[发明专利]一种双室异强度曝气硝化微生物燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池，尤其是一种双室异强度曝气硝化微生物燃料电池。

背景技术

微生物燃料电池（Microbial fuel cell, MFC）是一种利用微生物作用释放基质中的电子并传递到电极，将化学能直接转化为电能的装置。将微生物燃料电池应用到废水处理领域，可以消除污染物同时产生电能，它是解决环境问题、缓和能源危机的有效途径。

含氮废水直接排入水体，会导致水体富营养化，引发生态灾难。在含氮废水处理中，生物脱氮是最为经济的废水脱氮手段。其原理是在好氧条件下，由硝化菌将氨氮氧化为亚硝氮和硝氮，再在缺氧条件下由反硝化菌将亚硝氮和硝氮还原成氮气。硝化菌由氨氧化菌和亚硝酸氧化菌组成，前者将氨氧化为亚硝酸，后者将亚硝酸氧化为硝酸。

从生化水平看，硝化作用涉及多种酶催化的代谢反应：在氨单加氧酶的作用下，NH₃ →NH₂OH；再在羟胺氧还酶的作用下，NH₂OH →NO₂^-；最后在亚硝酸盐氧还酶的作用下，NO₂^- →NO₃^-。羟胺是氨氧化的中间产物，氨单加氧酶催化的氨氧化反应必须有氧分子（O₂）直接参与[式(1)]，而羟胺至亚硝酸乃至硝酸的氧化反应则无需氧分子（O₂）直接参与。若将氨用作MFC的燃料，则只需提供将氨氧化成羟胺所需的氧气，并且供氧量不能过大。否则，羟胺氧化所释放的电子将被阳极室内的溶解氧所消耗。

NH₃ ＋ O₂ ＋ 2[H]                                                 NH₂OH ＋ H₂O       (1)

一般认为，细菌将胞内电子传递至胞外电极的途径主要有三种：①菌体细胞直接与电极接触；②利用菌体表面的纳米导线；③利用中介体。不论哪种电子传递方式，细菌远离电极都不利于胞内电子向电极转移。如果阳极具有巨大的表面积，那么可在阳极表面直接附着生长生物膜，将有利于胞内电子向电极转移。

在MFC研究中，人们常用铁氰化钾和高锰酸钾作为阴极室的电子受体，这两种电子受体无法再生，需要不断补充，其还原产物也易覆盖于阴极表面而影响效率，因此实用价值不大。

针对现有MFC的种种缺陷，本发明使硝化菌附着生长于阳极表面，以氨为燃料，以氧气为阴极电子受体，通过阳极室和阴极室的不同强度曝气，成功实现了硝化产电。

发明内容

本发明的目的是克服现有MFC的不足，提供一种双室异强度曝气硝化微生物燃料电池。

双室异强度曝气硝化微生物燃料电池包括阳极室、阴极室、质子交换膜、硅胶垫片、法兰、阳极液、第一隔板、第一曝气区、第一反应区、硝化菌预挂膜阳极、阴极液、第二隔板、第二曝气区、第二反应区、Pt负载阴极、微孔曝气管、密封盖、导线固定管；阳极室和阴极室之间设有质子交换膜，阳极室内充注阳极液，通过第一隔板将阳极室分隔成第一曝气区和第一反应区，第一反应区设有硝化菌预挂膜阳极；阴极室充注阴极液，通过第二隔板将阴极室分隔成第二曝气区和第二反应区，第二反应区设有Pt负载的阴极；第一曝气区和第二曝气区底部设有微孔曝气管，第一曝气区和第二曝气区顶部设置密封盖及导线固定管，密封盖用硅胶垫片和法兰密封连接。

所述的阳极室和阴极室大小相同, 长宽高比为1.0：1.0：2.0。所述的第一曝气区和第一反应区的横截面积之比为1.0：2.0~2.0：1.0；所述的第一隔板上端与阳极室顶部的距离为阳极室高度的1/5~3/10，第一隔板下端与阳极室底部的距离为阳极室高度的1/10；所述的阳极液充注体积占阳极室体积的2/3~4/5。所述的第二曝气区和第二反应区的横截面积之比为1.0：2.0~2.0：1.0；所述的第二隔板上端与阴极室顶部的距离为阴极室高度的1/5~3/10，所述的第二隔板下端与阴极室底部的距离为阴极室高度的1/10；所述的阴极液(11)充注体积占阴极室体积的2/3~4/5。所述的硝化菌预挂膜阳极由碳毡、石墨棒和生物膜构成；碳毡厚度1mm~3mm，宽度30mm~80mm，长度100mm~300mm，横向卷折成5~10层，层间以固定器固定，形成一个彼此平行的曲面，在在曲面中心用导电粘合剂固定有碳棒，碳棒直径3mm~6mm，长度70mm~110mm。