[发明专利]一种处理猪场废水的双圆筒型微生物燃料电池

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种可以去除猪场废水的有机物并进行产电的装置，属于微生物燃料电池和猪场废水处理技术领域。

背景技术

长期以来，以厌氧生物处理和好氧生物处理为主的传统猪场废水处理技术主导污水处理领域多年，但由于其昂贵的污水处理成本和对高浓度的废水的限制，越来越受到如今全球性能源紧缺问题的制约了，也成为了我国经济进一步发展的阻碍。有机废水中含有大量的易生物降解的有机物质，而传统的污水处理技术并不能有效地利用之，同时往往还伴有环境污染问题的产生。如果能有效的利用这些物质，并将其转化成无污染的清洁能源，便可以克服传统污水处理技术的固有弊端，并将从根本上缓解水污染和能源短缺的问题。 

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)技术作为一种新型的污水处理技术，具有净化污水的同时能直接获得电能输出的作用，近年来受到国际学术界的广泛关注，被视作一种高效益、低能耗、清洁环保的处理技术。它不仅是污水处理技术的优化，更是污水处理理念的革新，具有巨大的发展潜力。但由于受到众多技术方面因素的制约，MFC离实际应用尚有一段距离，目前相关研究才刚刚起步。

目前由于MFC产电功率密度低，电极材料和交换膜造价昂贵，反应器构型的不确定，有关MFC的研究仍处于实验阶段，还很难实现商业化应用。因此，需要在充分把握MFC多学科交叉的特点上，开展MFC的电化学特性与有机物降解效果的基础研究。故研发适合有机废水处理特点的双圆筒型微生物燃料电池(DCMFC)，进一步提高MFC的产电功率密度和降低基础建设与运行成本费用，对其实际应用研究具有重要的指导意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种集猪场废水及其他污水处理和产电于一体的新型微生物燃料电池。

本发明所述双圆筒型微生物燃料电池的组成包括阳离子交换膜、石墨碳毡、负载R、碳纤维原丝、圆筒外壁、磁力搅拌器、布气器、曝气机、阳极室、阴极室、曝气管、甘汞电极、橡皮塞、电夹、碳纤维原丝、数据采集器、笔记本电脑。

支撑阳离子交换膜和导电碳纤维丝附着的骨架采用长200mm、内径80mm的打有圆孔的圆柱形有机玻璃圆管制成，内筒为阳极室，内筒以外则为阴极室。实验中将装置主体部位放于2L的玻璃烧杯中，则烧杯中剩余的1L的容积即成为阴极室，阴极室和阳极室的空床容积均为1L，加入电极后的阳极室有效容积为950mL。阴极电极采用导电碳纤维丝沿离子交换膜外壁紧密环绕数圈至全部包裹其外壁而制成；阳极电极采用厚3mm的碳毡，14cm×18cm，表面积为252cm²。阳极室上端设有一圆形口，用于取样及电极电势测量，设橡胶封盖。阴极室底部布设环状曝气管。使用带电极采用钛丝引出，外电路导线使用铜丝导线，外接可变电阻负载R。采集器与负载R两端连接，再接电脑，储存、显示采集的数据。

本发明的优点在于：

①    电极采用低廉的碳毡电极和碳纤维原丝，降低反应器成本，并提高了产电效率。

②    反应器采用有机玻璃作为主要材料，使用有机溶剂溶解有机玻璃，使有机玻璃与质子交换膜之间的缝隙完全融合密实，阴极室与阳极室隔密封性强。

③    反应器可拆卸，便于反应器定期冲洗，和对阳极电极材料和阴极材料进行调整改造。

④    双圆筒型装置的构造及碳毡电极和阴极电极材料的使用，减小了电极间的传质间距，降低MFC的传质阻力，提高了装置的产电能量。

⑤    装置运行稳定，产电特征较明显。

⑥    双圆筒型微生物燃料电池对猪场废水的有机物去除率能够达到传统厌氧工艺有机物去除的较高水平。

 

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。图中1. 离子交换膜2.石墨碳毡3.负载R4.碳纤维原丝5.圆筒外壁6.磁力搅拌器7.布气器8.曝气机9.阳极室10.阴极室11.曝气管12.甘汞电极13.橡皮塞14.电夹15.碳纤维原丝16.数据采集器17.笔记本电脑。

图2为利用本发明处理猪场废水的启动过程输出电压变化情况。图中横坐标为时间/h，纵坐标（左）为输出电压/mV，纵坐标（右）为阳极电极电势/mV，■为输出电压，▲为阳极电势。A.第一次更换阳极底液B.第二次更换阳极底液。

图3为利用本发明处理猪场废水初始COD浓度为1466.66mg/L的结果图。图中横坐标为时间/h，纵坐标（左）为输出电压/mV，纵坐标（右）为阳极电极电势/mV，■为输出电压，★为阳极电势。