申请日2011.04.02
公开(公告)日2011.11.23
IPC分类号H01M8/16; C02F3/34
摘要
本发明构建无质子交换膜的微生物燃料电池污水处理系统，耦合阳极氧化和阴极还原作用，通过促进电子、质子传递，提供一种同时、高效去除污水中还原性有机污染物和含氮类污染物的方法。通过驯化、培养去除污染物所需的微生物，分别在无质子交换膜微生物燃料电池的阳极和阴极上附着成膜，利用阳极微生物的氧化作用去除还原性有机污染物，产生的电子通过连接电极的外电路传递给阴极，促进阴极微生物去除氧化性污染物。
权利要求书
1.一种无质子交换膜微生物燃料电池污水处理系统，其特征在于由电极、 电极室、磁力搅拌器、待处理污水、外接电阻、蠕动泵组成，其中采用易导电 的材料作为电极，电极置于电极室中，去除还原性有机污染物的微生物在阳极 附着成膜，去除含氮污染物的微生物在阴极附着成膜，不用质子交换膜分割阳 极室和阴极室，阳极和阴极通过电极室内污水的流动进行质子传递，导线将两 极连接到外电阻上，构成回路，并通过磁力搅拌器的搅拌作用促进系统内液体 流动加强传质过程。
2.根据权利要求1所述的一种无质子交换膜微生物燃料电池污水处理系统， 其特征在于彼此分开的阳极室和阴极室分别接种去除还原性有机污染物的微生 物和去除含氮污染物的微生物，微生物在电极上附着成膜后，将两个电极室接 通使之成为一个电极室，或将两极置于同一电极室内，为单室型结构。
3.根据权利要求1所述的一种无质子交换膜微生物燃料电池污水处理系统， 其特征在于彼此分开的阳极室和阴极室分别接种去除还原性有机污染物的微生 物和去除含氮污染物的微生物，微生物在电极上附着成膜后，通过软管连接阳 极室和阴极室，使待处理污水得到循环、流动，为双室型结构。
4.权利要求1所述的微生物燃料电池去除污水中还原性和含氮类污染物方 法，其特征在于具体操作步骤如下：
(1)无质子交换膜微生物燃料电池污水处理系统的构建：由电极、电极室、 磁力搅拌器、待处理污水、外接电阻、蠕动泵组成该污水处理系统，其中采用 易导电的材料作为电极，电极置于电极室中，通过导线将两极连接到外电阻上， 构成回路，通过磁力搅拌器的搅拌作用促进系统内液体流动加强传质过程。
(2)分别配制去除还原性有机污染物微生物培养基和去除含氮污染物微生 物培养基，其中去除还原性有机污染物微生物培养基的配方为：(NH4)2SO430 mg/L，KH2PO430mg/L，KHCO3500mg/L，MgSO4200mg/L，FeCl3100mg/L， CaCl230mg/L，C6H12O6500mg/L，NaNO340mg/L;去除含氮污染物微生物培养 基的配方为：(NH4)2SO460mg/L，KH2PO430mg/L，KHCO3500mg/L，MgSO4200 mg/L，FeCl3100mg/L，CaCl230mg/L，C6H12O6200mg/L，NaNO3200mg/L;每升 培养基添加微量元素液1～2ml，微量元素液配方：EDTA50.0g/L;ZnSO42.2g/L; CaCl25.5g/L;MnCl2·4H2O5.06g/L;FeSO4·7H2O5.0g/L;(NH4)6Mo7O2·4H2O1.1 g/L;CuSO4.5H2O1.57g/L;CoCl2·6H2O1.61g/L。
(3)取污水处理厂二沉池或反硝化池的污泥接种到上述(2)的培养液中，分 别进行去除还原性有机污染物和含氮污染物所需微生物的驯化、培养，控制培 养液的pH在6.5～7.5之间，当微生物的浓度达到3000～4000mg/L，且培养液中 C6H12O6和NaNO3去除率保持稳定时，表明微生物已驯化好。
(4)接种驯化好的微生物悬浮液到无质子交换膜的微生物燃料电池污水处 理系统中，接种量为电池体积的20～30%，去除还原性有机污染物的微生物接 种到阳极，去除含氮污染物的微生物接种到阴极，此时阳极室和阴极室是独立、 分开的，使微生物在电极表面附着形成微生物膜后，可以分别构成单室型和双 室型污水处理系统，连接电极的外电路连接到电阻上;
(5)将待处理污水的pH调节至7±0.2后，添加pH=7的磷酸缓冲溶液，所 添加的磷酸缓冲溶液的量为总体积的10%，并用高纯氮气排出密闭系统内的氧 气，将加好磷酸缓冲液的待处理污水作为导电溶液通入(1)所述的无质子交换 膜的微生物燃料电池污水处理系统，使阳极和阴极通过导电溶液进行质子传递， 通过控制水力停留时间来实现需要达到的处理效果，并采用搅拌的方法加强系 统内处理液的循环以促进传质过程。
(6)采用万用表测量电池两端的开路电压，对处理水流出液的还原性有机 物、氨态氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的含量进行分析评价该系统的污水处理效 果，其中还原性有机物以COD含量来表示。
说明书
无质子交换膜微生物燃料电池污水处理系统及其应用方法
技术领域
本发明涉及无质子交换膜微生物燃料电池污水处理系统的构建，去除还原 性有机污染物和含氮污染物微生物的驯化、培养，具体地说是一种利用微生物 燃料电池技术，加强电子、质子传递，促进污水中还原性污染物和氧化性污染 物的同时、高效去除的方法。
背景技术
微生物燃料电池(Microbial fuel cells，MFCs)就是利用微生物作为催化剂 氧化有机物产生电流的装置，在阳极区氧化有机物产生的电子传递给阳极，经 连接有电阻或负载的导线流到阴极，再传递给阴极区的电子受体。MFCs技术具 有反应条件温和、底物广泛、清洁高效和产电性能等显著优点，被认为是很有 潜力的污水处理技术。但目前大多数MFCs仅单独利用阳极氧化，而阴极的作用只 是为了消耗电子和质子，为整个系统的电子、质子传递提供通路，通常选用氧 气、铁氰化钾和高锰酸钾等具有高氧化还原电势的物质作为阴极电子受体。为 了防止阴极的电子受体进入到阳极，降低阳极的反应效率，常采用价格昂贵、 且极易受污染的质子交换膜分隔阳极室和阴极室，这在很大程度上限制了MFCs 的应用。
目前，城市污水处理厂数量不断增加，污水处理率也不断提高，但水体“富 营养化”问题并没有得到很好的解决，如近年来我国太湖、滇池每年均会出现 蓝藻大规模爆发现象。这主要是由于现有的生物脱氮技术能耗大、效率低，总 氮的去除较低，相当一部分的氨氮(NH4+-N)只是转化成硝酸盐氮(NO3-N)， 而并没有从根本上去除。随着水体富营养化问题的日益严重，污水处理厂污水 排放标准将逐渐提高，而现有的生物脱氮技术处理效果差、运行成本高，很难 实现含氮污染物的达标排放。
城市生活污水中同时含有大量还原性有机污染物(如COD类污染物)和氧 化性污染物(NO3--N类污染物)，如果能构建无质子交换膜的MFCs污水处理系统， 阳极氧化还原性污染物，阴极去除氧化性污染物，实现同时、高效去除污水中 还原性有机污染物和氧化性污染物，这对提高城市生活污水的处理效果、降低 处理成本，提高MFCs的实际使用价值等方面都具有非常重要的意义。
发明内容
本发明在于利用MFCs的基本原理提供一种同时、高效去除污水中还原性 污染物和氧化性污染物的方法。以易导电的材料为电极，构建无质子交换膜的 MFCs污水处理系统，驯化、培养去除还原性有机污染物和氧化性含氮污染物的 微生物，分别在阳极和阴极附着成膜，耦合阳极氧化和阴极还原作用，促进质 子、电子传递，实现同时、高效去除污水中的还原性污染物和氧化性污染物。 为城市污水中还原性污染物和氧化性污染物的高效去除提供了一种有效的方 法。
为了实现上述目的，本发明构建了一种MFCs污水处理系统，由电极、电 极室、磁力搅拌器、待处理污水、外接电阻、蠕动泵等组成，其中采用易导电 的材料作为电极，电极置于电极室中，去除还原性有机污染物的微生物在阳极 附着成膜，去除含氮污染物的微生物在阴极附着成膜，不用质子交换膜分割阳 极室和阴极室，通过污水的流动进行质子传递，通过导线将两极连接到外电阻 上，构成回路，通过磁力搅拌器的搅拌作用促进系统内液体流动加强传质过程。
本发明提供的MFCs污水处理系统，分为单室型结构和双室型结构。其中， 单室型结构是在彼此分开的阳极室和阴极室分别接种去除还原性有机污染物的 微生物和去除含氮污染物的微生物，微生物在电极上附着成膜后，将两个电极 室连通使之成为一个电极室，或将两极置于同一电极室内。双室型结构是在彼 此分开的阳极室和阴极室分别接种去除还原性有机污染物的微生物和去除含氮 污染物的微生物，微生物在电极上附着成膜后，通过软管连接阳极室和阴极室， 使待处理污水得到循环、流动。
本发明提供的MFCs污水处理系统在去除污水中还原性和氧化性污染物时， 是通过下述技术方案实现的：
(1)构建一种无质子交换膜的MFCs污水处理系统，由电极、电极室、磁 力搅拌器、待处理污水、外接电阻、蠕动泵等组成，其中采用易导电的材料作 为电极，电极置于电极室中，通过导线将两极连接到外电阻上，构成回路，通 过磁力搅拌器的搅拌作用促进系统内液体流动加强传质过程。
(2)分别配制去除还原性有机污染物微生物培养基和去除含氮污染物微生 物培养基，其中去除还原性有机污染物微生物培养基的配方为：(NH4)2SO430 mg/L，KH2PO430mg/L，KHCO3500mg/L，MgSO4200mg/L，FeCl3100mg/L， CaCl230mg/L，C6H12O6500mg/L，NaNO340mg/L;去除含氮污染物微生物培养 基的配方为：(NH4)2SO460mg/L，KH2PO430mg/L，KHCO3500mg/L，MgSO4200 mg/L，FeCl3100mg/L，CaCl230mg/L，C6H12O6200mg/L，NaNO3200mg/L;每升 培养基添加微量元素液1～2ml，微量元素液配方：EDTA50.0g/L;ZnSO42.2g/L; CaCl25.5g/L;MnCl2·4H2O5.06g/L;FeSO4·7H2O5.0g/L;(NH4)6Mo7O2·4H2O1.1 g/L;CuSO4·5H2O1.57g/L;CoCl2·6H2O1.61g/L。
(3)取污水处理厂二沉池或反硝化池的污泥接种到上述(2)的培养液中，分 别进行去除还原性有机污染物和含氮污染物所需微生物的驯化、培养，控制培 养液的pH在6.5～7.5之间，当微生物的浓度达到3000～4000mg/L，且培养液中 C6H12O6和NaNO3去除率保持稳定时，表明微生物已经驯化好了。
(4)接种驯化好的微生物悬浮液(接种量为电池体积的20～30%)到无质 子交换膜的MFCs污水处理系统中，去除还原性有机污染物的微生物接种到阳 极室，去除含氮污染物的微生物接种到阴极室，此时阳极室和阴极室是独立、 分开的，以防止在附着成膜时阳极区的污泥在阴极成膜、阴极区污泥在阳极成 膜，从而影响系统的污水处理效果，使微生物在电极表面附着形成微生物膜后， 连通阳极室和阴极室(可以组成单室型和双室型处理系统)，连接电极的外电路 到电阻上，整个处理系统构成一个完整的电子、质子传递通路。
(5)将待处理污水的pH调节至7±0.2后，添加pH=7的磷酸缓冲溶液，所 添加的磷酸缓冲溶液的量为总体积的10%，并用高纯氮气排出密闭系统内的氧 气，然后将加好磷酸缓冲液的待处理污水作为导电溶液通入(1)所述的MFCs， 使阳极和阴极通过污水流动进行质子传递，通过控制合适的水力停留时间来达 到需要的处理效果，并采用搅拌的方法加强系统内处理液的循环以促进传质过 程。
(6)采用万用表测量电池两端的开路电压，对处理水流出液的还原性有机 物(以COD的含量来表示)、氨态氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的含量进行分析 评价系统的污水处理。
本发明的具有如下特点：
1、不使用质子交换膜分割阳极室和阴极室，大大降低了MFCs的使用成本 和使用范围。去除还原性有机污染物的微生物在阳极附着成膜，去除含氮污染 物的微生物在阴极附着成膜。还原性有机污染物在阳极被氧化，产生的电子经 外电路传递给阴极的氧化性污染物进行还原反应，构成无质子交换膜的MFCs 污水处理系统。耦合阳极氧化和阴极还原作用，对污水中的还原性污染物和氧 化性污染进行协同、高效去除，显著降低了其使用成本，提高了其在污水处理 上的实际运用价值
2、驯化、培养去除还原性有机污染物和氧化性含氮污染物的微生物的培养 基主要差别在还原性有机物、氨氮和硝酸盐氮的含量上，而其余的营养元素和 培养条件都一样，这使得电池系统在连通运行时两种微生物的生长条件近似， 具有良好的微生物相容性;通过驯化、培养的微生物分别在阳极和阴极附着成 膜，在阳极的微生物厌氧消化有机污染物，在阴极的微生物反硝化脱氮。
3、无质子交换膜的MFCs污水处理系统，采用易导电的材料做为电极，在 阳极附着成膜的微生物氧化去除还原性污染物，产生的电子促进阴极的微生物 进行反硝化脱氮，耦合阳极氧化和阴极还原两过程，并通过搅拌作用加强传质 过程，实现污水中还原性污染物和氧化性污染物的同时、高效去除;此结构MFCs 污水处理系统不需要价格昂贵的质子交换膜做为分割材料，且两极得到同时利 用，显著提高了MFCs系统的实际运用价值。