一種設(shè)有外加磁場的高效除磷硝化微生物燃料電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及一種設(shè)有外加磁場的高效除磷硝化微生物燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類對環(huán)境資源開發(fā)利用活動日益增加，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大規(guī)模地迅速發(fā)展，工業(yè)化帶來了“城市化”現(xiàn)象，使得大量含有污染物難降解有機物、氮、磷等的污水排入湖泊、水庫和河流。城市湖泊及鄰近城鎮(zhèn)的水庫出現(xiàn)了大面積的水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象。富營養(yǎng)化初期，水體中藻類及其他浮游生物迅速繁殖、水體生產(chǎn)能力提高；富營養(yǎng)化后期，水體溶解氧含量下降、藻類、浮游生物、植物、水生生物和魚類衰亡甚至絕跡。富營養(yǎng)化已成為世界范圍內(nèi)水環(huán)境保護(hù)中的重大環(huán)境問題。
[0003]微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一種利用微生物將有機物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。利用微生物燃料電池，不僅可以降解污染水體中的有機物和去除氮、磷和重金屬等污染物，而且還可以將分解有機物過程中產(chǎn)生的電子回收，轉(zhuǎn)化為電流，從而獲得電能。在能源短缺和環(huán)境污染的雙重壓力下，微生物燃料電池因能同步處理廢水和產(chǎn)電受到了各國政府與大公司的重視，被認(rèn)為是21世紀(jì)潔凈、高效的發(fā)電技術(shù)。
[0004]微生物燃料電池工作原理:厭氧微生物在陽極氧化有機物的同時，產(chǎn)生電子和質(zhì)子。電子傳遞到陽極上，通過外電路到達(dá)陰極，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極與外電路傳遞的質(zhì)子在催化劑作用下與氧氣反應(yīng)生成水，從而完成電子和質(zhì)子的回路。隨著陽極有機物的不斷氧化和陰極反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，閉合回路下獲得持續(xù)的電流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種設(shè)有外加磁場的高效除磷硝化微生物燃料電池。
[0006]一種設(shè)有外加磁場的高效除磷硝化微生物燃料電池,包括反應(yīng)系統(tǒng)、外加磁場和數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)，所述反應(yīng)系統(tǒng)包括陽極反應(yīng)系統(tǒng)和陰極反應(yīng)系統(tǒng)，其中陽極反應(yīng)系統(tǒng)包括陽極微生物、陽極電極、陽極室、進(jìn)取樣口和電解液；陰極反應(yīng)系統(tǒng)包括陰極微生物、陰極電極、陰極室、進(jìn)樣管、回流管、鼓氣泵、棕色緩沖瓶、導(dǎo)氣管、曝氣頭、恒流泵和電解液；陰極反應(yīng)系統(tǒng)中電解液依次經(jīng)過回流管、棕色緩沖瓶、進(jìn)樣管，在恒流泵的作用下形成內(nèi)循環(huán)；鼓氣泵通過導(dǎo)氣管與棕色緩沖瓶中曝氣頭連接；陽極室和陰極室結(jié)構(gòu)和大小完全相同，且兩者由質(zhì)子交換膜隔開，陽極電極和陰極電極分別緊貼在質(zhì)子交換膜兩側(cè)；外加磁場包括兩塊磁鐵，兩塊磁鐵分別緊貼在陽極室和陰極室外側(cè)，與質(zhì)子交換膜、陽極電極和陰極電極方向平行；數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)包括導(dǎo)電絲、導(dǎo)線、外電阻、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；陽極電極和陰極電極均連接有導(dǎo)電絲，導(dǎo)電絲再通過導(dǎo)線與外電阻連接形成閉合回路；外電阻兩端還通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。
[0007]進(jìn)一步的，回流管與陰極室頂部的出水口連接，進(jìn)樣管穿過陰極室頂部的進(jìn)水口并伸入陰極室內(nèi)底部。
[0008]進(jìn)一步的，外加磁場中的兩塊磁鐵是大小、結(jié)構(gòu)、磁場強度相同的永磁鐵,且與陽極室和陰極室緊靠的磁鐵平面平整光滑；兩塊磁鐵為異性磁極相對或同性磁極相對。
[0009]進(jìn)一步的，除進(jìn)樣和取樣過程外，陽極室頂部的進(jìn)取樣口一直呈關(guān)閉狀態(tài)，以確保陽極室是厭氧環(huán)境；鼓氣泵一直是打開狀態(tài)，使得陰極反應(yīng)系統(tǒng)一直呈好氧狀態(tài)；棕色緩沖瓶中曝氣量大小由鼓氣泵流量控制按鈕調(diào)節(jié)。
[0010]進(jìn)一步的，兩塊磁鐵表面的磁場強度為0~200 mT。
[0011]進(jìn)一步的，所述的電解液是含氮磷有機廢水，初始pH為7.0-7.5。
[0012]進(jìn)一步的，陽極室內(nèi)溶解氧為0.02~0.05 mg/L，棕色緩沖瓶內(nèi)電解液溶解氧為0.5-5.0 mg/L，不同陰極室溶解氧微生物燃料電池輸出電壓、除磷、除碳及氮硝化效果均不同，在低溶解氧條件下甚至有可能同時除氮。
[0013]進(jìn)一步的，當(dāng)該微生物燃料電池輸出電壓小于50 mV后，將棕色緩沖瓶內(nèi)電解液排到反應(yīng)系統(tǒng)外，將陽極室中電解液回流至棕色緩沖瓶中，后在陽極室中加滿新鮮未處理含氮磷有機廢水，如此循環(huán)運行。
[0014]進(jìn)一步的，陽極室和陰極室的高度大于等于水平方向的寬度。
[0015]進(jìn)一步的，陽極電極和陰極電極面積相同，均為碳布、碳紙、碳?xì)帧⑹珰只蚴?，兩者可相同也可不同，電極面積與反應(yīng)室的體積比為I cm2:0.1~10 Cm3
進(jìn)一步的，所述的陽極微生物和陰極微生物是污水處理廠處理生活污水的活性污泥微生物和穩(wěn)定運行半年的微生物燃料電池內(nèi)微生物混合體。
[0016]進(jìn)一步的，陽極室和陰極室中充滿電解液，初期啟動時，接種菌液為體積比為1:3:3的穩(wěn)定運行半年微生物燃料電池內(nèi)微生物、污水處理廠二次沉淀池的厭氧和好氧污泥上清液，接種菌液體積與反應(yīng)室體積比為1:3。當(dāng)輸出電壓小于50 mV時，將棕色緩沖瓶中的電解液排到反應(yīng)系統(tǒng)外，陽極室內(nèi)電解液全部回流至棕色緩沖瓶內(nèi)，向陽極室中加入新鮮未處理的含氮磷有機廢水(人工配水或?qū)嶋H廢水均可)。
[0017]進(jìn)一步的，所述的陽極室是一個嚴(yán)格厭氧環(huán)境，陽極液溶解氧為0.02-0.05 mg/L。棕色緩沖瓶連接的鼓氣泵一直處于打開狀態(tài)，且用鼓氣泵流量控制按鈕控制曝氣量大小，從而控制陰極液的溶解氧，陰極室中溶解氧控制在0.5-5.0 mg/L范圍內(nèi)。
[0018]進(jìn)一步的，所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為吉時利2007型數(shù)據(jù)采集器。
[0019]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和有益效果:
(1)反應(yīng)器啟動時間明顯縮短，且產(chǎn)電量增加；
(2)外加磁場有效的降低了微生物燃料電池的內(nèi)阻，提高了微生物燃料電池的性能；
(3)該反應(yīng)系統(tǒng)能夠高效除磷和除碳，且電解液中的氮能夠高效硝化；
(4)該反應(yīng)系統(tǒng)能夠在陰極低溶解氧條件下同步脫氮、除磷、除碳并產(chǎn)電；
(5)外加磁場不僅有效提高了微生物燃料電池產(chǎn)電及水處理性能，還減少了微生物燃料電池的運行能耗；
(6)棕色緩沖瓶有效的提高微生物燃料電池運行穩(wěn)定性，較少陰極溶解氧向陽極室的擴散。
【附圖說明】
[0020]圖1是一種設(shè)有外加磁場的高效除磷硝化微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2是實施例中外加磁場為50 mT,陰極溶解氧為3.5mg/L左右與空白對照組啟動時產(chǎn)電數(shù)據(jù)對比圖。
[0022]圖3a、圖3b分別是實施例中外加磁場為50 mT,陰極溶解氧為3.5mg/L左右與空白對照組的極化曲線與功率密度曲線。
【具體實施方式】
[0023]下面通過具體實施例，對本發(fā)明的實現(xiàn)方式進(jìn)行詳細(xì)描述，以下若有未特別詳細(xì)說明的過程或工藝，均是本領(lǐng)域技術(shù)人員可參照現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)的。
[0024]本實例中的一種設(shè)有外加磁場的高效除磷硝化微生物燃料電池，如圖1所示，由陽極室3)、陽極電極5)、陽極微生物4)、進(jìn)取樣口 6)、質(zhì)子交換膜I)、陰極室16、陰極電極17、陰極微生物15、進(jìn)樣管13、回流管11、鼓氣泵14、棕色緩沖瓶19、曝氣頭20、恒流泵12和磁鐵2構(gòu)成的雙室微生物燃料電池，其陽極電極5是碳紙，陰極電極17是涂有0.5 mg/cm2鉬碳的碳布，且催化層面向質(zhì)子交換膜I。
[0025]電池的外接1000歐姆電阻，在室溫條件下間歇運行，每當(dāng)電池電壓低于50 mV時，棕色緩沖瓶19內(nèi)電解液排到反應(yīng)系統(tǒng)外，陽極室3電解液回流至棕色緩沖瓶19，向陽極室3中加入新鮮未處理含氮磷有機廢水。
[0026]人