一种MFC阴极耦合SNAD的反应器及其应用制造技术

本发明专利技术提供了一种MFC阴极耦合SNAD的反应器及其应用，属于微生物燃料电池技术领域。本发明专利技术提供的反应器，包括阳极室、阴极室、阳离子交换膜和外电路；所述阴极室中以碳毡为阴电极；在所述阴电极上负载有SNAD混合菌；所述阴极室的侧面设置曝气孔、阴极出水口和阴极进水口；所述阳极室中填充石墨颗粒，以石墨棒为阳电极，所述石墨颗粒表面负载厌氧污泥；所述阳极室的侧面设置阳极出水口和阳极进水口。MFC阴极耦合SNAD实现同时短程硝化、厌氧氨氧化和反硝化，因此，MFC阴极耦合SNAD的反应器可以实现废水的同时除碳、脱氮和产电。

A MFC Cathode Coupled SNAD Reactor and Its Application

The invention provides a MFC cathode coupled SNAD reactor and its application, belonging to the technical field of microbial fuel cell. The reactor provided by the invention comprises an anode chamber, a cathode chamber, a cation exchange membrane and an external circuit; a carbon felt is used as a negative electrode in the cathode chamber; a SNAD mixed bacteria is loaded on the negative electrode; an aeration hole, a cathode outlet and a cathode inlet are arranged on the side of the cathode chamber; a graphite particle is filled in the anode chamber, and a graphite rod is used as an anode, and the graphite particle surface is provided. The side of the anode chamber is provided with an anode outlet and an anode inlet. MFC cathode-coupled SNAD realizes simultaneous short-cut nitrification, anaerobic ammonia oxidation and denitrification. Therefore, MFC cathode-coupled SNAD reactor can achieve simultaneous removal of carbon, nitrogen and power generation from wastewater.

【技术实现步骤摘要】
一种MFC阴极耦合SNAD的反应器及其应用
本专利技术属于微生物燃料电池
，具体涉及一种MFC阴极耦合SNAD的反应器及其应用。
技术介绍
传统的微生物燃料电池(MicrobialFuelCell，MFC)是在阳极利用微生物作为催化剂，将蕴含在废水中的可生化降解物质中的化学能转化为电能的厌氧处理技术，兼具污染物去除(主要是除碳)和能源回收(产电)两个重要特性，被视为未来的可持续废水处理技术。然而，MFC发展历程相对漫长、实际应用依然受限，主要是其存在出水脱氮性能不佳和产电量低等问题。一方面，出水脱氮性能不佳，是因为传统MFC的阴极是以金属催化剂(铂、金)为电极材料，以氧(O2)为电子受体，未能赋予阴极脱氮的能力，且阴极材料成本高、可持续性低。近年来，在MFC阴极以微生物作为催化剂得到不断发展，虽然微生物阴极型MFC赋予了阴极脱氮的能力，但因废水中的含氮化合物主要为氨氮(NH4+-N)，利用MFC的阴极脱氮，需首先解决NH4+-N的硝化问题，即如何将NH4+-N转化为阴极可利用的基质硝态氮(NO3--N)，同时，因传统两室MFC中，阳极室和阴极室中间的阳离子交换膜自身存在缺陷，会导致阳极室进水中的NH4+-N通过扩散作用直接进入阴极室，也会降低阴极脱氮效率。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种MFC阴极耦合SNAD的反应器及其应用，所述反应器是以SNAD构建MFC的阴极，以好氧氨氧化菌(AmmoniaOxidizingBacteria，AOB)、厌氧氨氧化菌(ANaerobicAMMoniaOXidizingbacteria，ANAMMOX)和反硝化菌(DeNitrifyingBacteria，DNB)作为阴极催化剂，在阴极进行同时短程硝化、厌氧氨氧化和反硝化，实现阴极高效脱氮的目的。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种MFC阴极耦合SNAD的反应器，包括阳极室、阴极室和外电路；在所述阳极室和阴极室之间设置阳离子交换膜，所述阴极室中以碳毡为阴电极；在所述阴电极上负载有SNAD混合菌；所述阴极室中与阳离子交换膜相对的侧面设置一个曝气孔、一个阴极出水口和一个阴极进水口；所述阳极室中填充石墨颗粒，以石墨棒为阳电极，所述石墨颗粒表面负载厌氧污泥；所述阳极室中与阳离子交换膜相对的侧面设置一个阳极出水口和一个阳极进水口。优选的，所述碳毡的四周包括一个长方体不锈钢框。优选的，所述阴极室的长度为0.05m，所述阴极室的宽度为0.1m；所述阴极室的高度为0.1m。优选的，所述曝气孔距水平底面高0.01m；所述阴极进水口距水平底面高0.03m；所述阴极出水孔距水平底面高0.08m。优选的，所述阳极室的长度为0.05m，所述阳极室的宽度为0.1m；所述阳极室的高度为0.1m。优选的，所述阳极出水口距水平底面高0.08m；所述阳极进水孔距水平底面高0.02m。优选的，所述石墨颗粒的粒径为3～5mm；所述石墨颗粒的填充高度为0.1m。优选的，所述阳极室和阴极室的材质包括透明有机玻璃。本专利技术提供所述MFC阴极耦合SNAD的反应器在废水处理和/或产电中的应用。本专利技术提供了MFC阴极耦合SNAD的反应器，是以SNAD构建MFC的阴极，以AOB、ANAMMOX和DNB作为阴极催化剂，在阴极进行同时短程硝化、厌氧氨氧化和反硝化。首先利用AOB在阴极直接进行短程硝化，降解部分NH4+-N生成亚硝态氮(NO2--N)，同时产生H+缓冲阴极pH值，可消除阳极扩散NH4+-N对阴极脱氮的影响；其次，利用ANAMMOX降解生成的NO2--N和剩余的NH4+-N，既可提高阴极脱氮效率，又能将含氮化合物全部转化为阴极可利用的基质NO3--N；最后，利用SNAD的异养DNB和MFC自身的自养反硝化(电化学反硝化)结合，可将NO3--N最终全部转化为N2排出。因此，MFC阴极耦合SNAD反应器可以实现废水的脱氮。实验证明：采用本专利技术提供的反应器进行生活污水脱氮，总氮(TotalNitrogen，TN)去除率约为80％～90％。同时本专利技术提供的反应器，AOB在阴极直接进行短程硝化产生的H+缓冲阴极pH值还能解决阴极碱化对产电的影响，利用SNAD的异养DNB和MFC自身的自养反硝化(电化学反硝化)结合还能在阴极进一步提高除碳效率(阴极异养DNB进一步消耗有机碳源)，MFC自身的电化学反硝化又可以降低传统反硝化对进水C/N的需求，同时产电，实现能源回收(阴极电化学反硝化无需有机碳源，可直接利用电子)。实验证明：采用本专利技术提供的反应器进行生活污水除碳和产电，化学需氧量(ChemicalOxygenDemand，COD)去除率约为90％～99％，最大输出功率密度约为200～300mW/m3。附图说明图1为本专利技术提供的MFC阴极耦合SNAD的反应器的平面结构示意图；其中，1阳极室；2石墨棒；3阳极出水口；4阳极进水口；5石墨颗粒；6阳离子交换膜；7曝气孔；8阴极出水口；9阴极进水口；10阴极室；11碳毡；12SNAD混合菌；13可变电阻；14在线监测设备。具体实施方式本专利技术提供了一种MFC阴极耦合SNAD的反应器，包括阳极室、阴极室和外电路；在所述阳极室和阴极室之间设置阳离子交换膜，所述阴极室中以碳毡为阴电极；在所述阴电极上负载有SNAD混合菌；所述阴极室中与阳离子交换膜相对的侧面设置一个阴极曝气孔、一个阴极出水口和一个阴极进水口；所述阳极室中填充石墨颗粒，以石墨棒为阳电极，所述石墨颗粒表面负载厌氧污泥；所述阳极室中与阳离子交换膜相对的侧面设置一个阳极出水口和一个阳极进水口。本专利技术提供的反应器包括阳极室。本专利技术对所述阳极室的尺寸没有限制，采用本领域不同要求设计尺寸。为了说明本专利技术提供的反应器中各部件的规格，以0.5L阳极室为例加以说明。在本专利技术实施例中，所述阳极室的长度为0.05m，所述阳极室的宽度为0.1m；所述阳极室的高度为0.1m。所述阳极出水口距水平底面高0.08m；所述阳极进水孔距水平底面高0.02m。所述阳极室中填充石墨颗粒。所述石墨颗粒的填充高度优选为0.1m。所述石墨颗粒的粒径优选为3～5mm，更优选为4mm。所述阳极室还优选包括上盖，所述上盖与阳极室侧壁形成一个封闭环境，保证后续应用时密封厌氧运行。所述阳极室的材质优选包括透明有机玻璃。在本专利技术中，所述阳极室中还接种厌氧污泥。所述厌氧污泥的混合液悬浮固体浓度为5000mg/L。本专利技术对所述厌氧污泥的来源没有特殊限制，采用本领域微生物燃料电池中常见的阳极菌即可，例如，公开号为CN106086934A的专利中公开的阳极菌即可。所述石墨颗粒作为厌氧污泥的附着载体，均匀分布在阳极室中。所述厌氧污泥的作用是在阳极除碳(去除COD)并产生电子。在本专利技术中，所述阳极室中与阳离子交换膜相对的侧面设置一个阳极出水口和一个阳极进水口。所述阳极出水口和阳极进水口的孔径优选为2～3mm。本专利技术提供的反应器包括阴极室。本专利技术对所述阴极室的尺寸没有限制，采用本领域不同要求设计尺寸。为了说明本专利技术提供的反应器中各部件的规格，以0.5L阴极室为例加以说明。当阴极室的体积为0.5L时，所述阴极室的长度优选为0.05m，所述阴极室的宽度优选为0.1m；所述阴极室的高度优选为0.1m。所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MFC阴极耦合SNAD的反应器，包括阳极室、阴极室和外电路；在所述阳极室和阴极室之间设置阳离子交换膜，其特征在于，所述阴极室中以碳毡为阴电极；在所述阴电极上负载有SNAD混合菌；所述阴极室中与阳离子交换膜相对的侧面设置一个曝气孔、一个阴极出水口和一个阴极进水口；所述阳极室中填充石墨颗粒，以石墨棒为阳电极，所述石墨颗粒表面负载厌氧污泥；所述阳极室中与阳离子交换膜相对的侧面设置一个阳极出水口和一个阳极进水口。

【技术特征摘要】
1.一种MFC阴极耦合SNAD的反应器，包括阳极室、阴极室和外电路；在所述阳极室和阴极室之间设置阳离子交换膜，其特征在于，所述阴极室中以碳毡为阴电极；在所述阴电极上负载有SNAD混合菌；所述阴极室中与阳离子交换膜相对的侧面设置一个曝气孔、一个阴极出水口和一个阴极进水口；所述阳极室中填充石墨颗粒，以石墨棒为阳电极，所述石墨颗粒表面负载厌氧污泥；所述阳极室中与阳离子交换膜相对的侧面设置一个阳极出水口和一个阳极进水口。2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述碳毡的四周包括一个长方体不锈钢框。3.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述阴极室的长度为0.05m，所述阴极室的宽度为0.1m；所述阴极室的高度为0.1m。4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：王栋，刘鹰，刘鑫宇，陈琦，曲珊珊，
申请(专利权)人：大连海洋大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21