專利名稱：旋轉(zhuǎn)生物陰極微生物燃料電池及其污水處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及污水處理及中水回用技術(shù)，特別涉及應(yīng)用旋 轉(zhuǎn)生物陰極微生物燃料電池產(chǎn)電的同時(shí)同步除碳脫氮的污水處理方法。
背景技術(shù)：
人類的生存與活動(dòng)離不開水，我國(guó)的西北、華北以及沿海缺水地區(qū)受水資源匱乏 的影響，國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到嚴(yán)重的制約。目前城市污水碳含量并不高，普遍具有高氮/碳 比的污水，氮污染物的去除也成為人們重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。另外，世界范圍內(nèi)，能量的需求正 以指數(shù)的形式增長(zhǎng)，但是目前，能源的供應(yīng)還是主要依賴于化石燃料的燃燒，在所預(yù)見(jiàn)的將 來(lái)，化石燃料亦即將耗盡。全球氣候的變化，要求人們應(yīng)該以更可持續(xù)發(fā)展的方法來(lái)進(jìn)行水 處理以及對(duì)能源的利用。微生物燃料電池是一種利用微生物催化作用，降解污染物，同時(shí)提 取電能的裝置。陽(yáng)極在厭氧條件下，微生物氧化基質(zhì)中的有機(jī)或無(wú)機(jī)物，將其過(guò)程中產(chǎn)生的 電子傳遞到電極表面，電子通過(guò)外電路、負(fù)載到達(dá)陰極；質(zhì)子或其他陽(yáng)離子通過(guò)離子交換膜 或電解液到達(dá)陰極，在陰極，電子、質(zhì)子以及氧化劑共同反應(yīng)，從而維持電流的持續(xù)產(chǎn)生。微 生物燃料電池污泥產(chǎn)量低、占地面積小。目前已經(jīng)有各種各樣的物質(zhì)嘗試著作為微生物燃 料電池的底物，包括各種人工的、實(shí)際的廢水以及木質(zhì)纖維素型的生物質(zhì)。但是，隨著人們 生活水平的提高，城市污水氮含量相對(duì)增加，呈現(xiàn)出高氮/碳比的特征，在微生物燃料電池 中去除氮也成為科學(xué)家們特別感興趣的課題。生物陰極降低了微生物燃料電池的運(yùn)行和構(gòu) 建成本；具有更重要意義的一點(diǎn)是，生物陰極負(fù)載的微生物可以直接以電極作為電子供體 獲得電子，以硝酸鹽或亞硝酸鹽作為最終電子受體，進(jìn)行反硝化，可以進(jìn)行污泥或廢水的脫 氮處理。氧氣是理想的陰極氧化劑，具有較高的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)，廉價(jià)易得，而且沒(méi)有二次污染， 不過(guò)由于其溶解度低，使其具有較高的過(guò)電勢(shì)。空氣陰極微生物燃料電池直接取自空氣中 的氧氣來(lái)參加反應(yīng)，解決了溶解度的問(wèn)題，同時(shí)以貴金屬鉬修飾的陰極催化其反應(yīng)，從而獲 得了較高的電能輸出；但是其增加了制作成本，且由于微生物的活動(dòng)易于中毒，從而催化效 率下降，并不符合實(shí)際應(yīng)用的需要。鐵氰化鉀以及高錳酸鉀等陰極系統(tǒng)，雖然其溶解度高， 沒(méi)有氧氣那樣傳質(zhì)的問(wèn)題，同時(shí)可以獲得很高的電勢(shì)，但是成本較高，同時(shí)存在再次利用的 問(wèn)題，造成二次污染。與非生物陰極相比，生物陰極降低了微生物燃料電池的運(yùn)行和構(gòu)建成本，微生物本身作為催化劑或介體參與電子傳遞，取代了貴金屬催化和不可回收的電子介體，從 而解決了催化劑中毒以及氧化劑補(bǔ)充的問(wèn)題，使微生物燃料電池得以低成本持續(xù)進(jìn)行。 Clauwaert等研究了生物陰極對(duì)于氧的還原作用，發(fā)現(xiàn)生物陰極可以減少金屬和非金屬催 化劑的用量，提高微生物燃料電池的操作性。Douglas等人在單室無(wú)膜微生物燃料電池中發(fā) 現(xiàn)其最大氫氣產(chǎn)生速率是通常雙室微生物燃料電池的兩倍。He等人研究表明旋轉(zhuǎn)生物陰極 可以增加電能輸出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種增加微生物燃料電池電能輸出同時(shí)去除碳氮污染的污水 處理方法，用該方法設(shè)計(jì)及建造的旋轉(zhuǎn)生物陰極微生物燃料電池，不僅能夠獲得較高的電 能輸出，而且能夠同時(shí)在生物陰極實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化，有效地去除污水氮污染物，有利于 促進(jìn)水污染控制技術(shù)的節(jié)能降耗、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。為了上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的解決的方案是旋轉(zhuǎn)生物陰極微生物燃料電池，反應(yīng)器底部鋪設(shè)碳材料為陽(yáng)極，且設(shè)有 曝氮?dú)庀?統(tǒng)，為方便前期馴化保持厭氧狀態(tài)。底部陽(yáng)極附著有產(chǎn)電菌，以有機(jī)物或無(wú)機(jī)物作為陽(yáng)極燃 料，降解的同時(shí)產(chǎn)生質(zhì)子和電子。電子通過(guò)有關(guān)途徑傳遞到電極上，通過(guò)外電路及負(fù)載傳遞 到陰極，在電池內(nèi)部質(zhì)子等陽(yáng)離子移動(dòng)到陰極，參與反應(yīng)。陰極材料為碳纖維絲，由具有機(jī) 械強(qiáng)度的圓環(huán)骨架固定，碳纖維絲通過(guò)中軸連接到外電路與陽(yáng)極接通，整個(gè)中軸上平均分 布12個(gè)左右碳纖維絲圓環(huán)，中軸由電機(jī)帶動(dòng)，可以旋轉(zhuǎn)。馴化的生物陰極生物膜分為外部 好氧層，內(nèi)部厭氧層，外部短程硝化，內(nèi)部以電極為電子供體反硝化。陰極旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生水 流擾動(dòng)，有利于傳質(zhì)，減少電池內(nèi)阻，同時(shí)水流擾動(dòng)也可以促進(jìn)陰極、陽(yáng)極生物膜的更新，保 持活躍的代謝能力，利于電能的輸出。裝置左側(cè)設(shè)有4-6個(gè)出水口，通過(guò)出水口調(diào)節(jié)控制陰 極浸沒(méi)在水中的比例，從而控制溶解氧濃度，使陰極生物膜外層好氧硝化菌完成短程硝化。 陰極內(nèi)層厭氧反硝化生物膜以硝酸氮、亞硝酸氮為電子受體，電極為電子供體，進(jìn)行陰極反 應(yīng)脫氮。整個(gè)過(guò)程最終完成C0D、NH4+、N02-、N03-的去除且獲得電能。陰極與陽(yáng)極間的距 離設(shè)置可調(diào)，避免旋轉(zhuǎn)陰極夾帶溶解氧傳遞至底部陽(yáng)極影響產(chǎn)電性能，且不增加電池內(nèi)阻。 反應(yīng)器陰極轉(zhuǎn)速可控、陰極與陽(yáng)極的距離可控、陰極生物膜浸入水中比例可控，運(yùn)行靈活， 調(diào)控方便。本發(fā)明的效果與益處是生物陰極外層好氧硝化細(xì)菌，在有限氧的條件下，氨氮短程硝化，內(nèi)層反硝化菌以 電極為電子供體反硝化；COD作為主要產(chǎn)電底物，在產(chǎn)電菌作用下降解。整個(gè)過(guò)程同時(shí)完成 脫碳除氮，產(chǎn)生電能。實(shí)現(xiàn)陰極短程硝化反硝化，陽(yáng)極厭氧產(chǎn)電，控制系統(tǒng)的溶解氧是關(guān)鍵。 通過(guò)不同高度出水口和陰極轉(zhuǎn)速限制廢水中溶解氧的濃度。陰極不停緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，有利于陰 極生物膜均勻地接觸水、氣介質(zhì)和水中底物、離子的傳質(zhì)遷移(影響內(nèi)阻)。旋轉(zhuǎn)生物陰極微生物燃料電池占地面積小，操作方便，適宜于模塊化和一體化反 應(yīng)器設(shè)計(jì)，在污水處理和中水回用領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景，如無(wú)排水管網(wǎng)系統(tǒng)的地 區(qū)，如度假區(qū)、旅游風(fēng)景區(qū)；有中水回用需求的地區(qū)或場(chǎng)所，如賓館、洗車業(yè)；現(xiàn)有的城市污 水處理廠的更新升級(jí)等。


附圖是旋轉(zhuǎn)生物陰極微生物燃料電池反應(yīng)器示意圖。圖中1負(fù)載及電壓測(cè)量裝置；2參比電極；3碳纖維陽(yáng)極；4圓環(huán)碳絲陰極；5中空 轉(zhuǎn)軸；6傳動(dòng)軸；7進(jìn)水泵；8廢水；9進(jìn)水口 ； 10曝氣管；11反應(yīng)器上蓋；12電機(jī)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
實(shí)施例處理生活污水水量按40m3/d計(jì)，COD濃度為200mg/L，TN濃度為50mg/L。設(shè)計(jì)旋 轉(zhuǎn)生物陰極微生物燃料電池HRT為8h，反應(yīng)器容積16m3。具體尺寸為長(zhǎng)4m，寬lm，有效水 深3. 5m，超高0. 5m,總高4米。陰極圓環(huán)直徑取0. 9m，轉(zhuǎn)軸上每間隔0. 3m設(shè)置一個(gè)碳絲陰 極圓環(huán)；陽(yáng)極碳纖維為4Xlm2。圓環(huán)與池底最大距離為2. 6m，最小距離為0m，陰極圓環(huán)轉(zhuǎn)速 小于lOrpm。馴化掛膜反應(yīng)器用厭氧污泥接種，期間反應(yīng)池蓋上蓋子11，曝N2使整個(gè)反應(yīng)器 處于厭氧狀態(tài)，以產(chǎn)電量作為馴化成熟指標(biāo)，用電壓表1進(jìn)行監(jiān)控；當(dāng)達(dá)到預(yù)期產(chǎn)電時(shí)，打 開上蓋11，暴露少量空氣馴化好氧硝化菌，使 碳絲陰極外層硝化菌，內(nèi)層反硝化菌。實(shí)際污水集中儲(chǔ)存在蓄水池8中，由進(jìn)水泵7從池底部以2m3/h的流量進(jìn)水。水 中COD主要在底部產(chǎn)電菌的作用下降解。陰極在電機(jī)12，傳動(dòng)軸6的作用下，緩慢旋轉(zhuǎn)，可 以造成水流對(duì)陽(yáng)極生物膜的擾動(dòng)，促進(jìn)水中底物、離子遷移，使陰極生物膜均勻地進(jìn)行硝化 反硝化。經(jīng)過(guò)生物降解后的處理水由反應(yīng)器上部的出水口排出。
權(quán)利要求
一種旋轉(zhuǎn)生物陰極微生物燃料電池及其污水處理方法，其特征為a)陰極材料為碳纖維絲，由具有機(jī)械強(qiáng)度的圓環(huán)骨架固定，碳纖維絲通過(guò)中軸連接到外電路與陽(yáng)極接通；b)在陰極表面馴化掛膜，生物膜外層為好氧硝化菌，進(jìn)行短程硝化；內(nèi)層為厭氧反硝化菌，從電極上直接獲得由陽(yáng)極傳遞而來(lái)電子進(jìn)行反硝化；在陽(yáng)極馴化產(chǎn)電菌，降解污染物并產(chǎn)生電子；整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)脫碳除氮，產(chǎn)生電能；c)陰極轉(zhuǎn)軸由轉(zhuǎn)速可調(diào)的電極傳動(dòng)；調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，變化陰極生物膜接觸氧的頻率和生物膜的更新速率；d)陰極與陽(yáng)極的距離可調(diào)；調(diào)節(jié)陰極與陽(yáng)極距離，變化陰極夾帶氧對(duì)陽(yáng)極的影響和反應(yīng)器內(nèi)阻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種旋轉(zhuǎn)生物陰極微生物燃料電池及其污水處理方法，其特 征為在反應(yīng)器左側(cè)設(shè)置4-6個(gè)出水口，調(diào)節(jié)陰極浸沒(méi)比例。
全文摘要
一種旋轉(zhuǎn)生物陰極微生物燃料電池及其污水處理方法，屬于環(huán)境工程中污水處理及資源化技術(shù)領(lǐng)域。其特征是陰極材料為碳纖維絲，固定在圓環(huán)上。旋轉(zhuǎn)陰極生物膜外層主要為好氧硝化菌完成氨氮的短程硝化。陰極內(nèi)層生物膜以亞硝酸氮及硝酸氮為電子受體，電極為電子供體，反硝化脫氮。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)陰極轉(zhuǎn)速可控、陰極與陽(yáng)極的距離可控、陰極生物膜浸入水中比例可控，運(yùn)行靈活，調(diào)控方便。本發(fā)明的效果和益處是旋轉(zhuǎn)生物陰極微生物燃料電池可在單室反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)溶解氧的控制，降低電池內(nèi)阻，加速生物膜更新，短程硝化反硝化，低耗高效地同步完成脫碳除氮，同時(shí)從污染物中提取化學(xué)能形成電能輸出。
文檔編號(hào)C02F3/30GK101817587SQ20101016653
公開日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2010年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月20日
發(fā)明者孫相彧, 張廣毅, 張捍民, 楊鳳林 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)