[实用新型]同步脱氮除磷微生物燃料电池

说明书

技术领域

本实用新型属于生物燃料电池技术领域，尤其涉及一种同步脱氮除磷微生物燃料电池。

背景技术

氮、磷过量排放引起的水体富营养化是当前国家政府和公众最为关注的环境问题之一。中国农科院最新研究结果显示，我国水污染的核心问题就是水体的氮、磷富营养化。目前，随着有机碳污染治理已经从技术上基本解决，同步生物脱氮除磷工艺成为废水生物处理技术研究的热点。同步生物脱氮除磷工艺可通过A（缺氧）/O（好氧）工艺实现。废水和回流污泥先进入缺氧池，与此同时，后续反应器内已充分反应的硝化液也部分回流到缺氧池。缺氧池内的反硝化菌以废水中有机物作为电子供体，以回流液中硝酸盐作为电子受体，将硝酸盐还原为氮气，聚磷菌在缺氧条件下，将菌体内积累的磷分解，释放到环境中；之后，混合液进入好氧池，硝化菌完成硝化反应，聚磷菌则过量吸磷，有机物也得到氧化分解，从而实现同步脱氮除磷效果。

微生物燃料电池（Microbial fuel cell, MFC）是一种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。采用MFC处理废水，不仅是废水处理理念的更新，也是废水处理技术的创新。它不单纯将废水中的污染物质作为处理对象，而是看作是一种能量来源。用MFC处理工艺，不仅净化了废水，而且获得了能量；还具有能量转化率高，可在常温常压下运行等优点。近年来，MFC处理工艺日益受到关注，成为环保领域的前沿课题和研究热点，具有不可估量的发展潜力。

以葡萄糖作为基质的MFC为例，其阳极和阴极反应如下式所示：

阳极反应　C₆H₁₂O₆ + 6H₂O → 6CO₂ + 24 e^- + 24H⁺

阴极反应　6O₂ + 24e^- + 24H⁺ → 12H₂O

其具体工作过程为：阳极室内的微生物代谢葡萄糖，产生电子和质子。电子直接或间接（通过中介体）传递到阳极，再经由外电路到达阴极。质子则通过膜渗透到阴极室。在阴极室内，质子、电子和电子受体反应生成水。阴阳两级之间存在电位差，从而产生可捕获的电能。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种同步脱氮除磷微生物燃料电池。

本实用新型包括恒温搅拌系统、反应系统和数据采集监测系统，恒温搅拌系统包括恒温磁力搅拌器和磁力搅拌子；反应系统包括阴极反应室、阳极反应室和质子交换膜。阴极反应室设有阴极进水管和阴极出水管，阳极反应室设有阳极进水管和阳极出水管。阴极反应室内装有阴极产电基质，阴极产电基质中浸有活性污泥和附着该活性污泥的挂膜阴极，阴极反应室顶部设有阴极导线固定管、阴极取样管和阴极参比电极固定管，阴极出水管与外置曝气装置管路相连，外置曝气装置的出水口与蠕动泵的一端管路相连；蠕动泵的另一端与阴极进水管管路连接。阳极反应室内装有阳极产电基质，阳极产电基质中浸有活性污泥和附着该活性污泥的挂膜阳极，阳极反应室顶部设有阳极导线固定管、阳极取样管和阳极参比电极固定管；阴极反应室和阳极反应室之间设置有质子交换膜，质子交换膜外围设置有密封圈，防止阴极产电基质和阳极产电基质泄漏。数据采集监测系统包括负载、导线、数据采集器和计算机，负载两端通过导线分别与挂膜阴极和挂膜阳极相连；同时负载两端通过导线与数据采集器的输入端相连接，数据采集器的输出端与计算机输入端相连接。

所述的活性污泥为具有脱氮除磷功能的活性污泥。

所述的阳极产电基质为含有有机物、氨氮和磷酸盐的废水，pH值为7.0～7.5。  

所述的阴极反应室和阳极反应室高径比为1～3:1，阴极产电基质体积占阴极反应室体积的2/3～3/4，阳极产电基质体积占阳极反应室体积的2/3～3/4，具有脱氮除磷功能的活性污泥体积占产电基质体积的1/3～1/5。

所述的挂膜阴极和挂膜阳极的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板，挂膜阴极和挂膜阳极表面附着有具有脱氮除磷功能的生物膜，挂膜阴极和挂膜阳极之间的距离为3～6cm，挂膜阴极或挂膜阳极面积与阴极反应室或阳极反应室体积之比为9～40 m²:1 m³。

所述的数据采集器为普通数据采集器。

本实用新型具有的有益效果：

（1）本实用新型利用具有脱氮除磷功能的活性污泥进行废水处理和生物产电，无需添加电子中介体；可实现废水污染控制和电能生产同时进行；