔膜面貼合。10、根據(jù)權利要求5所述的微生物燃料電池裝置，其中，所述內(nèi)筒的筒壁還包括位于膜陰極組件(10)和陰極腔室(4)之間的內(nèi)筒支架(11);所述內(nèi)筒支架(11)與膜陰極組件(10)的陰極面貼合；該支架為網(wǎng)孔(12)結構。11、根據(jù)權利要求5所述的微生物燃料電池裝置，其中，所述陽極(13)為石墨棒所述石墨棒的個數(shù)為3-10:所述石墨棒的總體積占所述陽極腔室(3)的總容積的10-70%。12、根據(jù)權利要求11所述的微生物燃料電池裝置，其中，所述石墨棒在所述陽極腔室(3)中均勻分布。13、一種微生物燃料電池，該電池包括微生物燃料電池裝置、位于該裝置中的電化學活性微生物，以及工作液和/或工作氣體，其特征在于，所述微生物燃料電池裝置為權利要求1-12中任意一項所述的微生物燃料電池裝置。14、根據(jù)權利要求13所述的微生物燃料電池，其中，所述電化學活性微生物為厭氧微生物。15、根據(jù)權利要求13所述的微生物燃料電池，其中，所述微生物燃料電池的陽極腔室(3)中還包括陽極工作液所述陽極工作液為污水或所述電化學活性微生物的培養(yǎng)液；所述微生物燃料電池的陰極腔室(4)中還包括陰極工作液或工作氣體；所述陰極工作液為氧飽和水或氧化還原電位低于陽極腔室工作液的溶液；所述工作氣體為氧氣或空氣。16、權利要求13所述微生物燃料電池的使用方法，該方法包括1)將外電路與微生物燃料電池的陰極(16)和陽極(13)連接以構成回路；2)向陽極腔室(3)中加入工作液，并使工作液在陽極腔室(3)的停留時間為20-30小吋向陰極腔室(4)中加入工作液或通入工作氣體。17、根據(jù)權利要求16所述的方法，其中，所述向陽極腔室(3)中加入工作液為向陽極腔室(3)中連續(xù)加入工作液，經(jīng)電化學活性微生物分解后的工作液連續(xù)排出陽極腔室(3)。18、一種包括微生物燃料電池的污水處理系統(tǒng)，其中，所述微生物燃料電池為權利要求13-15中任意一項所述的微生物燃料電池。全文摘要一種微生物燃料電池裝置，該裝置包括電池外殼(1)、陽極腔室(3)、陽極(13)、陰極腔室(4)、陰極(16)和隔膜(17)；所述陽極(13)位于陽極腔室(3)中，隔膜(17)位于陽極腔室(3)及陰極腔室(4)之間，其中，所述陰極(16)為片狀陰極，片狀陰極的一個表面和隔膜(17)的一個表面貼合形成膜陰極組件(10)，片狀陰極不與隔膜(17)貼合的一面位于陰極腔室(4)一側。由于本發(fā)明所述微生物燃料電池裝置通過片狀陰極和隔膜貼合構成膜陰極組件，從而可以提高質子遷移的效率，繼而加快陰極反應速率，使使用該裝置的微生物燃料電池的整體反應速率大幅度提高，因此可以實現(xiàn)污水的大規(guī)模連續(xù)處理。文檔編號C02F3/00GK101118973SQ20061010408公開日2008年2月6日申請日期2006年8月1日優(yōu)先權日2006年8月1日發(fā)明者董俊卿申請人:比亞迪股份有限公司