[发明专利]一种交替式阴阳极脱氮除磷微生物燃料电池

说明书

技术领域

本发明属于生物燃料电池技术领域，尤其涉及一种交替式阴阳极脱氮除磷微生物燃料电池。

背景技术

氮、磷是引起水体富营养化的重要限制因子，人类的生产和生活过程中，向湖泊、河口、海湾等缓流水体中排入了大量的氮和磷，引起水体富营养化，造成水体中藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡。富营养化的防治是水污染处理中最为复杂和困难的问题。目前，最常用的生物脱氮除磷工艺是A（缺氧）/O（好氧）工艺。该方法有很好的脱氮除磷效果，但有高能耗和剩余污泥量多等问题。国际上很多国家之间的争端和矛盾的根源都是能源的争夺，能源短缺的日益加剧，使得我们在解决实际问题时不得不考虑节能降耗、使用新能源。

微生物燃料电池(Microbial Fuel cells，简称MFC)是一种利用微生物将化学能直接转变为电能的装置，其能量转化效率可达80%以上。微生物燃料电池以废水中的有机物为燃料，有机物在降解过程中产生的电子经过阳极电极、外电路、电路负载，最终到达阴极端。以废水为燃料的微生物发电是一种新的可再生能源利用方式，不仅净化了废水，而且获得了能量；具有常温发电、清洁高效、可循环利用等优点。今年来，在环境污染和能源危机的双重压力下，由于微生物燃料电池的治废和产电特性，这项新技术越来越受人们青睐。

微生物燃料电池的基本工作原理：阳极有机物被厌氧微生物氧化分解后，产生电子和质子。部分电子传递到阳极上，通过外电路到达阴极，质子通过质子交换膜到达阴极。在阴极表面，电子、质子与电子受体结合，从而完成电子和质子的回路。随着阳极有机物的不断氧化和阴极反应的持续进行，闭合回路下获得持续的电流。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种交替式阴阳极脱氮除磷微生物燃料电池，具体技术方案如下。

一种交替式阴阳极脱氮除磷微生物燃料电池，包括反应系统和数据采集监测系统，所述反应系统包括两个结构相同的子反应系统，其中一个子反应系统包括反应室一、电极一、进水管、出水管、恒流泵软管、鼓气泵、缓冲瓶、曝气头、恒流泵、微生物和电解液；反应室一中的电解液依次经过出水管、第一恒流泵软管、缓冲瓶、第二恒流泵软管、进水管，在恒流泵的作用下形成内循环；鼓气泵通过第三恒流泵软管与缓冲瓶中的曝气头连接；两个子反应系统的反应室由质子交换膜隔开，两个子反应系统的电极分别紧贴在质子交换膜的两侧。数据采集监测系统包括导电丝、负载、导线、数据采集器和计算机，两个子反应系统的电极均连接有导电丝，导电丝再通过导线与负载连接形成闭合回路；负载两端还通过导线与数据采集器的输入端连接，数据采集器的输出端与计算机输入端连接。

所述的微生物是从污水处理厂接种的具有脱氮除磷功能的活性污泥微生物。

所述的电解液为含氮和磷有机废水，初始pH为7.0~7.5。

进一步优化的，出水管与反应室一顶部的出水口连接；进水管穿过反应室一顶部的进水口并伸入反应室一内底部。

进一步优化的，恒流泵作用于第二恒流泵软管上。

进一步优化的，两个子反应系统的鼓气泵交替打开和关闭，当其中一个子反应系统的鼓气泵打开时，该子反应系统形成一个好氧环境内循环系统作为微生物燃料电池的阴极反应室，此时另一个子反应系统形成厌氧环境内循环系统作为微生物燃料电池的阳极反应室。

进一步优化的，当该微生物燃料电池输出电压小于50 mV时，关闭呈好氧环境内循环系统子系统中的鼓气泵，将其中的电解液排到系统外后重新加入新鲜未处理含氮磷有机废水，同时打开呈厌氧环境内循环系统子系统中的鼓气泵，如此循环运行，含氮磷有机废水加入反应系统中的其中一个反应室到排出该反应室所经历的时间为一个运行周期。

进一步优化的，所述两个子反应系统的反应室的高度大于水平方向的宽度。

进一步优化的，缓冲瓶中曝气量大小由鼓气泵流量控制按钮调节，好氧循内循环系统中溶解氧为2.0~3.5 mg/L，厌氧内循环系统中溶解氧为0.05~0.1 mg/L。

进一步优化的，所述的电极为碳布、碳纸、碳毡、石墨毡或石墨板；电极表面都附着具有脱氮除磷功能的微生物，电极面积与反应室的体积比为1 cm²：0.1~10 cm³。

进一步优化的，反应室一和反应室二中充满电解液，初期启动时，接种菌液为体积比为1:1的污水处理厂二次沉淀池的厌氧和好氧污泥上清液，接种菌液体积与反应室体积比为1:3。