[发明专利]分离膜生物阴极微生物燃料电池及污水处理方法

说明书

技术领域

本发明属于环境工程技术领域，涉及污水处理及中水回用技术，特别涉及应用生物阴极微生物燃料电池产电的同步除碳脱氮，并完成膜过滤的污水处理方法。

背景技术

随着全球人口和经济规模的不断增长，能源使用带来的环境问题也愈发严重。发展以低碳能源为特征的新型能源并逐步替代传统能源，是解决化石能源短缺和环境污染问题的重要途径。生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，是具有广泛使用价值的新能源。微生物燃料电池技术是将废水看作是能源与资源的载体，利用有机污染物作为阳极燃料，将生物质能进一步转化为最清洁的能源—电能，实现废水处理和电能产生的统一，可在技术上支持和推动“低碳经济”的发展。

随着人们生活水平的提高，城市污水氮含量相对增加，呈现出低碳氮比的特征，微生物燃料电池生物阴极负载的微生物可以直接以电极作为电子供体获得电子，以硝酸盐或亚硝酸盐作为最终电子受体，进行反硝化，可以提高低碳氮比废水的脱氮效率。

与非生物阴极相比，生物阴极降低了微生物燃料电池的运行和构建成本，微生物本身作为催化剂或介体参与电子传递，取代了贵金属催化和不可回收的电子介体，从而解决了催化剂中毒以及氧化剂补充的问题，使微生物燃料电池得以低成本持续进行。Clauwaert等首次研究了生物阴极对于硝酸盐的还原作用，发现生物阴极可以作为电子供体实现硝酸盐的完全反硝化，提高微生物燃料电池的操作性。Virdis等研究了生物阴极微生物燃料电池同时脱氮除碳，在阴极，通过外加硝化反应器或者在线曝气实现同步硝化反硝化，实现氮污染物的去除。

我国面临水资源短缺和水污染严重的双重压力，中水回用是解决该问题的有效手段之一，膜生物反应器占地面积小，出水水质好，是集活性污泥降解和膜过滤为一体的高效污水资源化技术，但是膜污染以及较高膜成本限制其应用及发展。以低成本支撑材料为基础，在其上形成生物膜用以过滤的动态膜概念，可以较大程度降低膜组件成本。微生物燃料电池与膜生物反应器有机结合用于低碳氮比污水处理，可以在保障出水水质的前提下，进一步降低水处理技术的运行成本。

发明内容

本发明目的是提供一种微生物燃料电池电能输出，同时完成碳氮污染去除和膜过滤的污水资源化方法，用该方法设计及建造的分离膜生物阴极微生物燃料电池，不仅能够获得较高的电能输出，而且能够在生物阴极硝化反硝化的同时，完成膜过滤出水，有利于促进水污染控制技术的节能降耗、实现可持续发展。

为了上述发明目的，本发明采用的解决的方案是：

一种分离膜生物阴极微生物燃料电池，分为厌氧区和好氧区，阳极置于厌氧区，膜组件形式阴极置于好氧区，好氧区膜组件下方设置曝气头；厌氧区和好氧区以隔板分隔，隔板同时控制厌氧区液位。膜组件形式阴极以导电金属网包裹框架，金属网表面附着生物膜。金属网上连有外接电线。膜组件形式阴极个数可调，变化生物阴极和膜过滤面积。

应用分离膜生物阴极微生物燃料电池的污水处理方法，包括如下步骤：

（1）反应器用活性污泥接种，阳极驯化产电菌，降解污染物并产生电子；阴极表面驯化生物膜，外层为好氧硝化菌，完成氨氮硝化，内层为厌氧反硝化菌，从电极上直接获得由阳极传递来的电子进行反硝化；以产电量作为驯化成熟指标，用电压表进行监控。

（2）污水顺序流经厌氧区和好氧区，厌氧区阳极表面附着产电菌，以废水中的有机物或无机物作为阳极燃料，在阳极区域进行初步的利用降解，提取废水中包含生物质能，同时产生质子和电子。电子通过外电路及负载传递到阴极，在电池内部质子等阳离子移动到阴极，参与反应。厌氧区产电残留有机物和氨氮进入好氧区，在好氧区和阴极生物膜表面完成有机碳的去除和氨氮硝化，在阴极表面生物膜内层完成反硝化脱氮，经膜组件形式阴极过滤后，进入膜组件空腔，抽吸出水，完成同步脱碳除氮和过滤，并提取化学能形成电能输出。

本发明的效果和益处是

（1）本发明设置了数个膜组件形式的阴极，增加了微生物燃料电池的阴极面积和膜过滤面积，并且易于更换维修以及调整；废水可以在阴极区实现硝化和阴极自养反硝化，实现氮污染物的去除；以金属网为骨架的动态膜过滤出水，保障了出水水质，同时降低了膜制作成本；从污染物中提取化学能形成电能输出，进一步的减少了运行成本。