申请日2014.01.24
公开(公告)日2014.06.18
IPC分类号C02F3/28; H01M8/16
摘要
本发明公开了一种交互式三室生物燃料电池装置及其应用于废水脱氮的方法，属于污水生物修复领域，特别是涉及用于含硝态氮废水的反硝化脱氮处理方法。本发明在传统的双室生物燃料电池的基础上，阴极使用硝酸盐作为电子受体代替氧气，并构建了中间阳极室、两侧阴极室的三室生物燃料电池。同时通过控制开关交互式控制中间阳极与两边阴极的闭合、断开状态，使得阴极的电极反硝化与非电极反硝化过程合理配合进行。该方法可持续地产生电流并有效去除硝态氮，同时节省了反硝化所需的有机碳源，是一种基于节能降耗的新型污水处理方法，有良好的应用前景。
权利要求书
1.一种交互式三室生物燃料电池装置，包括：中间阳极室(1)、两侧阴极室(2)、外电路及电阻(8)、交互式控制开关(9)，所述的中间阳极室(1)包括电极室、进出水口(4)(5)、加样口(7)，内接种厌氧污泥，控制厌氧状态，并放置碳毡材料的阳极(1);
其特征在于:
所述的阴极室(2)，包含进出水口(4), (5)、加样口(7)，内接种经过驯化的缺氧污泥，并放置表面积为28cm2的碳毡材料作为阴极(2);
所述的两侧阴极室(2A，B)，包括镜像对称的两个(A、B)室，容积均为350cm2，分别由直径20cm的质子交换膜(3)与阳极室分隔;
所述的外电路及电阻(8)将阳极与两个阴极分别相连，外电阻固定为800欧姆，由三个电极室构成了两个镜像对称的生物燃料电池;
所述的交互式开关(9)与阳极(1)相连，并交替控制阳极和两个阴极的闭合与断开。
2.一种基于权利要求1所述的交互式三室生物燃料电池装置应用于废水脱氮的方法，包括如下步骤：
步骤一：将阳极室(1)接种厌氧污泥、两个阴极室(2)均接种经过驯化的缺氧反硝化污泥;
其特征是还包括如下步骤：
步骤二：需要处理的含硝态氮的废水序批式地交替进入该三室生物燃料电池的两侧阴极室(A，B)，首先A侧阴极与阳极断开，A侧阴极室进水，进行利用有机碳源的非电极反硝化;
步骤三：24h过后，B侧阴极(与阳极断开)室进水，进行利用有机碳源的非电极反硝化，此时，A侧阴极室有机碳消耗殆尽(进入低碳源状态)，交互开关控制阳极与A侧阴极连通，A侧阴极室进行利用阴极电子的电极反硝化，并同时产生电能;
步骤四：再24h过后，B侧阴极进入低碳源状态，交互开关控制阳极与B侧阴极连通，B侧阴极室进行电极反硝化，并同时产生电能，而A侧阴极室排水，并进入新的废水;
步骤五：重复上述步骤二、三和四，两个阴极室交替进水、排水，并配合交互式开关(9)，控制阳极(1)始终与“低碳源”的阴极相连，使得两个电池交替运行。
说明书
交互式三室生物燃料电池装置及其应用于废水脱氮的方法
技术领域
本发明涉及水处理及资源化利用领域，具体地说是高效处理含硝态氮废水并同时实现电能回收的一种交互式三室生物燃料电池及其应用于废水脱氮的方法。
背景技术
氮素的过量排放可导致水体富营养化，给人类带来巨大危害。“十二五”以来，我国仍坚持深入贯彻节约资源和保护环境基本国策，发展循环经济，“节能减排”问题一直以来是研究的热点。因此，面对不断增长的污水氮素削减的压力，亟待开发出“节能减排”的污水脱氮新技术。
微生物燃料电池(MFC，亦简称生物燃料电池)是21世纪水处理领域的高新技术，是一种新型的污水生物修复技术, 具有同时去除有机污染物并获得能源输出的优点，近年来在废水处理领域也得到了越来越多的关注。根据已有的研究成果，MFC将有望应用于实际废水脱氮工程，成为新型的节能、高效的废水脱氮技术。
传统的生物反硝化脱氮过程中，有机碳源是重要的限制性因素。 而我国市政污水处理厂普遍进水有机碳源不足，导致脱氮效率低。若碳氮比值过高，剩余有机物需进一步处理;若碳氮比低，则反硝化效率低，且有亚硝酸盐的积累。
MFC阴极反硝化过程，由于引入了电极的还原作用，所需的电子一部分可来源于有机碳源在微生物代谢过程中产生的电子，另一部分(在生物的催化下)可从阴极电极上直接得到，因此MFC在实际废水脱氮过程中可利用的电子供体更为广泛，其脱氮过程是非电极反硝化和电极反硝化共同作用的结果。所以，使用MFC对污水进行反硝化脱氮，可有效降低碳氮比，能够弥补污水反硝化所需有机碳源不足的问题。
目前，国内外学者对微生物燃料电池脱氮方面已经开展了大量的研究。Clauwaert等首次证实了生物阴极型MFC能够用于反硝化，在MFC中实现了同时脱氮、除碳和产电的功能，得到了每天0.146 kg/m3 硝酸盐的去除率。Virdis等通过外接好氧硝化反应器，把传统脱氮的A/O工艺与MFC串联结合，同时进行脱氮、除碳，可实现每天2kg/m3 COD和0.41 kg/m3硝酸盐的去除率。随后Virdis等把外加的硝化反应器去掉，在阴极室进行同步生物硝化和反硝化反应,得到了94.1%的氮去除率。Xie等则构建了好氧生物阴极MFC和厌氧生物阴极MFC耦合系统，对COD、氨氮和总氮的去除率分别可达到98.8%，97.4%和97.3%。黄霞等公开了一种生物阴极型微生物燃料电池，由阳极室、好氧阴极室和缺氧阴极室组成，在去除有机物和产电的同时进行脱氮。于昌平等公开了一种提高脱氮效果的微生物燃料电池废水处理系统，向阴极室接种硝化污泥和投加包埋好氧反硝化细菌颗粒，使硝化作用和反硝化在一个反应区协同发挥作用，充分利用阴极的DO和剩余碳源，达到脱氮和进一步去除COD目的。
然而，利用反硝化微生物燃料电池进行废水脱氮，现有技术仍存在许多的难点。其中，电极反硝化与非电极反硝化在阴极室体系中的竞争性是主要的矛盾。已有的研究表明，生物反硝化过程中，硝态氮将优先利用有机碳源(而不是电极电子)作为电子供体进行反硝化过程。也即，较高浓度的有机碳源对电极反硝化具有抑制作用。在阴极室，当两种电子供体(有机碳源和阴极电子)共存时，非电极反硝化作用较强，电极反硝化作用较弱，将使得电池的产电能力低，且浪费有机碳源;但另一方面，如果不投加有机碳源，仅依靠电极反硝化作用，反硝化的速率又很低，影响脱氮效率。该矛盾使得反硝化微生物燃料电池的应用前景受到了质疑。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于构建新型组合式生物燃料电池并采用合理方法实现其高效生物反硝化的功能，同时克服现有技术的不足，解决现有技术中阴极室内电极反硝化与非电极反硝化两个过程的矛盾，使得装置在高效产电、脱氮的基础上，能够充分利用电子供体，节约反硝化有机碳源的消耗。
1.一种交互式三室生物燃料电池装置，包括：中间阳极室(1)、两侧阴极室(2)、外电路及电阻(8)、交互式控制开关(9)，所述的中间阳阳极室极室(1)包括电极室、进出水口(4)(5)、加样口(7)，内接种厌氧污泥，控制厌氧状态，并放置碳毡材料的阳极(1);
其特征在于:
所述的阴极室(2)，包含进出水口(4), (5)、加样口(7)，内接种经过驯化的缺氧污泥，并放置表面积为28cm2的碳毡材料作为阴极(2);
所述的两侧阴极室(2A，B)，包括镜像对称的两个(A、B)，容积均为350cm2，分别由直径20cm的质子交换膜(3)与阳极室分隔;
所述的外电路及电阻(8)将阳极与两个阴极分别相连，外电阻固定为800欧姆，由三个电极室构成了两个镜像对称的生物燃料电池;
所述的交互式开关(9)与阳极(1)相连，用于控制选择与阳极相连的阴极，交替地与两个阴极组成闭合电路，且阳极一直保持运行的状态。
2.一种基于上述交互式三室生物燃料电池装置应用于废水脱氮的方法，包括如下步骤：
步骤一：将阳极室(1)接种厌氧污泥、两个阴极室(2)均接种经过驯化的缺氧反硝化污泥;
步骤二：需要处理的含硝态氮的废水序批式地交替进入该三室生物燃料电池的两侧阴极室(A，B)，首先A侧阴极与阳极断开，A侧阴极室进水，进行利用有机碳源的非电极反硝化;
步骤三：24h过后，B侧阴极(与阳极断开)室进水，进行利用有机碳源的非电极反硝化，此时，A侧阴极室有机碳消耗殆尽(进入低碳源状态)，交互开关控制阳极与A侧阴极连通，A侧阴极室进行利用阴极电子的电极反硝化，并同时产生电能;
步骤四：再24h过后，B侧阴极进入低碳源状态，交互开关控制阳极与B侧阴极连通，B侧阴极室进行电极反硝化，并同时产生电能，而A侧阴极室排水，并进入新的废水;
步骤五：重复上述步骤二、三、四，两个阴极室交替进水、排水，交替处于“低碳源”状态和“高碳源”状态(待其中一侧阴极室反硝化所需的有机碳源消耗殆尽时，即所谓进入“低碳源”状态)并配合交互式开关(9)，控制阳极(1)始终与“低碳源”的阴极相连，使得两个电池交替运行，即，当A侧阴极断路状态进行非电极反硝化后而进入“低碳源”状态(此时污水中仍有硝态氮未被去除)时，通过交互式控制开关(9)与(A)阴极相连，进一步进行电极反硝化后出水，与此同时，B侧阴极室则处于开路状态，利用有机碳源进行非电极反硝化。
有益效果：
传统的应用于反硝化的生物燃料电池中，由于两种电子供体(有机碳源和阴极电子同时存在)的竞争作用，阴极室内较高浓度的有机碳源会抑制电极反硝化过程，而且造成系统产电能力、对电能的获取能力降低;而如果单纯依靠电极反硝化作用，其反应速率较慢。
本发明通过对微生物燃料电池的结构改进和时空交错的污水处理方法，使得电极反硝化过程始终保持在“低碳源”状态下进行，削弱了两类电子供体的竞争性，从时空上有效地解决了电极反硝化与非电极反硝化之间的矛盾。使得系统在保障高产电能力和高效反硝化效果的同时，充分利用电子供体，节约反硝化所需有机碳源的消耗，污泥产量低。本发明装置在一个反应周期内的平均输出功率为27.0 mW/cm2，综合反硝化速率2.62 mg/(Lh)，反硝化所消耗有机碳源COD/NO3-小于4，性能全面优于普通双室反硝化微生物燃料电池，且在制造成本增加很少的前提下(附图)，提高了一倍的污水处理效率(水量)，是一种基于节能降耗的新型污水处理方法，适用于有机碳源不足的硝态氮废水的处理，有着良好的环境效益和经济效益。