申请日2015.03.26
公开(公告)日2015.08.26
IPC分类号C02F3/30; H01M8/16
摘要
一种耦合A2/O工艺处理生活污水并产电的微生物燃料电池，该微生物燃料电池的反应器整体由阳极室、阴极室和曝气室组成;阳极室和阴极室之间通过隔板隔开，阳极室和阴极室之间的隔板上设有小孔;阴极室和曝气室之间同样设置隔板隔开，阴极室和曝气室之间的隔板上设有小孔;阳极室和阴极室上面设置有密封盖;密封盖上固定有数组阳极碳刷电极和阴极碳刷电极，各组电极并排放置且各电极之间通过负载相连，并用导线与数据采集卡连接;阳极室的一侧设置有进水口;曝气室与进水口同侧设置有出水口;反硝化污泥位于阴极室内部。
摘要附图
权利要求书
1.一种耦合A2/O工艺处理生活污水并产电的微生物燃料电池， 其特征在于：该微生物燃料电池的反应器整体(19)由阳极室 (13)、阴极室(12)和曝气室(8)组成;阳极室(13)和阴极室 (12)之间通过隔板(16)隔开，阳极室(13)和阴极室(12)之 间的隔板(16)上设有小孔，以保证污水和污泥顺利流过;阴极室 (13)和曝气室(8)之间同样设置隔板(16)隔开，阴极室(13) 和曝气室(8)之间的隔板(16)上设有小孔，保证阴极室(12)在 缺氧状态的同时提供污水和污泥的流通;阳极室(13)和阴极室 (12)上面设置有密封盖(4)，用以创造阳极室(13)的厌氧环境 和阴极室(12)的缺氧环境;所述密封盖(4)上固定有数组阳极碳 刷电极(2)和阴极碳刷电极(3)，各组电极并排放置且各电极之 间通过负载(15)相连，并用导线与数据采集卡(7)连接;所述阳 极室(13)的一侧设置有进水口(1);所述曝气室(8)与进水口 (1)同侧设置有出水口(5);所述出水口(5)的上方3cm处设 置内回流出水口(6);所述曝气头(9)位于曝气池(8)内;所述 曝气泵(10)位于反应器(19)外，曝气泵(10)通过曝气管与曝 气头(9)相连;所述蠕动泵(11)位于反应器(19)外，蠕动泵 (11)与进水口(1)连接;厌氧污泥(14)位于阳极室(13)内部; 阴极室(12)的一侧设置内回流进水口(17)，与进水口(1)异侧; 所述反硝化污泥(18)位于阴极室(12)内部。
2.根据权利要求1所述的一种耦合A2/O工艺处理生活污水并 产电的微生物燃料电池，其特征在于：所述的反应器阳极室(13) 和阴极室(12)长宽高之比均为5:2:3～5:2:2.5;反应器阳极室(13)、 阴极室(12)和曝气室(8)的容积比例为1:1:3;反应器总体(19) 的长宽高之比为4.5:2:1.5～4.5:2:1.2;反应器内溶液占反应器体积的 90%以上，产电污泥占阳极室体积的1/10～1/5。
3.根据权利要求1所述的一种耦合A2/O工艺处理生活污水并 产电的微生物燃料电池，其特征在于：所述的污水为COD含量在 300～500mg/L的生活污水，并且含有小于30mg/L的氨氮，pH值为 7.5～8.5;其中添加0.5g/L的NaCl，0.05g/L的MgCl2，0.015g/L的 CaCl2·7H2O。
4.根据权利要求1所述的一种耦合A2/O工艺处理生活污水并 产电的微生物燃料电池，其特征在于：所述的阳极室(13)和阴极 室(12)上面设置密封盖(4)，密封盖上面打孔固定各组阳极碳刷 电极(2)、阴极碳刷电极(3)，各组阳极碳刷电极(2)、阴极碳 刷电极(3)之间间距在5cm到8cm，各电极组数根据具体需要而定; 阴、阳电极对之间的距离在8cm到10cm。
5.根据权利要求1所述的一种耦合A2/O工艺处理生活污水并 产电的微生物燃料电池，其特征在于：所述阳极碳刷电极(2)、阴 极碳刷电极(3)、的电极材料为碳刷电极，电极直径为5cm，长 10cm，浸没于水面之下，距离反应器(19)底部0.5～1.0cm;碳刷 由钛丝和碳纤维制成，碳纤维是在丙酮溶液中浸泡24h，并经450℃ 马弗炉中烘烤1h处理。
6.根据权利要求1所述的一种耦合A2/O工艺处理生活污水并产 电的微生物燃料电池，其特征在于：所述隔板(16)在靠近反应器 (19)器壁一侧开有的小孔尺寸为1cm～1.5cm。
7.根据权利要求1所述的一种耦合A2/O工艺处理生活污水并 产电的微生物燃料电池，其特征在于：所述的阳极室(13)和阴极 室(12)之间为开口的无膜结构，反应器溶液中无添加传质介体， 属于无膜无介体微生物燃料电池。
8.根据权利要求1所述的一种耦合A2/O工艺处理生活污水并 产电的微生物燃料电池，其特征在于：，污水由进水口(1)进入阳 极室(13)，在厌氧污泥(14)的作用下发生厌氧消化反应，后流 入阴极室(12)在反硝化细菌(18)的作用下发生反硝化反应;最 后污水在曝气室(8)中发生好氧硝化反应，由曝气泵(10)和置于 曝气室(8)内的曝气头(9)提供氧气;曝气后的混合液由蠕动泵 (11)从曝气室的回流口(6)和阴极室的回流口(17)进行内回流 循环，处理后的水经由出水口(5)进入二沉池;
具体而言，污水由进水口(1)缓慢进入阳极室(13)，阳极室 (13)中的厌氧污泥(14)(部分附着在阳极碳刷上)氧化污水中 的有机物并产生电子和质子;电子通过碳刷的钛丝传递到阴极，质 子随污水流入阴极室(12);在阳极室(13)未消耗完全的有机物 流入到阴极室(12)作为阴极反硝化微生物的碳源，阴极室(12) 的硝酸根离子在反硝化菌的作用下接受阳极传递来的电子发生反硝 化反应生成N2;阴极室(12)的硝酸根离子主要来自于曝气室(8) 回流的混合液，经过阳极室(13)和阴极室(12)的作用，污水流 到曝气室(8)进行好氧硝化反应，将氨氮氧化成硝态氮;曝气室 (8)中的混合液经过蠕动泵(11)回流到阴极室(12)，其中的硝 态氮或氧气作为阴极碳刷电极(3)的电子受体;阳极碳刷电极(2) 和阴极碳刷电极(3)连接的外电路形成闭合回路，产生电流;反应 系统在完成脱氮除碳的同时产生电能，可以为小功率的用电器或者 传感器供电，并且电子在阴极碳刷电极(3)强化了系统的脱氮效率， 实现了A2/O工艺与MFC技术的耦合来处理生活污水同时产电的目 的。
说明书
一种耦合A2/O工艺处理生活污水并产电的微生物燃料电池
技术领域
本发明涉及微生物燃料电池，尤其涉及一种耦合A2/O工艺处理 生活污水并产电的微生物燃料电池。
背景技术
A2/O工艺是以传统的活性污泥法处理污水的技术，污水在厌氧 池中发生厌氧消化反应，在缺氧池中发生缺氧反硝化反应进行脱氮。 A2/O工艺作为污水处理的关键技术在现代城市污水处理中起到举足 轻重的作用，同时降低A2/O在污水处理过程中的高能耗是近年来的 研究重点。城市生活污水中含有大量的有机污染物，据估计其中含有 的能量是处理污水所消耗能量的9.3倍，若将废水中的化学能回收利 用，不但处理了生活污水还产生了额外的电能。
微生物燃料电池(MicrobialFuelCell，MFC)是一种利用微生物 作为催化剂直接将废水中的有机化学能转化为电能的装置。因为污水 中含有许多有机污染物，蕴藏着大量的化学能，MFC技术可以利用 微生物的代谢活性有效地将各种有机物降解并转移电子，所以MFC 技术不但可以用来处理污水，而且还能从污水中获得电能，从而受到 学术界的广泛关注。
根据A2/O工艺的特点结合MFC技术处理生活污水并产电实现了 资源的合理化利用，是可持续的污水处理新技术。本发明以A2/O工 艺为基础，利用MFC技术在处理污水的同时产生电能，以A2/O工艺 的厌氧池作为MFC的阳极室，A2/O工艺的缺氧池作为MFC的阴极 室。在阳极室(厌氧池)产电微生物富基于碳刷电极上氧化有机物产 生电子和质子，电子通过外电路传递到阴极室(缺氧池)参与在阴极 室(缺氧池)发生的反硝化脱氮反应或氧还原反应;质子在水流的作 用下传递到阴极室(缺氧池)与硝酸根离子或者氧气结合产生水。在 阴极室(缺氧池)从曝气室回流的硝酸根离子或者氧气可直接作为阴 极的电子受体，无需另外添加电子受体;该发明无需添加电子中介体， 以含氮生活污水为产电基质，阴、阳两极处于同相溶液内，不设置质 子交换，可以有效降低电池内阻，电池性能好，提高产电效率。
发明内容
本发明的目的是利用A2/O工艺和MFC技术的特点，提供一种耦 合A2/O工艺处理生活污水并产电的微生物燃料电池。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种耦合A2/O工艺 处理生活污水并产电的微生物燃料电池，该微生物燃料电池的反应器 整体(19)由阳极室(13)、阴极室(12)和曝气室(8)组成;阳 极室(13)和阴极室(12)之间通过隔板(16)隔开，阳极室(13) 和阴极室(12)之间的隔板(16)上设有小孔，以保证污水和污泥顺 利流过;阴极室(13)和曝气室(8)之间同样设置隔板(16)隔开， 阴极室(13)和曝气室(8)之间的隔板(16)上设有小孔，保证阴 极室(12)在缺氧状态的同时提供污水和污泥的流通;阳极室(13) 和阴极室(12)上面设置有密封盖(4)，用以创造阳极室(13)的 厌氧环境和阴极室(12)的缺氧环境;所述密封盖(4)上固定有数 组阳极碳刷电极(2)和阴极碳刷电极(3)，各组电极并排放置且各 电极之间通过负载(15)相连，并用导线与数据采集卡(7)连接; 所述阳极室(13)的一侧设置有进水口(1);所述曝气室(8)与进 水口(1)同侧设置有出水口(5);所述出水口(5)的上方3cm处 设置内回流出水口(6);所述曝气头(9)位于曝气池(8)内;所 述曝气泵(10)位于反应器(19)外，曝气泵(10)通过曝气管与曝 气头(9)相连;所述蠕动泵(11)位于反应器(19)外，蠕动泵(11) 与进水口(1)连接;厌氧污泥(14)位于阳极室(13)内部;阴极 室(12)的一侧设置内回流进水口(17)，与进水口(1)异侧;所 述反硝化污泥(18)位于阴极室(12)内部。
所述的反应器阳极室(13)和阴极室(12)长宽高之比均为 5:2:3～5:2:2.5;反应器阳极室(13)、阴极室(12)和曝气室(8)的 容积比例为1:1:3;反应器总体(19)的长宽高之比为 4.5:2:1.5～4.5:2:1.2。反应器内溶液占反应器体积的90%以上，产电污 泥占阳极室体积的1/10～1/5。
所述的污水为COD含量在300～500mg/L的生活污水，并且含有 小于30mg/L的氨氮，pH值为7.5～8.5。其中添加0.5g/L的NaCl， 0.05g/L的MgCl2，0.015g/L的CaCl2·7H2O，还有一些其他微量元素 和营养物质等。
所述的阳极室(13)和阴极室(12)上面设置密封盖(4)，密 封盖上面打孔固定各组阳极碳刷电极(2)、阴极碳刷电极(3)，各 组阳极碳刷电极(2)、阴极碳刷电极(3)之间间距在5cm到8cm， 各电极组数根据具体需要而定;阴、阳电极对之间的距离在8cm到 10cm。
所述阳极碳刷电极(2)、阴极碳刷电极(3)、的电极材料为碳 刷电极，电极直径为5cm，长10cm，浸没于水面之下，距离反应器 (19)底部0.5～1.0cm;碳刷由钛丝和碳纤维制成，碳纤维是在丙酮 溶液中浸泡24h，并经450℃马弗炉中烘烤1h处理。
所述隔板(16)在靠近反应器(19)器壁一侧开有的小孔尺寸为 1cm～1.5cm。
所述的阳极室(13)和阴极室(12)之间为开口的无膜结构，反 应器溶液中无添加传质介体，属于无膜无介体微生物燃料电池。
本发明与现有技术相比的有益效果是：1)以A2/O工艺为基础， 利用MFC技术的特点，实现了脱氮除碳的同时产生电能。2)阴、阳 两极处于同相溶液中，不需要添加电子中介体，不需要质子交换膜， 硝酸根离子或者氧气可接直接作为阴极电子受体，装置结构简单，易 于放大和工程应用。3)阳极产生的电子被传递到阴极，强化了阴极 的脱氮效果，并且可以根据污水含氮量的大小适当调节内回流比，为 阴极提供足够的电子受体。4)反应器构造简单，可以直接对传统A2/O 工艺进行改造，就能实现良好污水的处理效果并且产生稳定的电能。 实验室运行结果表明，耦合A2/O工艺处理生活污水并产电的微生物 燃料电池具有良好的同步脱氮除碳产电性能，污染物去除率高，产电 性能稳定。