[发明专利]一种基于零价铁的同步脱氮除磷微生物燃料电池及脱氮除磷方法

说明书

本发明公开了一种基于零价铁的同步脱氮除磷微生物燃料电池及脱氮除磷方法，电池的阳极室和阴极室内分别填充有产电基质和耗电基质，阳极室上从上至下依次设有阳极室进水口、阳极室出水口和阳极产物排出口，阳极室进水口与阳极室出水口之间的部分为阳极室反应区；阴极室上从上至下依次设有排气口、阴极室进水口、阴极室出水口和阴极生物膜排出口，阴极室进水口和阴极室出水口之间的部分为阴极室反应区，阴极电极上附着有阴极生物膜；阳极室反应区与阴极室反应区通过管路连通，管路中设有质子交换膜。本发明能够破解我国低C/N比废水脱氮除磷难题，实现废水磷资源和电能的回收，具有经济、环保和资源再利用等多重优势。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种基于零价铁的同步脱氮除磷微生物燃料电池及脱氮除磷方法。

背景技术

目前，我国水体有机物含量得到有效控制，氮磷污染上升为主要环境问题。传统反硝化技术多采用有机物作为电子供体，传统生物除磷技术也需要有机物作为生物摄磷的能源物质。对于低C:N:P比废水的处理，额外添加有机物不仅增加投资成本，易造成二次污染，同时加大温室气体的排放。探寻针对低C:N:P比废水的新型脱氮除磷技术意义重大。

铁和铁盐是水处理过程中应用广泛的药剂，包括零价铁、二价铁盐和三价铁盐等。零价铁价格低廉、来源丰富、且具有更强的供电子潜能。利用零价铁作为反硝化电子供体，产生的二价铁用于废水除磷同时生成蓝铁矿，不仅可实现水体的同步脱氮除磷，还可实现水体中磷资源的回收再利用。

然而零价铁作为反硝化电子供体，产生的二价铁不稳定，极易被氧化为三价铁或是以铁氧化物的形式堆积在微生物细胞表面，丧失除磷功能；即便少量溶解性二价铁与磷酸盐反应生成蓝铁矿，但蓝铁矿吸附于微生物表面，难以实现蓝铁矿的分离。如何提取零价铁脱氮产物二价铁，并将其单独运用于除磷是基于零价铁的同步脱氮除磷技术的关键所在。

发明内容

本发明针对我国废水低C:N:P比现状，提出一种基于零价铁的同步脱氮除磷微生物燃料电池及脱氮除磷方法，本发明利用铁碳电极实现电子从阳极向阴极的转移，产生电能供回收利用；铁阳极失去电子，生成的溶解性二价铁与磷酸盐反应生成蓝铁矿，实现废水中磷资源的去除和回收；碳阴极得到电子，碳阴极表面的反硝化生物膜利用该电子将硝酸盐还原为氮气，实现废水脱氮。

为了实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种基于零价铁的同步脱氮除磷微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室内分别填充有产电基质和耗电基质，阳极室上从上至下依次设有阳极室进水口、阳极室出水口和阳极产物排出口，阳极室中，阳极室进水口与阳极室出水口之间的部分为阳极室反应区，阳极室反应区设有阳极电极，阳极电极材质为零价铁，且处于产电基质液面以下；

阴极室上从上至下依次设有排气口、阴极室进水口、阴极室出水口和阴极生物膜排出口，阴极室中，阴极室进水口和阴极室出水口之间的部分为阴极室反应区，阴极室反应区设有阴极电极，阴极电极上附着有具有脱氮功能阴极生物膜，阴极电极处于耗电基质液面以下；

阳极室反应区与阴极室反应区通过管路连通，管路中设有质子交换膜。

阳极室和阴极室均为中空结构，上端均设有密封法兰，密封法兰上可拆卸连接有密封盖，阳极电极悬挂于阳极室的密封盖，并处于阳极室反应区的中部，阳极电极上连接有外接导线，外接导线的一端延伸至阳极室的外部；

阴极电极悬挂于阴极室的密封盖，并处于阴极室反应区的中部，阴极电极上连接有外接导线，外接导线的一端延伸至阳极室的外部。

排气口设置于阴极室的密封盖上，阳极室和阴极室的密封盖上均设置有外接导线口，阳极电极上连接的外接导线和阴极电极上连接的外接导线从外接导线口处分别延伸至阳极室的外部和阴极室的外部。