本發(fā)明涉及一種微生物脫鹽燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種多效光合微生物燃料電池及實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

微生物燃料電池(Microbial fuel cell，MFC)是以微生物氧化有機(jī)物并產(chǎn)生電流的裝置，其最大的優(yōu)勢(shì)是在處理廢水的同時(shí)可以同步獲取電能，從而降低廢水處理的運(yùn)行成本。如專利高效率微生物燃料電池(申請(qǐng)?zhí)枺?01180024710.2)，采用胞外產(chǎn)電細(xì)菌(細(xì)菌)為陽(yáng)極，陰極與空氣接觸。

雖然在過(guò)去的幾年中，MFC的功率密度已從最初的11Wm^-3增加到4000Wm^-3，但因其輸出功率低，回收電能難以再利用的缺點(diǎn)限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用。專利一種利用微生物燃料電池驅(qū)動(dòng)電容去離子的脫鹽技術(shù)(申請(qǐng)?zhí)枺?01310467063.3)通過(guò)耦合電容去離子(CDI)對(duì)電能進(jìn)行了利用，即MFC陽(yáng)極室中附著電極生長(zhǎng)的產(chǎn)電細(xì)菌利用廢水中有機(jī)物產(chǎn)生電能，通過(guò)外電路將陽(yáng)極和陰極兩個(gè)電極連接至CDI裝置的活性炭電極實(shí)現(xiàn)脫鹽。但是上述方法并沒(méi)有提高M(jìn)FC的效率，同時(shí)外接電容裝置致使結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也限制了其實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

微生物脫鹽燃料電池(microbial desalination cell，MDC)是一項(xiàng)以微生物燃料電池(MFC)為基礎(chǔ)的新型除鹽技術(shù)，MDC是在MFC的陽(yáng)極室和陰極室間加上陽(yáng)離子交換膜(CEM)和陰離子交換膜(AEM)，形成一個(gè)中間脫鹽室，在無(wú)需任何外加壓力和電場(chǎng)的作用下，依靠生物電化學(xué)系統(tǒng)陰陽(yáng)極間的電場(chǎng)推動(dòng)脫鹽室鹽溶液離子的去除，同步降低了陰陽(yáng)極間的內(nèi)阻，從而提高了MFC的輸出功率。雖然陽(yáng)極室溶液電導(dǎo)率的升高會(huì)一定程度上提高脫鹽效率和產(chǎn)能，但脫鹽室的陰陽(yáng)離子分別進(jìn)入陽(yáng)極室及陰極室，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正意義上鹽離子的脫除。

MDC面臨的另一問(wèn)題是陰陽(yáng)極室pH失衡，隨著陽(yáng)極室陰離子的累積和pH的降低，極大地限制了微生物的產(chǎn)電能力，進(jìn)而影響脫鹽效率，同時(shí)影響產(chǎn)電菌的活性。專利一種微生物電容脫鹽燃料電池技術(shù)(申請(qǐng)?zhí)枺?01410824619.4)對(duì)MDC進(jìn)行了改進(jìn)，采用在微生物脫鹽燃料電池中加入兩張陽(yáng)離子交換膜代替現(xiàn)有技術(shù)的一張陰離 子交換膜和一張陽(yáng)離子交換膜相結(jié)合的方法，并將以活性炭布作為電極的電容去離子單元耦合進(jìn)來(lái)分隔陽(yáng)極室和陰極室，使得質(zhì)子可以透過(guò)陽(yáng)離子交換膜和活性炭布在陽(yáng)極室、脫鹽室、陰極室三室間自由轉(zhuǎn)移，達(dá)到穩(wěn)定各室pH的效果。當(dāng)電極的吸附容量達(dá)到飽和時(shí)，讓電極短路或者施加反向電場(chǎng)，被吸附的離子重新回到水中形成濃水排走，同時(shí)電極得到再生。這種方法雖然可以克服MDC的pH不均衡、不能實(shí)現(xiàn)原位連續(xù)處理等缺點(diǎn)，但由于兩電容極板的距離限制，導(dǎo)致脫鹽室的體積受到限制，降低了鹽溶液的處理量，同時(shí)脫鹽速率低，鹽脫除率較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多效光合微生物燃料電池，以及實(shí)現(xiàn)該光合微生物燃料電池的方法。即在脫鹽室中添加電容組，陰陽(yáng)極板交叉錯(cuò)落放置，通過(guò)電容極板數(shù)量的增減及距離上的調(diào)整匹配脫鹽室的空間體積，提高脫鹽速率；將陰極耦合微藻光生物反應(yīng)器，利用微藻在進(jìn)行光合作用釋放出氧氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)的空氣陰極，同時(shí)對(duì)于氮磷的去除具有良好的效果。

本發(fā)明決其技術(shù)問(wèn)題是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種多效光合微生物燃料電池，其特征在于：包括陰極室、陽(yáng)極室、脫鹽室和槽體，所述陰極室、陽(yáng)極室及脫鹽室均設(shè)置于槽體內(nèi)，相互之間通過(guò)陽(yáng)極膜進(jìn)行間隔，所述脫鹽室位于陰極室與陽(yáng)極室之間；所述陽(yáng)極室內(nèi)部添加胞外產(chǎn)電細(xì)菌，并在其中插入陽(yáng)極電極；所述陰極室內(nèi)部添加微藻并插入涂有催化劑涂層的陰極電極；所述脫鹽室中設(shè)置一組由電容極板構(gòu)成的電容組，所述電容極板分為正電容極板和負(fù)容電容極板，正電容極板與負(fù)電容極板穿插放置，相鄰的兩電容極板間放置絕緣層，負(fù)電容極板與所述陽(yáng)極電極連接，正電容極板與所述陰極電極連接；所述陰極室中產(chǎn)生O₂，陽(yáng)極室中產(chǎn)生CO₂、電子和質(zhì)子，所述質(zhì)子穿過(guò)所述陽(yáng)極膜到達(dá)所述陰極室,在催化劑的作用下，與微藻光合作用釋放的O₂發(fā)生電化學(xué)作用形成穩(wěn)定氧化物；

反應(yīng)化學(xué)式包括：

陽(yáng)極：C₆H₁₂O₆+6H₂O→6CO₂+24H⁺+24e_- (1)

陰極：O₂+4H⁺+4e_-→2H₂O (2)。

所述陽(yáng)極電極由碳纖維和鈦絲制成，所述陰極電極上覆蓋涂抹碳鉑催化劑的導(dǎo)電碳布。

所述的電容極板為活性碳布纖維電容極板。

所述的脫鹽室的電容組四周留有能使陽(yáng)極室中產(chǎn)生的質(zhì)子流動(dòng)至陰極室中參與氧化還原反應(yīng)的空間。

所述質(zhì)子為H⁺。

所述的胞外產(chǎn)電細(xì)菌為脫硫弧菌類、普通變形桿菌、假單胞菌屬、梭菌屬、土桿菌屬、泥弧菌屬、西瓦、硫酸鹽還原菌、還原脫硫光敏斑菌等中的一種或幾種。

所述的陰極室的體積為陽(yáng)極室的1.5～2倍。

所述的陰極室、陽(yáng)極室、脫鹽室的體積比為1.55：1.0：0.9。

所述陽(yáng)極膜采用兩張陽(yáng)離子交換膜交疊，陽(yáng)離子交換膜為透過(guò)率不小于90％的工業(yè)用電滲析陽(yáng)離子交換膜，厚度為0.2～0.5mm，爆破強(qiáng)度不小于0.3Mpa，所述絕緣層采用兩層塑料網(wǎng)交疊。

一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1-9中所述多效光合微生物燃料電池的方法，其包括如下步驟：

1)在陰極室、陽(yáng)極室中通入富養(yǎng)廢水，在脫鹽室中通入高鹽廢水；將電容組的負(fù)電容極板通過(guò)陽(yáng)極導(dǎo)線連接陽(yáng)極電極，電容組的正電容極板通過(guò)陰極導(dǎo)線連接陰極電極；

2)陰極室中投放微藻藻種，在陽(yáng)極室中投放胞外產(chǎn)電細(xì)菌；

3)微藻在陰極室中吸收富養(yǎng)廢水中的大部分N、P及小部分可被利用的小分子碳源等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并進(jìn)行光合作用產(chǎn)生O₂；

4)陰極室中污水采取連續(xù)化處理，通過(guò)停留時(shí)間的控制，保證大部分N、P得以去除，藻液濃度趨于穩(wěn)定，對(duì)排出藻液進(jìn)行藻細(xì)胞搜集及獲取，出水進(jìn)入陽(yáng)極室；

5)在陽(yáng)極室中，有機(jī)污染物及殘余微藻在胞外產(chǎn)電細(xì)菌的作用下氧化分解為CO₂、電子和H⁺質(zhì)子，H⁺質(zhì)子和CO₂通過(guò)陽(yáng)極膜和脫鹽室進(jìn)入陰極室，電子則通過(guò)陰極導(dǎo)線傳遞到電容組中儲(chǔ)能；

6)陰極室中H⁺質(zhì)子與O₂在催化劑的作用下結(jié)合，生成穩(wěn)定的氧化產(chǎn)物；

7)脫鹽室中高鹽廢水的正負(fù)離子分別富集在電容組的負(fù)電容極板及正電容極板表面；

8)在正電容極板與負(fù)電容極板吸附的離子接近飽和時(shí)，將負(fù)電容極板連接陰極電極，正電容極板連接陽(yáng)極電極，使電容極板上吸附的離子脫附進(jìn)入溶液中排出。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果為：

1、本多效光合微生物燃料電池及實(shí)現(xiàn)方法，其高鹽廢水進(jìn)入脫鹽室，富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的廢水進(jìn)入陰、陽(yáng)極室，在陽(yáng)極室中，胞外產(chǎn)電細(xì)菌氧化有機(jī)污染物產(chǎn)生電子和 質(zhì)子(H⁺)；陰極室中利用微藻在進(jìn)行光合作用釋放出氧氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)的空氣陰極，通過(guò)吸收光能和污水中氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)自身生長(zhǎng)并產(chǎn)生氧氣，并在催化劑的作用下，接收質(zhì)子(H⁺)、電子生成穩(wěn)定的氧化產(chǎn)物(H₂O)；從而在陰陽(yáng)電極之間連接的電容組的電容極板間產(chǎn)生電場(chǎng)，推動(dòng)脫鹽室中離子的去除。本發(fā)明無(wú)需外加電壓即可實(shí)現(xiàn)電能輸出、去除水中重金屬、氮磷脫除、分解COD、高鹽污水淡化、獲取微藻生物質(zhì)等高附加值產(chǎn)品等功能。

2、本多效光合微生物燃料電池及實(shí)現(xiàn)方法，當(dāng)電容電極接近吸附飽和時(shí)，將陰陽(yáng)兩生物電極反接到電容電極上，通過(guò)改變電容極板的極性，使電極上吸附的離子脫附進(jìn)入溶液中并隨沖洗液一同排放，既實(shí)現(xiàn)電容極板上鹽離子的原位去除，并且在電容極板再生的過(guò)程中，陰、陽(yáng)兩極室的反應(yīng)也持續(xù)進(jìn)行，污水處理可連續(xù)化進(jìn)行。

3、本多效光合微生物燃料電池及實(shí)現(xiàn)方法，本發(fā)明的操作條件溫和，通常在常溫、常壓近中性的環(huán)境中工作，安全性強(qiáng)，運(yùn)行成本低。

4、本多效光合微生物燃料電池及實(shí)現(xiàn)方法，由于H⁺可以通過(guò)陽(yáng)極膜，在三室之間穿梭，達(dá)到了平衡三室pH值的作用，從而避免了由于離子轉(zhuǎn)移造成的陰極室、陽(yáng)極室內(nèi)液鹽度和pH不均衡的問(wèn)題，為系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行提供了保障。

5、本多效光合微生物燃料電池及實(shí)現(xiàn)方法，由于脫鹽室的體積不受電容極板的距離限制，較光合微生物脫鹽燃料電池相比，提高了可溶性固體的去除效率。

6、本多效光合微生物燃料電池及實(shí)現(xiàn)方法，在脫鹽室中添加電容組，陰陽(yáng)極板交叉錯(cuò)落放置，通過(guò)電容極板數(shù)量的增減及距離上的調(diào)整匹配脫鹽室的空間體積，提高脫鹽速率；將陰極耦合微藻光生物反應(yīng)器，利用微藻在進(jìn)行光合作用釋放出氧氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)的空氣陰極，同時(shí)對(duì)于氮磷的去除具有良好的效果。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的光合微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中脫鹽室內(nèi)A部分反應(yīng)示意圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明

1-陰極室、2-陽(yáng)極室、3-脫鹽室、4-槽體、5-陽(yáng)極膜、6-陽(yáng)極電極、7-陰極電極、8-電容組、9-絕緣層、10-陽(yáng)極導(dǎo)線、11-陰極導(dǎo)線。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述，以下實(shí)施例只是描述性的，不是限 定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1所示，本發(fā)明的多效光合微生物燃料電池包括陰極室1、陽(yáng)極室2、脫鹽室3和槽體4，陰極室1、陽(yáng)極室2、脫鹽室3設(shè)置與槽體4之內(nèi)，相互之間通過(guò)陽(yáng)極膜5間隔，脫鹽室3位于陰極室1與陽(yáng)極室2之間。其中，陽(yáng)極室2為產(chǎn)電細(xì)菌培養(yǎng)室，內(nèi)部添加胞外產(chǎn)電細(xì)菌，并在其中插入由碳纖維和鈦絲制成的陽(yáng)極電極6。陰極室1為微藻光反應(yīng)室，內(nèi)部添加微藻，并在其中插入陰極電極7，陰極電極7上覆蓋涂抹碳鉑催化劑的導(dǎo)電碳布。胞外產(chǎn)電細(xì)菌包括脫硫弧菌類、普通變形桿菌、假單胞菌屬、梭菌屬、土桿菌屬、泥弧菌屬、西瓦、硫酸鹽還原菌、還原脫硫光敏斑菌的一種或幾種。

脫鹽室3中設(shè)置電容組8、絕緣層9，電容組8置于脫鹽室3中部，四周留有能使陽(yáng)極室2中產(chǎn)生的質(zhì)子(H⁺)流動(dòng)至陰極室1中參與氧化還原反應(yīng)的空間。電容組8由多對(duì)電容極板構(gòu)成，電容組8的電容極板為活性碳布纖維電容極板，分為正電容極板和負(fù)電容極板，正電容極板與負(fù)電容極板穿插放置，相鄰的兩電容極板間放置絕緣層9，起到絕緣的作用。負(fù)電容極板與陽(yáng)極導(dǎo)線10的一端連接，正電容極板與陰極導(dǎo)線11的一端連接，陽(yáng)極導(dǎo)線10的另一端連接陽(yáng)極電極6，陰極導(dǎo)線11的另一端連接陰極電極7，陽(yáng)極電極6、陰極電極7、電容組8構(gòu)成電池電路，其中電容組8作為儲(chǔ)能元件。

本實(shí)施例中，由于陰極室1中光合速率相比于陽(yáng)極室2中的細(xì)菌代謝速率慢，因此陰極室1的體積約為陽(yáng)極室2的1.5～2倍，優(yōu)選陰極室1、陽(yáng)極室2、脫鹽室3的體積比為1.55：1.0：0.9。陽(yáng)極膜5優(yōu)選采用兩張陽(yáng)離子交換膜交疊，陽(yáng)離子交換膜為透過(guò)率不小于90％的無(wú)毒的工業(yè)用電滲析陽(yáng)離子交換膜，厚度為0.2～0.5mm，爆破強(qiáng)度不小于0.3Mpa。絕緣層9優(yōu)選兩層塑料網(wǎng)交疊。

燃料電池內(nèi)部的反應(yīng)過(guò)程為：

將高COD廢水(如生活污水、經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的養(yǎng)殖廢水等)通入陰極室1、陽(yáng)極室2，將高鹽廢水通入脫鹽室3。在陰極室1中，微藻在光照的情況下吸收高COD廢水中的大部分N、P及小部分可被利用的小分子碳源等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并吸收CO₂進(jìn)行光合作用，產(chǎn)生O₂可作為電子受體，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自身生物質(zhì)的累積；待系統(tǒng)穩(wěn)定后，連續(xù)進(jìn)水，陰極室1內(nèi)存留的COD較高的藻液用泵引出，進(jìn)行微藻收集后，將出水直接作為陽(yáng)極室2的入水進(jìn)行補(bǔ)充，通過(guò)水力停留時(shí)間的控制，保證陰極室中大部分氮磷得以去除，微藻細(xì)胞濃度基本保持不變。

在陽(yáng)極室2中，胞外產(chǎn)電細(xì)菌利用污水中剩余的氮磷將有機(jī)污染物和殘余藻體氧 化分解為CO₂、電子和質(zhì)子(H⁺)，實(shí)現(xiàn)污水的凈化。其中，CO₂可被連通富集至陰極室1，促進(jìn)微藻的光合作用，電子通過(guò)陽(yáng)極導(dǎo)線10傳遞到電容組8中存儲(chǔ)，質(zhì)子則穿過(guò)陽(yáng)極膜5和脫鹽室3到達(dá)陰極室1。在陰極電極7表面，在催化劑的作用下，質(zhì)子、電子和電子受體(微藻產(chǎn)生的O₂)發(fā)生反應(yīng)，最終生成穩(wěn)定的氧化產(chǎn)物(H₂O)。

反應(yīng)化學(xué)式包括：

陽(yáng)極：C₆H₁₂O₆+6H₂O→6CO₂+24H⁺+24e_- (1)

陰極：O₂+4H⁺+4e_-→2H₂O (2)

如圖2所示，由于脫鹽室3中的電容組8的正電容極板與負(fù)電容極板具有相同的電勢(shì)，進(jìn)而在電容極板表面與溶液間形成雙電層，使脫鹽室3中的離子分別富集在具有相反極性的電容極板表面，從而實(shí)現(xiàn)去除大部分離子的目的。同時(shí)，H⁺可以通過(guò)陽(yáng)極膜5，在三室之間穿梭，達(dá)到了平衡三室pH值的作用，從而避免了由于離子轉(zhuǎn)移造成的陰極室1、陽(yáng)極室2內(nèi)液鹽度和pH不均衡的問(wèn)題。

在電容組8的正電容極板與負(fù)電容極板吸附的離子接近飽和時(shí)，將負(fù)電容極板與陰極導(dǎo)線11連接，正電容極板與陽(yáng)極導(dǎo)線10連接，即將陽(yáng)極電極6、陰極電極7反接到正電容極板和負(fù)電容極板上，這樣在電容組8的電容極板間就形成了與脫鹽階段相反的電勢(shì)，吸附于電容極板上的離子在同性相排斥及相反電勢(shì)的驅(qū)動(dòng)下解吸，形成濃縮液，可在后續(xù)工藝中回收利用。

綜上所述，實(shí)現(xiàn)上述多效光合微生物燃料電池的方法，包括以下步驟：

1)在陰極室1、陽(yáng)極室2中通入高氮磷、高COD的富養(yǎng)廢水，在脫鹽室3中通入高鹽廢水；將電容組8的負(fù)電容極板連接陽(yáng)極電極6，正電容極板連接陰極電極7；

2)陰極室1中投放微藻藻種，在陽(yáng)極室2中投放胞外產(chǎn)電細(xì)菌；

3)微藻在陰極室1中吸收高COD廢水中的大部分N、P及小部分可被利用的小分子碳源等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并進(jìn)行光合作用產(chǎn)生O₂；

4)陰極室1中污水采取連續(xù)化處理，通過(guò)停留時(shí)間的控制，保證大部分N、P得以去除，藻液濃度沒(méi)有明顯變化，對(duì)排出藻液進(jìn)行藻細(xì)胞搜集及獲取，出水進(jìn)入陽(yáng)極室2；

5)在陽(yáng)極室2中，有機(jī)污染物及殘余微藻在胞外產(chǎn)電細(xì)菌的作用下氧化分解為CO₂、電子和H⁺質(zhì)子，質(zhì)子和CO₂通過(guò)陽(yáng)極膜5和脫鹽室3進(jìn)入陰極室1，電子通過(guò)陰極導(dǎo)線11傳遞到電容組8中儲(chǔ)能；

6)陰極室1中質(zhì)子與O₂在催化劑的作用下結(jié)合，生成穩(wěn)定的氧化產(chǎn)物；

7)脫鹽室3中高鹽廢水的正負(fù)離子分別富集在電容組8的負(fù)電容極板及正電容 極板表面；

8)在正電容極板與負(fù)電容極板吸附的離子接近飽和時(shí)，將負(fù)電容極板連接陰極電極7，正電容極板連接陽(yáng)極電極6，使電容極板上吸附的離子脫附，隨洗脫液排出。

盡管為說(shuō)明目的公開了本發(fā)明的實(shí)施例和附圖，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的，因此，本發(fā)明的范圍不局限于實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。