[发明专利]一种生物阴极型微生物燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物阴极型微生物燃料电池。

背景技术

随着经济社会的发展和人口的迅速增长，水体污染和能源紧缺的问题日益加剧。近年来，我国污水处理厂的建设逐步加快。截至2010年9月底，我国城镇污水处理厂污水处理量达到1.22亿吨/天。但是，常规的污水处理工艺需要消耗大量的电能。在发达国家，全国3～5％的电能用于污水处理，在我国，也约有1.5％～3％的电能用于污水处理。因此，迫切需要开发低能耗的污水处理技术。

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，简称MFC)是近十年发展起来的一种新型污水处理技术。它能够在降解污水中有机物的同时将有机物所蕴含的化学能转化为电能。由于MFC能够在污水处理的同时收获电能，从而成为一种极具发展前景的水处理技术。MFC一般由阳极、分隔材料和阴极3部分组成。早期的MFC的阴极采用化学催化剂，仅在阳极具有降解有机物的能力。而污水中除有机污染物外，氨氮和氮氧化物等含氮污染物也是一种浓度较高的污染物。含氮污染物是引起水体富营养化的主因之一。因而需要对MFC的水处理功能进行拓展。2007年Clauwaert等研究者开发了两种以微生物作为阴极催化剂的生物阴极型MFC，它们分别以氧气和氮氧化物作为电子受体(Clauwaert，P.，Rabaey，K.，Aelterman，P.，De Schamphelaire，L.，2007a.Ham TH，Boeckx P，et al.Biological denitrification in microbial fuel cells.Environ.Sci.Technol.41，3354-3360.Clauwaert，P.，Van der Ha，D.，Boon，N.，Verbeken，K.，Verhaege，M.，Rabaey，K.，Verstraete，W.，2007b.Open air biocathode enables effective electricity generation with microbial fuel cells.Environ.Sci.Technol.41，7564-7569.)。前者在阴极室形成好氧环境，因此可以将水中氨氮氧化为硝态氮。后者在产电的同时实现了反硝化。谢珊等研究者将上述两种生物阴极型MFC在水路上进行串联，完全由MFC实现了有机物去除、脱氮和产电的三效合一的过程(Xie，S.，Liang，P.，Chen，Y.，Xia，X.，Huang，X.，2011.Simultaneous carbon and nitrogen removal using an oxic/anoxic-biocathode microbial fuel cells coupled system.Bioresour.Technol.102，348-354.)。但是，该工艺和装置均较为复杂，操作参数中变量较多，不适宜于实际推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种生物阴极型微生物燃料电池及其在处理废水中的应用，该微生物燃料电池可进行同步产电和脱氮的污水处理工艺。

本发明提供的一种生物阴极型微生物燃料电池，所述微生物燃料电池包括阳极室和阴极室；所述阴极室包括好氧阴极室和缺氧阴极室；所述阳极室、好氧阴极室和缺氧阴极室内均设有填料，所述填料上均负载产电微生物膜，所述阳极室内为厌氧产电微生物膜，所述好氧阴极室内为好氧产电微生物膜，所述缺氧阴极室内为缺氧产电微生物膜；所述阳极室与所述好氧阴极室之间设有阳离子交换膜；所述阳极室与所述缺氧阴极室之间设有阴离子交换膜；所述阳离子交换膜与所述阴离子交换膜的两侧均设有集电金属网，其中设于所述好氧阴极室内的集电金属网与设于所述缺氧阴极室内的集电金属网之间彼此绝缘；所述集电金属网的两端分别通过导线相连通，所述导线上设有负载；所述好氧阴极室的底部设有曝气装置。

上述的微生物燃料电池中，所述填料为活性炭、石墨或碳毡，所述填料的粒径可为2mm-5mm；所述集电金属网可为钛丝网或不锈钢丝网。

上述的微生物燃料电池中，所述好氧阴极室和缺氧阴极室之间设有穿孔隔板，用于分隔两个极室中的填料。

上述的微生物燃料电池中，所述阳极室内的产电微生物膜可通过厌氧池污泥驯化得到；所述好氧阴极室内的产电微生物膜可通过好氧池污泥驯化得到；所述缺氧阴极室内的产电微生物膜可通过缺氧池污泥驯化得到。

上述的微生物燃料电池中，所述负载可为变阻箱或电能收集装置，所述电能收集装置具体可为电容。

本发明还提供了上述微生物燃料电池在废水处理中的应用。