[发明专利]一种包含具有完全浸没运行的空气阴极的微生物电化学系统

说明书

一种包含具有完全浸没运行的空气阴极的微生物电化学系统，涉及一种微生物电化学系统。目的是解决微生物电化学系统中空气阴极无法获得充足的氧气，无法承受水压，空气阴极变形，恶劣环境影响微生物燃料电池的正常运行的问题。该系统由平板密闭空气阴极模块和阳极构成；阳极平行设置于平板密闭空气阴极模块的一侧或两侧；或者由圆柱密闭空气阴极模块和管状阳极构成；管状阳极套设于圆柱密闭空气阴极模块的外部。本发明能够获得充足的氧气供给从而获得更高的产电性能，解决了微生物燃料电池系统中的水压问题和复氧问题，空气阴极为完全浸没运行，避免了大气环境影响。

技术领域

本发明涉及一种微生物电化学系统。

背景技术

随着经济的快速发展，大量的污染物进入到环境水体中，造成了严重的水环境污染问题。我国是污水排放大国，且排放总量还在不断攀升，据2014年公布的2013年全国环境统计公报的统计数据显示，我国污(废)水年排放量已超过695.4亿吨，其中化学需氧量含有有机污染物的污水的排放量为2352.7万吨。面对严峻的水环境形势，国家不断加大治理力度，制定了更为严格的排放和减排标准，但随之带来的水处理能耗及成本不断上升，使得本以属于高能耗的水处理行业面临新的挑战。

然而，废水其实是一种优质的能源和资源，废水中所蕴含的潜能和化学能是处理污水能耗的近10倍。目前，全球每日产生的污水潜能相当于1亿吨标准燃油的能量，如能实现废水污染物去除、同步资源化、能源化发展，可为社会节约10％的电能消耗。因此，污水能源化自供给系统的开发逐渐受到全世界范围内的广泛关注和重视。从目前的国际发展趋势来看，污水处理厂的功能正在从单纯的污染物削减，转变为资源、能源工厂，同时，相关的政策、标准、技术、实践等也正在进行着广泛而深刻的变革，以污水处理过程新概念新工艺为核心的“提效改造”已经势在必行成为重中之重。

生物电化学系统，即微生物燃料电池技术，是能直接利用微生物的催化作用将有机物中的化学能直接转化成电能的装置，因其具有产生清洁能源电能、高效降解有机污染物等诸多优点，在能源、环境及废水处理领域受到了广泛的关注。同时在水处理领域，该技术彻底改变了水处理的模式，从根本上解决了剩余污泥这一国际难题，属于水处理领域的颠覆性技术并受到高度重视。

在微生物燃料电池系统中，空气阴极由于具有更高的电流密度和能实现更紧凑的堆栈形式被广泛应用。在空气阴极微生物燃料电池的系统中，阳极微生物从废水中的有机或无机物质中获取电子，并将电子经过阳极极板和外电路传递到阴极催化层。从阴极扩散层进入的氧气作为电子受体在催化层发生氧还原反应。阴极的氧还原速率一般认为是微生物燃料电池系统的限速步骤。在实际应用系统中，单位体积的空间内能安装的空气阴极的面积被认为直接影响电池系统最终的水处理效率和产电效率。

其中空气阴极的承压能力和富氧速率是该技术实际应用的挑战之一。空气阴极微生物电化学系统中，阴极需要分割气、水两相并需要在较高的水压下承压工作；并且为保证微生物电化学系统的体积电流和功率密度，空气阴极需要尽量减少间距从而增大微生物电化学系统中阴极的填充面积。因此这种要求下，相邻的空气阴极可能因为间距过小无法获得充足的氧气。为提高阴极的比表面积，密集堆栈的组合形式被研究者广泛采用。密集堆栈的组合形式即为在系统中构建有多个模块，而各模块之间紧密毗邻并减小间距以提高空间的利用效率。密集堆栈的电池系统可以获得更高的功率密度输出，但在实际应用中仍然面临着各项挑战。在面向应用的系统中。在此条件下，空气阴极需要承受最高可达相当于一米或数米深度的水压作用。而在此作用下空气阴极将不可避免的发生变形并因此影响阴极的性能。以此同时，各模块之间狭小的间距也成为从空气中获得氧气的障碍。相反，如果各模块之间采用较大的毗邻阴极间距则需要以牺牲电池系统中阴极比表面积和电池系统的体积功率为代价。同时污水处理构筑物中恶劣的运行环境和降温降水沙尘等周围环境变化也对直接暴露在大气环境中的空气阴极的运行造成不利影响。截至目前为止针对这些技术难题，尚无在微生物燃料电池系统中获得解决的报道。并且空气阴极暴露在大气环境中还会使空气阴极表面潮湿、淋水、积尘、老化或附着污染物，影响微生物燃料电池的正常运行。

发明内容