一種生物陰極型微生物燃料電池廢水處理系統(tǒng)和處理廢水的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種生物陰極型微生物燃料電池廢水處理系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]國內(nèi)外對(duì)于氨氮廢水的處理方法，主要分為物化法和生物法兩類，其中物化法包括吹脫法、化學(xué)沉淀法、離子交換法、折點(diǎn)氯化法。這些方法都各有特點(diǎn)，但也各有一定的局限性，如設(shè)備投資大，能耗高，運(yùn)行費(fèi)用高或二次污染等。而氨氮處理技術(shù)的選擇，主要取決于廢水的性質(zhì)和要求，目前國內(nèi)多采用物化法，國外以生物法或聯(lián)合工藝為主來處理氨氮廢水。
[0003]近階段，有人發(fā)現(xiàn)了一種新型的生物電化學(xué)系統(tǒng)可以作為一種替代的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)脫氮的同時(shí)產(chǎn)電。即將微生物燃料電池與傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)相結(jié)合，提出了一種新型的工藝-微生物脫氮電池。
[0004]生物陰極微生物燃料電池脫氮的原理是，在陽極室微生物催化氧化有機(jī)物產(chǎn)生電子和質(zhì)子，電子被陽極捕集并通過外電路轉(zhuǎn)移到陰極上，質(zhì)子則通過離子交換膜從陽極室迀移到陰極室，在陰極室中利用微生物作為催化劑能夠?qū)㈥帢O的硝酸鹽最終還原為氮?dú)猓瑥亩_(dá)到脫氮的目的。其電極反應(yīng)如下:
[0005]陽極反應(yīng):C6H1206+6H20— 24H++24e>6C02 (I)
[0006]陰極反應(yīng):N03>5e-+6H+—0.5N2+3H20 (2)
[0007]相對(duì)于陽極處理廢水的應(yīng)用，現(xiàn)有技術(shù)中陰極的用途還未得到廣泛的開發(fā)利用。除了氧氣以外，鐵氰化鉀、重絡(luò)酸鉀、高猛酸鉀、過氧化氧等都可以用作陰極電子受體。這些微生物燃料電池有個(gè)共同點(diǎn):陰極不依靠微生物催化還原反應(yīng)，也就是非生物陰極微生物燃料電池。但非生物陰極微生物燃料電池存在電子受體和催化劑價(jià)格昂貴、需經(jīng)?？茡Q、再生難、易造成二次污染等問題。而生物陰極微生物燃料電池的出現(xiàn)很好地解決了上述問題。生物陰極無需額外加入催化劑，不存在電子受體和催化劑再生問題，降低了微生物燃料電池構(gòu)建成本，反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)真正地連續(xù)運(yùn)行。由以上述論述可知，將生物陰極應(yīng)用到微生物燃料電池中發(fā)電不僅可解決陰極造價(jià)昂貴、運(yùn)行不連續(xù)的問題，還可以進(jìn)行污水的深度處理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于利用生物陰極型微生物燃料電池系統(tǒng)來處理含氮廢水，以含氮廢水為燃料生產(chǎn)電能，實(shí)現(xiàn)同步脫氮和生物產(chǎn)電，顯著降低生物脫氮費(fèi)用。
[0009]本發(fā)明提供的一種生物陰極型微生物燃料電池廢水處理系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括第一進(jìn)水管1-1、第二進(jìn)水管1-2、生物陽極2、第一出水管4-1、第二出水管4-2、陽極室5、分隔膜9、陰極室10和生物陰極12 ;所述陽極室5下部側(cè)壁設(shè)有第一進(jìn)水管1-1，陽極室5上部側(cè)壁設(shè)有第一出水管4-1，陽極室5內(nèi)設(shè)有生物陽極2，陰極室10下部側(cè)壁設(shè)有第二進(jìn)水管1-2，陰極室10上部側(cè)壁設(shè)有第二出水管4-2，陰極室10內(nèi)設(shè)有生物陰極12，陽極室5通過分離膜9與陰極室10相連，所述陽極室(5)內(nèi)填充有陽極液3，所述陰極室10內(nèi)填充有陰極液11，所述陽極液3中含有產(chǎn)電菌種，所述陰極液中3中含有反硝化菌種。
[0010]優(yōu)選的，所述的生物陽極2和生物陰極12的導(dǎo)電材料為石墨氈、石墨板、碳?xì)只蛱疾?，生物陽極2的面積與陽極室5的體積之比為8?20m2: lm3，生物陰極12的面積與陰極室10的體積之比為8?20m2:1m3O
[0011]優(yōu)選的，所述的分隔膜9的材料為質(zhì)子交換膜、陽離子交換膜、陰離子交換膜或雙極膜。
[0012]優(yōu)選的，所述的陽極液3的體積占陽極室5體積的2/3?3/4，所述的陰極液11占陰極室10體積的2/3?3/4。
[0013]優(yōu)選的，所述生物陽極2和生物陰極12通過連接導(dǎo)線6與負(fù)載7兩端相連，所述負(fù)載7和電壓采集記錄儀8連接。
[0014]本發(fā)明還公開了一種微生物燃料電池廢水處理氨氮廢水的方法，包括:
[0015]向生物陰極型微生物燃料電池的陰極液和陽極液中分別加入反硝化菌種和產(chǎn)電菌種。
[0016]本發(fā)明提供的生物陰極型為生物燃料電池廢水處理系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0017]I)本發(fā)明采用生物陰極和陽極產(chǎn)電來促進(jìn)污染物的降解，將為生物燃料電池與傳統(tǒng)水處理技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)同步廢水脫氮和生物產(chǎn)電，有效回收含氮廢水中蘊(yùn)含的能量，降低生物脫氮成本；
[0018]2)本發(fā)明的系統(tǒng)對(duì)低、中、高濃度的含氮廢水均具有較好的適應(yīng)性，處理效果好，性能尚效穩(wěn)定；
[0019]3)本發(fā)明的電池陰極無需額外加入催化劑，不存在電子受體和催化劑再生問題，極大降低了微生物燃料電池構(gòu)建成本，反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)真正地連續(xù)運(yùn)行。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明生物陰極型微生物燃料電池廢水處理系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)圖。
[0021]附圖標(biāo)記
[0022]1-1:第一進(jìn)水管；1_2:第二進(jìn)水管；2:生物陽極；3:陽極液；4_1:第一出水管4-2:第二出水管；5:陽極室；6:連接導(dǎo)線；7:負(fù)載；8:電壓采集記錄儀；9:分隔膜；10:陰極室；11:陰極液；12:生物陰極。
【具體實(shí)施方式】
[0023]如圖1所示，生物陰極型微生物燃料電池廢水處理系統(tǒng)包括第一進(jìn)水管1-2、第二進(jìn)水管1-2、生物陽極2、陽極液3、第一出水管4-1、第二出水管4-2、陽極室5、連接導(dǎo)線6、負(fù)載7、電壓采集記錄儀8、分隔膜9、陰極室10、陰極液11、生物陰極12;陽極室5下部側(cè)壁設(shè)有第一進(jìn)水管1-1，陽極室5上部側(cè)壁設(shè)有第一出水管4-1，陽極室5內(nèi)設(shè)有生物陽極2，陽極室5內(nèi)部裝有陽極液3，陰極室10下部側(cè)壁設(shè)有第二進(jìn)水管1-2，陰極室10上部側(cè)壁設(shè)有第二出水管4-2，陰極室10內(nèi)設(shè)有生物陰極12，陰極室10內(nèi)部裝有陰極液11，陽極室5通過分離膜9與陰極室10相連，生物陽極2和生物陰極12分別通過連接導(dǎo)線6與負(fù)載7兩端相連，負(fù)載7并接有電壓采集記錄儀8。
[0024]所述的生物陽極和生物陰極的導(dǎo)電材料為石墨氈、石墨板、碳?xì)只蛱疾?，生物陽極下端到陽極室底部之間間距為I?5cm，生物陰極下端到陰極室底部之間間距為I?5cm，生物陽極和生物陰極之間距離為4?10cm，生物陽極的面積與陽極室的體積之比為8?20m2:1m3,生物陰極的面積與陰極室的體積之比為8?20m2:1m3。
[0025]所述的分隔膜的材料為質(zhì)子交換膜、陽離子交換膜、陰離子交換膜或雙極膜，分隔膜與生物陽極之間的距離為3?6cm，分隔膜與生物陰極之間的距離為3?6cm。
[0026]所述的陽極液的體積占陽極室體積的2/3?3/4，陰極液占陰極室體積的2/3?3/4。
[0027]使用本發(fā)明裝置處理廢水時(shí)，具體操作如下:
[0028]將產(chǎn)電菌種接種于生物陽極，反硝化菌種接種于生物陰極，陽極室中加入陽極液，硝酸鹽或亞硝酸鹽廢水從進(jìn)水管進(jìn)入陰極室內(nèi)，接通外電路系統(tǒng)。在陽極室微生物的作用下，催化氧化有機(jī)物產(chǎn)生電子和質(zhì)子，電子被陽極捕集并通過外電路轉(zhuǎn)移到陰極上，質(zhì)子則通過離子交換膜從陽極室迀移到陰極室，在陰極室中反硝化細(xì)菌的催化作用下，將硝酸鹽或亞硝酸鹽逐步還原為氮?dú)?，從而同時(shí)完成產(chǎn)電及反硝化脫氮過程。在此過程中，負(fù)載兩端的輸出電壓被電壓采集記錄儀測量記錄，通過輸出電壓的變化可監(jiān)測反硝化進(jìn)程，便于過程及時(shí)調(diào)節(jié)。
[0029]所述的產(chǎn)電菌種可以選自希瓦氏菌或地桿菌科屬或弓形菌屬。此處陽極可采用混合細(xì)菌，不僅因?yàn)榛旌霞?xì)菌易于操作、來源廣泛，而且混合細(xì)菌的產(chǎn)電性能優(yōu)于純菌，所述的反硝化菌種可以選自假單胞菌屬或是產(chǎn)堿桿菌屬，這些菌種均為已知的并且已經(jīng)在生化處理氨氮廢水中廣泛應(yīng)用的菌種，其加入量為0.3?1.2g/L，其濃度可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種生物陰極型微生物燃料電池廢水處理系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括第一進(jìn)水管(1-1)、第二進(jìn)水管(1-2)、生物陽極(2)、第一出水管(4-1)、第二出水管(4-2)、陽極室(5)、分隔膜(9)、陰極室(10)和生物陰極(12);所述陽極室(5)下部側(cè)壁設(shè)有第一進(jìn)水管(1-1)，陽極室(5)上部側(cè)壁設(shè)有第一出水管(4-1)，陽極室(5)內(nèi)設(shè)有生物陽極(2)，陰極室(10)下部側(cè)壁設(shè)有第二進(jìn)水管(1-2)，陰極室(10)上部側(cè)壁設(shè)有第二出水管(4-2)，陰極室(10)內(nèi)設(shè)有生物陰極(12)，陽極室(5)通過分離膜(9)與陰極室(10)相連，所述陽極室(5)內(nèi)填充有陽極液(3)，所述陰極室(10)內(nèi)填充有陰極液(11)，所述陽極液⑶中含有產(chǎn)電菌種，所述陰極液中(3)中含有反硝化菌種。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物陰極型微生物燃料電池廢水處理系統(tǒng)，其特征在于，所述的生物陽極(2)和生物陰極(12)的導(dǎo)電材料為石墨氈、石墨板、碳?xì)只蛱疾?，生物陽極(2)的面積與陽極室(5)的體積之比為8?20m2: lm3，生物陰極(12)的面積與陰極室(10)的體積之比為8?20m2:1m3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物陰極型微生物燃料電池廢水處理系統(tǒng)，其特征在于，所述的分隔膜(9)的材料為質(zhì)子交換膜、陽離子交換膜、陰離子交換膜或雙極膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物陰極型微生物燃料電池廢水處理系統(tǒng)，其特征在于，，所述的陽極液⑶的體積占陽極室(5)體積的2/3?3/4，所述的陰極液(11)占陰極室(10)體積的2/3?3/4。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物陰極型微生物燃料電池廢水處理系統(tǒng)，其特征在于，所述生物陽極⑵和生物陰極(12)通過連接導(dǎo)線(6)與負(fù)載(7)兩端相連，所述負(fù)載(7)和電壓采集記錄儀(8)連接。
6.—種微生物燃料電池廢水處理廢水的方法，包括: 向生物陰極型微生物燃料電池的陰極液和陽極液中分別加入反硝化菌種和產(chǎn)電菌種。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種生物陰極型微生物燃料電池廢水處理系統(tǒng)和處理廢水的方法，該系統(tǒng)主要由陽極室、陰極室、膜組件和外電路系統(tǒng)組成，在陽極室微生物催化氧化有機(jī)物產(chǎn)生電子和質(zhì)子，電子被陽極捕集并通過外電路轉(zhuǎn)移到陰極上，質(zhì)子則通過分隔膜從陽極室遷移到陰極室，在陰極室中利用微生物作為催化劑將陰極的硝酸鹽最終還原為氮?dú)?。本發(fā)明的目的在于降低微生物燃料電池成本的同時(shí)在陰極室實(shí)現(xiàn)脫氮。本發(fā)明采用生物陰極和陽極產(chǎn)電來促進(jìn)污染物的降解，可實(shí)現(xiàn)同步廢水脫氮和生物產(chǎn)電，有效回收含氮廢水中蘊(yùn)含的能量，降低生物脫氮成本，處理效果好，性能高效穩(wěn)定。
【IPC分類】H01M8-16, C02F3-30
【公開號(hào)】CN104773827
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510172618
【發(fā)明人】李浩然, 李洪珊
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院過程工程研究所, 中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會(huì)
【公開日】2015年7月15日
【申請(qǐng)日】2015年4月13日