[发明专利]硝化微生物燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池，尤其是一种硝化微生物燃料电池。

背景技术

在上世纪，化石燃料支撑了全球经济的发展，但化石燃料不可再生，将在未来100年或稍长时间内耗竭。在能源利用中，“开源节流”工作已现实地摆在人们面前。生物燃料电池（Microbial fuel cell, MFC）是以酶或微生物作为催化剂，将化学能直接转化成电能的装置。MFC技术具有原料来源广泛，基质转变为电能，操作条件温和，运行成本较低，不产生有害气体等诸多优点，被公认为极具开发前景的绿色可再生能源利用技术。

通常把氨氧化为亚硝酸盐或硝酸盐的生物反应称为生物硝化作用，简称为硝化作用（nitrification）。硝化作用是一个序列反应，先由氨氧化菌把氨氧化为亚硝酸盐，再由亚硝酸盐氧化菌把亚硝酸盐氧化成硝酸盐。硝化工艺（nitrification process）是通过工程措施，利用自养型硝化菌的作用将废水中的氨氧化为硝酸盐的处理方法。硝化工艺诞生于20世纪中叶，随着研究的深入和应用的普及，硝化工艺的类型不断增多，处理效能不断提高，已经成为一项重要的废水生物脱氮技术。氨是硝化作用的基质，处于最高还原态，在作为电子供体被氧化为硝酸盐的过程中，共释放8个电子。其中2个电子用于羟胺合成过程，以启动氨氧化反应，其余电子通过氨氧化菌和亚硝酸氧化菌的呼吸链传递给末端氧化酶，最终传递给氧；并在电子传递过程中实现氧化磷酸化，合成ATP。由此可知，氨与有机物一样，是生物反应的电子供体和生物生长的能源物质；作为硝化反应催化剂的氨氧化菌和亚硝酸氧化菌，具有与异养型产电微生物相似的电子介体和电子传递链。然而迄今为止，所见的MFC主要以有机物为能源，罕见以无机物为能源的MFC；特别是基于硝化作用的MFC，目前仅有个别报道，而且所报道的MFC存在着电池结构复杂、操作条件苛刻、电池性能较差、能源利用率低下等缺陷。

针对现有微生物燃料电池的上述缺陷，本发明以氨氧化菌和亚硝酸氧化菌为产电菌，实现了以无机物氨为燃料的产电；产电基质为无机离子，电池内阻低，产电过程中不释放温室效应气体二氧化碳，是一种清洁能源生产装置；阳极室内设有内循环硝化反应器，所构建的双室型硝化微生物燃料电池结构简单，操作条件温和，阳极室反应器仅部分区域曝气，既能提供启动氨氧化反应所需要的溶解氧，又能防止氧浓度过高，导致电子损失；以强氧化剂高锰酸钾为阴极液，阴极电势高，电池性能较好，能源利用率较高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种硝化微生物燃料电池。

硝化微生物燃料电池由阳极室、阴极室和质子交换膜组成；阳极室和阴极室中间设有质子交换膜并通过法兰连接；阳极室设有阳极室立方形反应器和密封盖，阳极室立方形反应器和密封盖之间通过法兰连接；立方形反应器下部设有进水管，立方形反应器上部设有出水管，立方形反应器中部设有曝气区、反应区和隔离板，曝气区和反应区由隔离板分开，上下连通并充注产电基质；产电基质中放置硝化菌挂膜阳极，反应区顶部密封盖上设有阳极导线固定管；曝气区底部设有布气管；阴极室设有阴极室立方形反应器和密封盖，阴极室立方形反应器和密封盖之间通过法兰连接；阴极室立方形反应器下部设有进水管，阴极室立方形反应器上部设有出水管，阴极室立方形反应器浸有阴极液；立方形反应器阴极液中放置阴极，顶部密封盖上设有阴极导线固定管。

所述的产电基质为含有氯化铵的无机废水，pH值为8.0~8.5，其中添加2.0 g/L KHCO₃、0.35 g/L K₂HPO₄、0.35 g/L Na₂HPO₄和0.25 mL/L 无机盐溶液；无机盐溶液成分为：CaCl₂.2H₂O，7.34 g/L；MgCl₂.6H₂O，25.07 g/L；FeCl₃.6H₂O，4.8 g/L；MnCl₂.4H₂O，1.03 g/L；ZnCl₂.2H₂O，0.01 g/L；CuCl₂.2H₂O，0.112 g/L；NaMoO₄.2H₂O，0.0025 g/L。