[实用新型]从废水处理中回收电能的微生物燃料电池

说明书

技术领域：

本实用新型涉及一种可以在去除废水中有机物的同时，获得电能的微生物燃料电池装置，属于生物质能源回收利用技术领域。

背景技术：

生物质是一种可再生能源，储量丰富，作为化石能源的替代能源利用，可实现CO₂零排放，且其中S、N含量低，可大大减轻温室效应和环境污染。可回收能源的生物质种类很多，有机废水就是其中一类。从有机废水中可回收的能源目前主要有甲烷、氢气和电能三种类型，都是在微生物降解有机物的过程中产生的。

有机物在厌氧条件下通过发酵转化为甲烷气体，是传统的高浓度有机废水处理和能源回收的技术方法，由于产甲烷细菌对环境条件极为敏感，很难控制适宜的条件达到厌氧生物处理系统的稳定，同时甲烷属于温室气体，非环境友好能源材料，因此，该方法的应用受到一定的限制。

氢气被认为是最具开发潜力的清洁能源之一，利用发酵微生物从废水中提取氢气是获得廉价氢气的有效途径。但目前这种方法氢气的转化率较低，总效率不到理论转化率的30％，只能将15％的废水中的有机质能量转化成氢气形式，尚不具备开发利用的经济价值，离实际应用还有很长的距离。

利用微生物直接将废水中的有机物质的化学能转变为电能的装置叫微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，简称MFC)。由于MFC可以将废水中的各种有机质化学能直接转化为电能，不仅能量转化效率高、无污染，而且在获得电能的同时可以净化废水，削减或消除污染，因而日益受到人们的关注。

目前，MFC的典型设计是采用双室结构，容纳微生物的阳极室通过质子交换膜与阴极室隔离，有机质在阳极室被厌氧微生物降解过程中产生的电子由阳极经外部电路传输到阴极室，与其同时，质子通过质子交换膜也由阳极室进入阴极室，从而构成电流回路，并通过外部电路连接电气元件回收或利用电能，氧分子、质子与电子在阴极室内化合生成水。由于使用质子交换膜和贵金属铂电极，并且需要不断给阴极室充入空气为阴极室供氧，因此，典型的MFC不仅构造复杂，造价与内电阻较高，而且还需要消耗许多外部动力，限制了其电能产出效率和推广应用。

中国专利授权公开号CN1164509C，授权公开日为2004年9月1日，名称为“一种用于废水处理的使用废水和活性污泥的生物燃料电池”，公开了“一种使用废水作燃料的生物燃料电池，其技术方案的要点是：采用双室微生物燃料电池，用质子交换膜分隔阳极室与阴极室，运行时不断向阳极室吹入氮气以维持厌氧条件，并不断向阴极室通入空气以获得较高的溶解氧浓度。”该实用新型虽然能利用微生物的作用，在降解有机废水的同时获得电能，但其构造复杂、构建成本高、内电阻高，且运行成本高，实用推广难。

近年来，研究构建空气阴极、有质子交换膜或无膜单室微生物燃料电池取得了一定成果，但仍然受电极材料和结构限制，只能构建尺寸在几厘米到十几厘米的小型实验装置，难以应用于实际废水处理过程。如中国专利授权公开号CN1874040A，授权公开日为2006年12月6日，名称为“一种以有机废水为燃料的单池式微生物电池”，公开了“一种以有机废水为燃料的单池式微生物电池，其技术方案的要点是：采用单室微生物燃料电池，包括有机废水与厌氧微生物充填的阳极室，阳极位于阳极室封闭端，阴极位于阳极室开口端，并将阳极室封闭，质子交换膜热压于阴极内表面。有机物在阳极室被微生物降解产生的电子通过阳极经外部电路到达阴极，同时质子通过质子交换膜到达阴极，而空气中的氧气可直接通过阴极外表面扩散进入阴极内表面，氧分子、质子与电子结合生成水。”该实用新型简化了微生物燃料电池的构造和运行，并利用空气阴极，运行时无需通气供氧，运行成本大大降低。该实用新型也可以去掉质子交换膜，进一步降低成本。但该实用新型采用碳布、碳纸或其它材料作为阳极，存在以下不足：

1、阳极表面积很小，能容纳的微生物数量很少，降解有机物和产电的能力非常有限；

2、受阳极与阴极间距离的限制，该实用新型只能构建容积很小的微生物燃料电池，难以实际运用；

3、该实用新型虽然可以不使用质子交换膜，但由于装置规模太小，在不使用质子交换膜时，自阴极扩散进入阳极室的微量氧气必将对阳极室厌氧环境造成较大影响，从而影响电能产生和运行的稳定；

4、碳布或碳纸价格高、易脆裂，对安装要求高，难以大规模使用。

实用新型内容：