[发明专利]一种化学修饰生物阴极的微生物燃料电池系统

说明书

本发明涉及一种化学修饰生物阴极的微生物燃料电池系统，该系统包括阳极室，阴极室，以及阳极室与阴极室之间的质子交换膜，所述的阳极室由阳极液及阳极组成，所述的阴极室由阴极液及阴极组成，所述系统还包括连接有阳极、阴极的导线及导线上的电路电阻，所述的阴极表面负载有化学修饰层，该化学修饰层上接种有好氧生物。与现有技术相比，本发明既能提供较优的阴极催化性能，提高阴极电势，还能为接种好氧微生物提供易于附着生长的环境，更利于好氧生物阴极的启动。整个系统结构简单紧凑，操作过程耗能低，可实现同步阴极硝化去除氨氮，阳极讲解污染物并整体产电的功能，具有很好的开发运用前景。

技术领域

本发明属于污水处理技术与设备领域，涉及一种微生物燃料电池阴极修饰及 其在好氧生物阴极MFC中的应用。

背景技术

大量有机污染物的排放，导致河水中的氨氮浓度不断上升，由于NH₄⁺-N的氧 化，会造成水体中溶解氧浓度降低，导致水体发黑发臭，水质下降，对水生动植物 的生存造成影响。在有利的环境条件下，废水中所含的有机氮将会转化成NH₄⁺-N， NH₄⁺-N是还原力最强的无机氮形态，会进一步转化成NO₂^--N和NO₃^--N。水中氮 素含量太多会导致水体富营养化，进而造成一系列的严重后果。由于氮的存在，致 使光合微生物(大多数为藻类)的数量增加，即水体发生富营养化现象，藻类代谢 的终产物可产生引起有色度和味道的化合物；由于蓝-绿藻类产生的毒素，家畜损 伤，鱼类死亡；藻类的腐烂使水体中出现氧亏现象。水中的NO₂—N和NO₃--N对 人和水生生物有较大的危害作用。长期饮用NO₃—N含量超过10mg/L的水，会发 生高铁血红蛋白症。

微生物燃料电池(Microbial fuel cells，MFCs)是一种新兴的产电技术，可将各种 有机物质转化为电能，不仅具有较高的能量转化效率，且在获得能量的同时可以处 理污染物质，具有传统的废水处理工艺所不能达到的技术优势。Huggins等比较了 处理有机废水时，微生物燃料电池工艺及传统的好氧处理工艺在污染物降解及能源 消耗方面的差异，研究指出MFC相较传统工艺而言处理时间耗时较长，但其大幅 度节约了污水处理的能源消耗，利用MFC处理废水沼液，在减轻废水污染的同时 可以产生电能，补偿污水处理过程中的能源消耗，是一种有效的废水沼液资源化处 理方式。

生物电化学系统利用微生物作为催化剂加速阳极氧化或阴极还原反应，BES 系统可以产电，以微生物燃料电池(MFC)方式运行，也可以利用外部电能，以 微生物电解池(MEC)模式运行，它是一种可利用微生物的催化作用，将有机物 中的化学能直接转化为电能的装置。在阴极的选择上，氧气作为阴极电子受体由于 其来源广、无成本的特点，成为研究者的研究热点。但在氧还原MFC的研究上存 在以下问题：(1)贵金属铂作为氧还原催化剂带来的高成本；(2)单室空气阴极存 在漏液问题，且碳布阴极扩大后的卷曲、破裂问题，也使得其推广应用存在难度； (3)化学阴极无法与阳极共同处理废水，无法充分利用MFC的处理空间。这些 均制约了氧还原阴极MFC的发展。有文献报道生物阴极可以催化氧还原，也有文 献修饰电极提高电池性能。

目前，微生物燃料电池用于氨氮废水的处理及生物好氧生物阴极的相关技术已有出现。