申请日2009.11.10
公开(公告)日2010.05.19
IPC分类号H01M8/06; C02F3/34; H01M8/16
摘要
本发明公开了一种连续高效废水处理微生物燃料电池，主要由阳极室，位于阳极室内的阳极、聚合物颗粒载体，质子交换膜，外电阻，阴极室和位于阴极室内阴极、曝气头组成，所述阳极室为密闭容器，室内上部为由分离器形成的气液固三相分离区，三相分离区下方为流化反应区，阳极室联接阴极室的室壁上设计有让质子透过质子交换膜进入到阴极室的连通孔，质子交换膜设置在从阳极室向阴极室迁移的路径上，阴极室为上部敞口容器，位于阴极室内的曝气头与位于阴极室壁上的空气进气口连接，阳极和阴极通过导线与外电阻连接构成回路。本发明可以实现在对废水进行连续高效处理的同时回收有机基质蕴含的化学能，可应用于废水处理的生产实践。
权利要求书
1.一种连续高效废水处理微生物燃料电池，其特征在于主要由阳极室(1)，位于阳极室内的阳极(3)、颗粒载体(2)，质子交换膜(4)，外电阻(5)，阴极室(8)和位于阴极室内的阴极(7)、曝气头(9)组成，所述阳极室为密闭容器，室内上部为由分离器形成的气液固三相分离区，三相分离区下方为流化反应区，出水口和出气口设置在气液固三相分离区室壁上，废水进水口设计在下部室壁上，阳极室联接阴极室的室壁上设计有让质子透过质子交换膜进入到阴极室的连通孔，质子交换膜设置在从阳极室向阴极室迁移的路径上，阴极室为上部敞口容器，位于阴极室内的曝气头与位于阴极室壁上的空气进气口连接，阳极和阴极通过导线与外电阻连接构成回路。
2.根据权利要求1所述的连续高效废水处理微生物燃料电池，其特征在于阳极室为圆形柱体容器，气液固三相分离区的直径大于下方流化反应区的直径。
3.根据权利要求2所述的连续高效废水 处理微生物燃料电池，其特征在于形成气液固三相分离区的分离器由上、下分离筒构成，上分离筒为直筒，下分离筒由直筒、直径由下至上逐渐变小的锥筒和直筒构成，下分离筒的上部直筒伸入到上分离筒内，形成使经流化反应处理后的水从上至下流经通道。
4.根据权利要求1所述的连续高效废水处理微生物燃料电池，其特征在于阴极室为上部敞口的矩形柱体容器。
5.根据权利要求1至4之一所述的连续高效废水处理微生物燃料电池，其特征在于在气液固三相分离区室壁上设计有回流水出口，回流水出口位于排水出水口下方，回流水出口通过回流管与废水进水管连通。
6.根据权利要求5所述的连续高效废水处理微生物燃料电池，其特征在于所述的颗粒载体为多孔聚合物载体。
7.根据权利要求6所述的连续高效废水处理微生物燃料电池，其特征在于所述多孔聚合物载体，其干粒径0.32～0.54mm，湿粒径0.56～0.96mm，骨架密度不高于1320kg/m3，湿堆积密度不高于1010kg/m3，孔容不小于0.301mL/g，湿比表面积不低于5357m2/m3。
8.根据权利要求5所述的连续高效废水处理微生物燃料电池，其特征在于所述阳极(3)为碳纸电极、石墨电极和碳毡电极中的一种。
9.根据权利要求5所述的连续高效废水处理微生物燃料电池，其特征在于所述质子交换膜，其厚度不小于183μm。
10.根据权利要求5所述的连续高效废水处理微生物燃料电池，其特征在于所述阴极为碳纸电极、钌钛电极、二氧化锡电极、10%载铂碳纸电极、二氧化铅电极、石墨电极和不锈钢电极中的一种。
说明书
连续高效废水处理微生物燃料电池
技术领域
本发明涉及利用生物催化把化学能转化为电能的废水处理技术，特别是涉及一种高效废水处理微生物燃料电池。
技术背景
微生物燃料电池是利用微生物降解有机物质产生电能的一种装置。目前大多数微生物燃料电池都是利用阳极降解有机物质时产生的电子沿阳极经外电路迁移到阴极;而阳极降解有机物质时产生的质子经质子交换膜迁移到阴极;在阴极，电子和质子与空气中的氧反应生成水。
专利号为ZL 200510011855.5，发明名称为“一种以有机废水为燃料的单室式微生物电池”的中国发明专利，使用淀粉废水和葡萄糖自配水作燃料所得到的外电路最高电压和最高功率分别为660mV、271mW/m2和474mV、140mW/m2;专利申请号为200510086618.5，发明名称为“生物反应器-直接微生物燃料电池及其用途”的中国专利申请，使用葡萄糖、果糖、木糖、蔗糖、麦芽糖等多种含糖生物质和有机废水作燃料得到的峰值电压在0.10V～0.25V之间;专利申请号为200510079759.4，发明名称为“一种无介体微生物燃料电池”的中国专利申请，使用生活废水、酸软骨素废水、糕点厂废水、蔗糖厂废水以及玉米秸秆作燃料得到的功率分别为120mW/m2、265mW/m2、290mW/m2、112mW/m2和324mW/m2。随着对微生物燃料电池研究的不断深入，微生物燃料电池技术在诸多方面得到了改善。但如上所述，现有技术的微生物燃料电池，其主要侧重于产电可行性方面的研究，而对废水的连续高效处理没有涉及，因此难于应用到废水处理生产实践。据发明人所知，公开文献还没有报道过能放大应用于连续高效处理废水并回收微生物降解能以持续发电的微生物燃料电池。
发明内容
针对现有微生物燃料电池的技术现状，本发明的目的是提供一种在对废水进行连续高效处理的同时以持续发电的方式回收有机基质蕴含的化学能的微生物燃料电池，以解决现有技术的微生物燃料电池难于应用到废水处理生产实践中去的问题，提高微生物燃料电池的实际应用能力。
本发明提供的连续高效废水处理微生物燃料电池，主要由阳极室，位于阳极室内的阳极、颗粒载体，质子交换膜，外电阻，阴极室和位于阴极室内的阴极、曝气头组成，所述阳极室为密闭容器，室内上部为由分离器形成的气液固三相分离区，三相分离区下方为流化反应区，出水口和出气口设置在气液固三相分离区室壁上，废水进水口设计在下部室壁上，阳极室联接阴极室的室壁上设计有让质子透过质子交换膜进入到阴极室的连通孔，质子交换膜设置在从阳极室向阴极室迁移的路径上，阴极室为上部敞口容器，位于阴极室内的曝气头与位于阴极室壁上的空气进气口连接，阳极和阴极通过导线与外电阻连接构成回路。
在上述技术方案中，所述阳极室一般设计为圆形柱体容器，且气液固三相分离区的容器直径大于下方流化反应区的容器直径。形成气液固三相分离区的分离器，可设计成由上、下分离筒组成，上分离筒为直筒，下分离筒为由直筒、直径由下至上逐渐变小的锥筒和直筒构成，下分离筒的上部直筒伸入到上分离筒内，形成使经流化反应处理后的水从上至下流经通道。构成分离器的上分离筒，也可设计成由下至上直径逐渐变小的锥筒和直筒构成，下分离筒的锥筒伸入到上分离筒的锥筒内，形成使经流化反应处理后的水从上至下，从内至外的流经通道。所述阴极室为上部敞口的矩形柱体容器。阳极室和阴极室的容器壳体可采用有机玻璃制作。
在上述技术方案中，在气液固三相分离区室壁上还设计有回流水出口，回流水出口位于排水出水口下方，回流水出口通过回流管与废水进水管连通。
在上述技术方案中，所述的颗粒载体为多孔聚合物载体，优选干粒径0.32～0.54mm，湿粒径0.56～0.96mm，骨架密度不高于1320kg/m3，湿堆积密度不高于1010kg/m3，孔容不小于0.301mL/g，湿比表面积不低于5357m2/m3的多孔聚合物载体。
在上述技术方案中，所述阳极为碳纸电极、石墨电极和碳毡电极中的一种;所述质子交换膜，其厚度不小于183μm;所述阴极为碳纸电极、钌钛电极、二氧化锡电极、10%载铂碳纸电极、二氧化铅电极、石墨电极和不锈钢电极中的一种。
本发明还采取了其他一些技术措施，如废水通过出口向下设置在阳极室下部的布水器进入阳极室，出水口直径一般控制在1～4mm范围;采用计算机自动记录外电阻(负载)两端的电压。
本发明公开的连续高效废水处理微生物燃料电池，为厌氧流化床(AFB)型双室反应器微生物燃料电池，其工作原理为：废水和回流水在进水管混合后，从布水器的出口向下流出，再反向进入阳极室的厌氧流化反应区。废水在阳极表面的微生物、聚合物颗粒表面和内部微生物以及水流中微生物的共同作用下，废水中的含碳有机物被代谢生成质子、电子、二氧化碳和其他生物气等。质子经由质子交换膜向阴极迁移，电子由阳极收集后沿外电路流向阴极，质子、电子在阴极上与由曝气头通入的空气中氧气反应生成水。二氧化碳及生物气和悬浮于水体中的聚合物颗粒随水流上升，到达三相分离区在分离器的作用下，气体从液相中分离进入上部气室，聚合物颗粒沿室壁向下返回到流化反应区，经代谢处理后的水，上层比较干净的部分水从排水出水口排出，下层部分通过循环回流系统回流到阳极室。悬浮于阳极室内废水中的聚合物颗粒载体，在进入阳极室废水水流作用下运动，对膜进行连续的冲刷，阻止和减缓污染物对膜的污染，保持膜对质子的通过能力，同时聚合物颗粒载体使阳极室内的附着生物量增加，在厌氧流化床(AFB)反应器的下部生成生物颗粒，生物颗粒层的上部生成颗粒污泥，增强了对有机物的降解作用，同时产生更多的电子。
本发明与现有技术的微生物燃料电池技术相比，具有以下优点：本发明采用具有三相分离作用的厌氧流化床式反应器作微生物燃料电池的阳极室，并且在阳极室填充聚合物颗粒载体，在AFB反应器内生成颗粒污泥层及生物颗粒层，增加了系统的生物量，增强了系统对有机物的代谢作用，强化了废水的处理效果，提高了微生物燃料电池可放大应用性。总之，与其他微生物燃料电池相比，本发明能对废水进行连续高效处理，获得稳定的产电能力和高废水处理效果。