[发明专利]耦合厌氧氨氧化技术的阴极高效脱氮型微生物燃料电池

说明书

技术领域

本发明属于微生物电化学系统技术领域，尤其涉及一种耦合厌氧氨氧化技术的阴极高效脱氮型微生物燃料电池。

背景技术

近年来，随着产业规模的扩大和人类活动的加剧，生活污水和工业废水中的氮污染呈现浓度增高、排放量增大的趋势，高氮含量废水的随意排放，不仅容易引起水体富营养化，还会大量消耗水中的溶解氧，造成严重的水体环境破坏。同时由于能源日趋紧张，污染治理过程中的能耗问题逐渐被重视起来，开发节能工艺与产品是国内外环保界的重点研究方向。

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,简称MFC)是一种以产电微生物为催化剂，通过生物降解作用将存储在污染物中的化学能直接转化为电能的装置，阴极脱氮型MFC作为其应用的一种，兼具了同步脱氮除碳产电的性能，具有相当的现实意义和应用前景。其阳极中，有机物被降解产生电子，随即电子通过阳极电极、外电路、外置电阻后到达阴极电极，硝态氮和亚硝态氮等氮素污染物在阴极得到电子被还原成N₂。目前脱氮型MFC研究主要基于同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、同步脱碳氨氧化等反应去除氮素，但其共同的缺陷在于反应路线长、剩余污泥量大、能耗高，系统复杂，维护成本高。

厌氧氨氧化技术(Anaerobic Ammonium Oxidation，简称Anammox)是一种同时去除氨氮和亚硝氮的式高效脱氮技术，其在厌氧氨氧化菌作用下，以铵盐为电子供体，亚硝酸盐为电子受体，一步同时将两种污染物转化为氮气。将Anammox与双室型MFC耦合，创造阴极高效脱氮环境的同时获得电压输出是最新出现的理念，这不仅能解决MFC细菌氮负荷低的缺陷，还能给Anammox技术提供一个崭新的应用方向，很好地利用其高氮负荷、低污泥浓度、高反应速率的特点，非常值得进一步研究。

本发明所述MFC的原理为：阴、阳极室由质子交换膜隔开，形成相对独立的反应环境，在生物电化学耦合成功后，阴、阳极反应通过电子传递形成联系并相互影响，阳极中乙酸盐由电化学活性菌催化降解，产生的电子传递并富集于阳极电极上，随后其通过外电路传递至阴极电极，阴极室在发生厌氧氨氧化反应的同时，生成的硝酸盐因获得电子被进一步去除。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有阴极脱氮型MFC的缺陷，提供一种耦合厌氧氨氧化技术的阴极高效脱氮型微生物燃料电池，具体技术方案如下。

一种耦合厌氧氨氧化技术的阴极高效脱氮型微生物燃料电池，包括阳极电化学活性菌除碳系统、阴极厌氧氨氧化菌脱氮系统、外电路及数据在线采集系统、厌氧密闭采样系统、气压稳定系统、磁力搅拌系统；其中，阳极电化学活性菌除碳系统中各部件的结构关系为：在阳极室左侧装第一配亚克力隔板，在中间加入第一硅胶垫片并使用螺钉铆紧进行密封，阳极室右侧内部嵌入阳极电极碳毡，碳毡内部插入一根钛丝，并引出至阳极室外以供外电路连线，阳极室内部填充满电化学活性菌和阳极电解液；阴极厌氧氨氧化菌脱氮系统中各部件的结构关系为：在阴极室右侧装配另第二亚克力隔板，在中间加入第二硅胶垫片并使用螺钉铆紧进行密封，阴极室左侧内部嵌入阴极电极碳布，碳布右侧涂上一层铂碳催化层，并在旁边紧密贴合另一根钛丝，并引出至阴极室外以供外电路连线，阴极室内部填充满厌氧氨氧化菌和阴极电解液；外电路及数据在线采集系统中各部件的结构关系为：将阳极电化学活性菌除碳系统和阴极厌氧氨氧化菌脱氮系统进行拼合，中间夹入质子交换膜，质子交换膜的两侧均设有硅胶垫片，使用螺钉铆紧进行密封构成一个耦合整体，随后使用铜制导线连接至两根所述钛丝，并联接入电阻箱，再连至数据采集器进行数据采集，全周期不间断运行；所述厌氧密闭采样系统中各部件的结构关系为：在阳极室左侧、阴极室右侧分别打孔并插入亚克力管，使用亚克力胶粘牢后各自连接一个医用三通阀，并接入一次性注射器；所述气压稳定系统中各部件的结构关系为：在阳极室、阴极室顶部分别打孔并插入亚克力管，使用亚克力胶粘牢后各自连接一个医用三通阀，并接入蓝玻璃注射器；磁力搅拌系统中各部件的结构关系为：在阳极室、阴极室内部均加入磁力搅拌子，底部放置磁力搅拌器。

进一步地，所述反应器阳极室和阴极室构型大小完全相同，有效容积约28mL，进样口和取样口于两极室侧边，通过医用三通阀保证取样过程中双室的环境严格厌氧，通过一次性注射器取样，构成厌氧密闭采样系统。