申请日2013.11.27
公开(公告)日2014.04.09
IPC分类号H01M8/16; C02F3/34; H01M8/06
摘要
一种由活性污泥工艺改造成的微生物燃料电池反应器，其特征是活性污泥工艺反应器中构成回廊的两道实体隔墙改造为两道空心隔墙，空心隔墙的墙壁材料为碳毡，每个碳毡中间夹有耐腐蚀的金属材料作为支撑并用于连接外电路;从进水口开始，反应器进水侧的内壁为第1道墙、两道空心隔墙依次为第2道墙和第3道墙、出水侧的内壁为第4道墙，四道墙都附着产电菌的碳毡，作为生物膜电极。该改造方法原位改造推流式活性污泥工艺，方便易行;生物膜催化阴阳极反应，产生电能，增加了污水处理的可持续性;免除了强制曝气，降低电能消耗;隔墙转化为电极，且可以方便改变电极极性。该方法有利于促进水污染控制技术的节能降耗、实现可持续发展。
权利要求书
1.一种由活性污泥工艺改造成的微生物燃料电池反应器，其特征在于，
活性污泥工艺反应器中构成回廊的两道实体隔墙改造为两道空心隔墙，空 心隔墙的墙壁材料为碳毡，每个碳毡中间夹有耐腐蚀的金属材料作为支撑并用 于连接外电路;
从进水口开始，反应器进水侧的内壁为第1道墙、两道空心隔墙依次为第2 道墙和第3道墙、出水侧的内壁为第4道墙，四道墙都附着产电菌的碳毡，作 为生物膜电极。
2.根据权利要求1所述的改造方法，其特征在于，所述的空心隔墙上部开口处 设置封盖。
3.根据权利要求1或2所述的改造方法，其特征在于，所述的耐腐蚀的金属材 料为不锈钢网。
4.根据权利要求1或2所述的改造方法，其特征在于，两道空心隔墙包围的空 间作为集水槽，出水侧的墙外也设有集水槽;每个集水槽都设有集水槽出水口; 出水口外设出水溢流堰，采用溢流出水的方式，出水口位于溢流堰液位以下。
5.根据权利要求3所述的改造方法，其特征在于，两道空心隔墙包围的空间作 为集水槽，出水侧的墙外也设有集水槽;每个集水槽都设有集水槽出水口;出 水口外设出水溢流堰，采用溢流出水的方式，出水口位于溢流堰液位以下。
说明书
一种由活性污泥工艺改造成的微生物燃料电池反应器
技术领域
本方法属于环境工程技术领域，涉及污水处理及中水回用技术，特别涉及 一种由活性污泥工艺改造成的微生物燃料电池反应器，用于将现有的活性污泥 工艺改造为生物阴极微生物燃料电池，产电同步去除碳氮的污水。
背景技术
我国面临水资源短缺和水污染严重的双重压力，中水回用是解决该问题的 有效手段之一。推流式活性污泥法是一种在早期水污染的迫切压力下大量建设 运行的主要工艺。直到现在，由于其工艺成熟，运行简单，仍广泛用于各种污 水处理，在控制水污染方面发挥着巨大的作用。
生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，是具有广泛 使用价值的新能源。像化石燃料中的石油和天然气一样，废水当中的碳氢化合 物也是一种生物质能，蕴含能量。在低能耗和低碳经济的发展趋势下，废水越 来越被看作一种能量(有机物)和资源(回用水，N，P)的来源而非废物。
然而，好氧的活性污泥工艺，需要消耗大量的能量，其中约有一半的电能 输入用于曝气去除废水中的有机物，是一种以能治能的方式，并没有将废水中 有机物的这部分能量当做能源回收，存在高能耗，运行成本高的弊端。减小能 耗和碳足迹是污水处理厂发展的必然趋势，如果更多更好地获取存在于废水当 中的潜在能源，并且同时减少用于水处理投入的能量(运行方式由好氧处理变 为厌氧处理)，那么废水处理可能变为一种净能量的生产者而非消费者。
微生物燃料电器技术(Microbial Fuel Cell，MFC)是一种将废水看作是能 源与资源的载体的厌氧处理技术，利用废水中的有机污染物作为燃料，厌氧条 件下阳极电化学活性菌将生物质能一步转化为最清洁的能源—电能，实现废水 处理和电能产生的统一。MFC按构型分为双室型和单室型。单室MFC的阴极将 电极材料、离子交换膜、隔水层和催化剂各功能集于一体，具有结构简单、内 阻小和电子受体不受扩散浓差影响等优点，产电效率高。
生物阴极微生物燃料电器的阴极微生物可以直接以电极作为电子供体，很 好地催化阴极还原反应。且与贵金属催化剂相比，具有成本较低，避免催化剂 中毒失效，可以可持续自我更新的优点。Xia等证明生物阴极可以通过被动的氧 气扩散产生电能，并且输出功率与Pt电极相当。Wang等设计了一种新型的单室 微生物燃料电器，附着生物膜的碳毡既作为生物阴极又作为出水过滤膜，同时 阴极生物膜可以进行硝化反硝化进行脱氮。Virdis等研究了生物阴极微生物燃料 电器同时脱氮除碳，在阴极，通过外加硝化反应器或者在线曝气实现同步硝化 反硝化，实现氮污染物的去除，该研究组提出了阴极生物膜的分层，对于同步 硝化反硝化实现氮化合物的去除起决定性的作用。
发明内容
本发明目的是提供一种由活性污泥工艺改造成的微生物燃料电池反应器 ，用于回收废水中蕴含的能源，减少能耗，同时完成碳氮污染物的去除。用该 方法设计及改造的推流式单室微生物燃料电器，不仅可以免除活性污泥法曝气 所需能耗，而且可以将蕴含在废水当中的能量以电能的形式回收;同时生物阴 极的生物膜可以过滤出水，也可以利用被动扩散的氧气将氨氮转化为硝氮，利 用电极作为电子供体反硝化最终实现氨氮的去除。该发明有利于促进水污染控 制技术的节能降耗、实现可持续发展。
本发明的技术方案是：
一种由活性污泥工艺改造成的微生物燃料电池反应器，主要用于推流式活 性污泥工艺中反应器，具体是将反应器中构成回廊的两道实体隔墙改造为空心 隔墙，隔墙的墙壁材料为碳毡，每个碳毡中间夹有耐腐蚀的金属材料作为支撑 并用于连接外电路;反应器进水侧的内壁和出水侧的内壁的材料也为碳毡，碳 毡上面附着生物膜;两道隔墙将反应器隔成三个回廊。从进水口开始，反应器 进水侧的内壁为第1道墙、两道隔墙依次为第2道墙和第3道墙、出水侧的内 壁为第4道墙。第1道墙内壁附着产电菌的碳毡作为阳极。第2和3道墙包围 的空间可以与外界空气相通，能源源不断地补充更新空气;空心隔墙上部开口 处设置封盖，密封时第2道墙和第3道墙的碳毡电极作为阳极;不密封时，第2 道墙和第3道墙的碳毡电极一侧接触废水，另一侧接触空气，作为被动氧气扩 散MFC的生物阴极。第4道墙也是由碳毡附着微生物，作为生物阴极。第2和 3道墙包围的空间同时可以作为集水槽，用于收集经过碳毡生物膜过滤的出水; 第4道墙外也设有集水槽，收集经过该墙生物膜过滤的出水。每个集水槽都设 有集水槽出水口，避免聚积大量出水，影响电极性能。出水口外设出水溢流堰， 采用溢流出水的方式，出水口位于溢流堰液位以下，起到水封作用，避免空气 进入整个反应器。
该改造方法有两种运行方式，一种是第1道墙和第3道墙为阳极，第2道 墙和第4道墙为阴极;一种是第1道墙和第2道墙为阳极，第3道墙和第4道 墙为阴极。废水从进入口进入反应器，有机物在阳极上降解，产生电子传递到 电极上。阴极生物膜内存在氧气梯度，外层生物膜可以利用氧气将氨氮氧化为 硝酸氮，硝酸氮可以作为电子受体，通过电极提供的电子进行反硝化脱氮。阴 阳极共同作用，最终实现有机物转化为电能和自养反硝化的脱氮的功能。出水 也分为两种形式，一为通过碳毡生物膜过滤后收集后经集水槽出水口出水，一 为回廊终点溢流水封出水口出水。
本发明的有益效果是本方法以推流式活性污泥反应器为基础，原位改造简 单，方便易行;产电菌生物膜催化阴阳极反应，降解污染物，产生电能，增加 了污水处理厂的可持续性;免除了强制曝气，降低电能消耗;隔墙转化为电极， 且可以方便改变电极极性;碳材料电极膜出水，出水水质高。该方法有利于促 进水污染控制技术的节能降耗、实现可持续发展。
本发明的反应器构造简单，运行灵活，操作方便，在污水处理和中水回用 领域中具有广泛的应用前景，如：无排水管网系统的地区，如度假区、旅游风 景区;有中水回用需求的地区或场所，如宾馆、洗车业等。