[发明专利]高效同步脱氮除碳微生物燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及生物燃料电池，尤其涉及一种高效同步脱氮除碳微生物燃料电池。

背景技术

随着全球经济的快速增长，能源短缺和环境污染的压力急剧增大，对人类社会可持续发展构成了严重威胁。微生物燃料电池可利用微生物为催化剂将化学能直接转化为电能，是一种新的清洁能源生产技术，已成为当前能源和环境领域的研究热点。

废水中含有许多污染物，蕴含大量化学能。利用MFCs技术来处理废水，不仅可以治污，而且可以回收电能，它是废水处理技术的重大创新。由于有机污染物是废水中的主要污染物，因此人们首先在利用MFCs处理有机废水方面开展了大量研究，并取得了重大进展。

微生物燃料电池技术在废水处理领域展示了良好的应用前景，但将其实际应用到废水处理，还有不少问题亟待解决。首先，现有微生物燃料电池利用厌氧消化技术处理有机废水已取得了较好效果，但其脱氮效果还不甚理想，在氮素污染日益严重的今天，开发具有同步脱氮除碳功能的微生物燃料电池已大势所趋；其次，阴极成本较高，限制了其推广和应用，铁氰化物、高锰酸盐和重铬酸盐等阴极电子受体不可再生，需经常更换，以氧气为电子受体的阴极负载需Pt等贵金属催化剂，曝气耗能大；再次，阳极液易发生酸化，造成工艺失稳，由于分隔膜两侧离子通透性的差异，阳极液pH下降酸化, 使阳极室微生物活性下降，电池输出功率降低，电池稳定性下降，为维持阳极液pH的稳定，目前多采用在阳极液中添加高浓度磷酸盐缓冲溶液，成本较高，也易造成二次污染。

厌氧氨氧化是以氨为电子供体，亚硝酸盐为电子受体产生氮气的微生物反应。由于经济高效，厌氧氨氧化工艺已成为废水脱氮的重要技术。将厌氧氨氧化与厌氧消化技术联合，可实现同步脱氮除碳；亚硝氮既可以作为厌氧氨氧化的电子供体，也可作为微生物燃料电池的阴极电子供体，可有效降低微生物燃料电池的阴极成本；厌氧氨氧化是一个产碱反应，将其出水回流至阳极室，可有效缓解阳极液酸化问题，降低维护费用，提高其运行稳定性。

针对现有微生物燃料电池技术的诸多缺陷，本发明利用高效同步脱氮除碳微生物燃料电池来处理有机废水和含氮废水，实现同步废水脱氮除碳和生物产电，显著降低废水处理费用；利用厌氧氨氧化反应物亚硝酸盐作为电子受体，可有效降低微生物燃料电池的运行成本；利用厌氧氨氧化出水调节阳极液pH，有效解决阳极液酸化问题，降低维护费用，提高微生物燃料电池的运行稳定性，增大其产电功率。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高效同步脱氮除碳微生物燃料电池。

高效同步脱氮除碳微生物燃料电池包括厌氧消化污泥、进水管、阳极液、出水管、阳极、厌氧消化室、备用探头套管、法兰、分隔膜、导线、负载、厌氧氨氧化室、阴极、阴极液、回流管、厌氧氨氧化污泥；厌氧消化室下部侧壁设有进水管，厌氧消化室上部侧壁设有出水管，厌氧消化室内设有厌氧消化阳极，厌氧消化室内装有阳极液，阳极液中接种厌氧消化污泥，厌氧消化阳极上附着厌氧消化污泥，厌氧消化室顶部设有备用探头套管，厌氧氨氧化室下部侧壁设有进水管，厌氧氨氧化室上部侧壁设有出水管，厌氧氨氧化室内设有厌氧氨氧化阴极，厌氧氨氧化室内装有阴极液，阴极液中接种厌氧氨氧化污泥，厌氧氨氧化阴极上附着厌氧氨氧化污泥，厌氧氨氧化室顶部设有备用探头套管，厌氧消化室和厌氧氨氧化室通过法兰连接，法兰上固定有分隔膜，厌氧消化室和厌氧氨氧化室通过回流管连通，负载两端通过导线分别与厌氧消化阳极和厌氧氨氧化阴极相连。

所述的厌氧消化室的体积和厌氧氨氧化室的体积之比为1:1，厌氧消化污泥的体积与厌氧消化室的体积之比为1/10~1/4，厌氧氨氧化污泥的体积与厌氧氨氧化室的体积之比为1/10~1/4。

所述的阳极液为有机废水，阴极液为含氨和亚硝酸盐废水。

所述的厌氧消化阳极和厌氧氨氧化阴极的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板，厌氧消化阳极和厌氧氨氧化阴极之间的距离为2~10cm，厌氧消化阳极的面积与厌氧消化室的体积之比为8~50 m²:1 m³，厌氧氨氧化阴极的面积与厌氧氨氧化室的体积之比为8~50 m²:1 m³

所述的分隔膜的材料为阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜、双极膜、微滤膜或超滤膜。