可实现同步硝化反硝化的无膜微生物燃料电池反应器，主要包括阳极反应区、过渡区、阴极反应区、曝气室和缓冲室，阳极反应区、过渡区和阴极反应区依次相接，曝气室与缓冲室通过开孔相连通且两者均与阴极反应区相接；本发明专利技术采用穿孔板过渡区代替昂贵的质子交换膜，实现质子流动的同时，使氨氮一同随水流流动进入阴极反应区，而阴极反应区通过溶氧回流的方式，实现同步硝化反硝化的同时，避免了氧气扩散进入阳极室，从而避免了阳极好氧库仑损失；本发明专利技术反应器可以含氨氮废水为燃料产生电能，实现同步硝化反硝化脱氮和生物产电，降低生物脱氮费用，且采用无膜反应器，在保证产电效率的同时可有效降低微生物燃料电池的运行成本。
【技术实现步骤摘要】
可实现同步硝化反硝化的无膜微生物燃料电池反应器
本技术属于无膜微生物燃料电池反应器，具体涉及一种可实现同步硝化反硝化的无膜微生物燃料电池反应器。
技术介绍
水资源是不可替代的自然资源之一，是人类生存与可持续发展的基础。随着社会的进步与经济的发展，水环境污染日趋严重，已成为世界性的难点、热点和重点问题。能源是人类生存和发展的物质基础，是经济和社会发展的基本动力，也是人类文明进步的先决条件。然而，随着社会的进步、经济的发展和人口的不断增长，人类对能源的需求越来越大。全世界每年用于处理污水消耗的能源巨大，给社会和经济发展带来了严重的负担。污水处理的同时回收能量成为世界各国研究的焦点，可以最大限度的实现污水处理的可持续发展。微生物燃料电池是利用微生物催化作用使有机物(如有机酸、蛋白质、糖类等)降解，将化学能直接转化为电能的装置，具有效率高、无污染等特点。利用微生物燃料电池处理实际生活污水，可在高效的去除污染物的同时，实现有效产电。近年来，微生物燃料电池生物阴极研究越发广泛，这种情况下，阴极反应的催化剂是微生物。生物阴极比非生物阴极更具优势，例如结构和运行成本可得到降低，因为无需成本较高的催化剂(例如platinum)或者介体,并且生物阴极可产生其他收益，例如反硝化可与阴极反应结合。至今已有一些研究考察了微生物燃料电池中生物阴极的应用，有学者报道了醋酸盐氧化阳极与暴露于空气中的生物阴极结合产电的管式微生物燃料电池。反硝化能直接通过非有机电子供体如H2或甚至是由电极直接提供的电子实现，能够提供反硝化所需碳源的约40%和硝化需氧的25% ;生物阴极还可实现同步硝化反硝化，无明显硝化产物积累表明硝化反硝化是同步进行的，且无需能量输入；当阴极DO升高时，硝化速率提高，导致硝化反硝化不平衡，所以DO不宜过高；营养物梯度导致生物膜分层，表层硝化菌优势，内层反硝化菌优势；而MFC开路情况下，由于缺乏电子供体而抑制了反硝化，阴极上电子的能量限制了反硝化速率，动力学因素限制了反硝化速率。然而，现有微生物燃料电池的发展仍有许多问题亟待解决，一是尽管微生物燃料电池被证明具有良好的有机物去除能力，但对于污水中重要存在的氮元素的去除能力尚不尽如人意。随着水体富营养化日益加剧，具有同步去除有机物和氮元素的微生物燃料电池的价值显得更加尤为重要。因而，关于利用微生物燃料电池技术实现有机物降解和氮类物质去除已成为研究热点。但是目前所开发的微生物燃料电池反应器，均为有膜反应器，而昂贵的质子交换膜成为微生物燃料电池实际应用的阻碍。因此，如何克服现有技术的不足而提供一种可实现同步硝化反硝化的无膜微生物燃料燃料电池反应器已成为现有领域亟待解决的技术难题。
技术实现思路
解决的技术问题:本技术的目的是提供一种可实现同步硝化反硝化的无膜微生物燃料电池反应器，该反应器可同时实现阳极有机物降解、阴极脱氮及系统产电。本专利技术的技术方案:可实现同步硝化反硝化的无膜微生物燃料电池反应器，包括阳极反应区、过渡区、阴极反应区、曝气室和缓冲室，阳极反应区、过渡区和阴极反应区依次相接，曝气室与缓冲室通过开孔相连通且两者均与阴极反应区相接；其中:反应器设有顶盖，阳极反应区一侧壁底部设有排泥管，另一相对平行侧壁设有阳极回流管A排泥管上部的侧壁上设阳极回流管B、进水管和折流板A，折流板A—端与阳极反应区的侧壁固定连接，折流板A之间为石墨毡A，阳极反应区顶盖上设有一组排气管A、一组取样孔A、一组参比电极放置孔A和一组导线孔A，石墨毡A通过穿过导线孔A的钛线与外电路相连；过渡区由两块穿孔板与反应器的两侧壁构成；阴极反应区侧壁设有第一阴极回流管A、第二阴极回流管A和出水管，侧壁中部设有折流板B，折流板B —端与阴极反应区的侧壁固定连接，折流板B之间为石墨毡B，阴极反应区顶盖上设有一组排气管B、一组取样孔B、一组参比电极放置孔B和一组导线孔B，石墨毡B通过穿过导线孔B的钛线与外电路相连；曝气室内设有曝气器，曝气器通过蠕动泵管与外充氧泵相连，曝气室侧壁设有阴极回流管B，曝气室顶端顶盖上设有曝气室开孔；缓冲室底部设有阴极回流管C，缓冲室顶端的顶盖上设有溶氧测定仪测定开孔。所述穿孔板左下方、右下方、左侧中部或右侧中部设有穿孔，穿孔的长、宽分别为100mm、60mmo 所述阳极反应区和阴极反应区的体积比为2~4:1，过渡区和阴极反应区的体积比为0.5^0.7:1，曝气室和阴极反应区的体积比为0.3^0.5:1，缓冲室和阴极反应区的体积比为 0.15~0.25:1。所述阴极反应区的一侧壁顶部设有第一阴极回流管A，另一侧壁中部设有第二阴极回流管A，顶部设有出水管。所述曝气室侧壁顶部设有阴极回流管B。本技术实现同步硝化反硝化的原理如下:污水经进水管进入阳极反应区，水流经折流板推流时，与石墨毡上生物膜作用，有机物降解，产生质子、电子和代谢产物；电子通过外电路传输到达阴极反应区，质子、氨氮随水流推流经过渡区进入阴极反应区，代谢产物通过排泥管和上部排气管排出；阴极反应区内，氨氮与通过回流阴极管回流的富含一定浓度溶解氧的富氧水汇合，发生硝化反应，生成硝态氮，硝态氮与阳极反应区经过渡区进入阴极反应区的质子及外电路传输的电子结合，发生反硝化反应，生成氮气等，反应器出水经排水管排出，气体通过上部排气管排出。本技术反应器以含氨氮废水为燃料产生电能，实现同步硝化反硝化脱氮和生物产电，降低生物脱氮费用；通过同步硝化反硝化，提高有机污染物和氮元素污染物的去除率；利用有机物和氨氮为燃料，提高产电效率，利用无膜反应器，可有效降低微生物燃料电池的运行成本。试验证明，本专利技术开发的微生物燃料电池能够实现阳极有机物高效去除、阴极有效同步硝化反硝化。有益效果第一，本技术反应器采用穿孔板过渡区代替昂贵的质子交换膜，实现质子流动的同时，使得氨氮一同随水流流动进入阴极反应区，而阴极反应区通过溶氧回流的方式，实现同步硝化反硝化的同时，避免了氧气扩散进入阳极室，从而避免了阳极好氧库仑损失；此外通过设置多通道折流板，在不增加反应体积的前提下，增加了水流的流线长度，使得污染物能够充分与微生物接触，增加了污染物的有效降解时间，有效提高了污染物的去除率；故该反应器可同时实现阳极有机物降解、阴极脱氮及系统产电；第二，本技术反应器可以含氨氮废水为燃料产生电能，实现同步硝化反硝化脱氮和生物产电，降低生物脱氮费用，且采用无膜反应器，在保证产电效率的同时可有效降低微生物燃料电池的运行成本；第三，本技术反应器基于反应器理论、微生物燃料电池原理和同步硝化反硝化机理而设计专利技术的，采用穿孔板过渡区代替质子交换膜，减少经济投入，适用于处理大部分城市生活污水，尤其是低碳氮比污水。【附图说明】图1为本技术反应器的结构示意图；图2为本技术反应器的主视图；图3为本技术反应器的后视图；图4-1为穿孔板右下方穿孔的结构示意图；图4-2为穿孔板左下方穿孔的结构示意图；图4-3为穿孔板左侧中部穿孔的结构示意图；图4-4为穿孔板右侧中部穿孔的结构示意图；图5为本技术反应器在驯化过程中的电压输出图；图6为本技术反应器在试验中的极化曲线；图7为本技术反应器在试验中的内阻构成图；图8为本技术反应器在试验时阴极不同DO浓度时本文档来自技高网...
【技术保护点】
可实现同步硝化反硝化的无膜微生物燃料电池反应器，其特征在于，包括阳极反应区（1）、过渡区（2）、阴极反应区（3）、曝气室（4）和缓冲室（5），阳极反应区（1）、过渡区（2）和阴极反应区（3）依次相接，曝气室（4）与缓冲室（5）通过开孔相连通且两者均与阴极反应区（3）相接；其中：反应器设有顶盖，阳极反应区（1）一侧壁底部设有排泥管（6），另一相对平行侧壁设有阳极回流管A（7‑1），排泥管（6）上部的侧壁上设阳极回流管B（7‑2）、进水管（8）和折流板A（9‑1），折流板A（9‑1）一端与阳极反应区（1）的侧壁固定连接，折流板A（9‑1）之间为石墨毡A（10‑1），阳极反应区（1）顶盖上设有一组排气管A（11‑1）、一组取样孔A（12‑1）、一组参比电极放置孔A（13‑1）和一组导线孔A（14‑1），石墨毡A（10‑1）通过穿过导线孔A（14‑1）的钛线与外电路相连；过渡区（2）由两块穿孔板（15）与反应器的两侧壁构成；阴极反应区（3）侧壁设有第一阴极回流管A（16‑1）、第二阴极回流管A（16‑2）和出水管（17），侧壁中部设有折流板B（9‑2），折流板B（9‑2）一端与阴极反应区（3）的侧壁固定连接，折流板B（9‑2）之间为石墨毡B（10‑2），阴极反应区（3）顶盖上设有一组排气管B（11‑2）、一组取样孔B（12‑2）、一组参比电极放置孔B（13‑2）和一组导线孔B（14‑2），石墨毡B（10‑2）通过穿过导线孔B（14‑2）的钛线与外电路相连；曝气室（4）内设有曝气器（18），曝气器（18）通过蠕动泵管与外充氧泵相连，曝气室（4）侧壁设有阴极回流管B（16‑3），曝气室（4）顶端顶盖上设有曝气室开孔（19）；缓冲室（5）底部设有阴极回流管C （16‑4），缓冲室（5）顶端的顶盖上设有溶氧测定仪测定开孔（20）。...
【技术特征摘要】
1.可实现同步硝化反硝化的无膜微生物燃料电池反应器，其特征在于，包括阳极反应区(I)、过渡区(2)、阴极反应区(3)、曝气室(4)和缓冲室(5)，阳极反应区(I)、过渡区(2)和阴极反应区(3)依次相接，曝气室(4)与缓冲室(5)通过开孔相连通且两者均与阴极反应区(3)相接；其中:反应器设有顶盖，阳极反应区(I) 一侧壁底部设有排泥管(6)，另一相对平行侧壁设有阳极回流管A (7-1)，排泥管(6)上部的侧壁上设阳极回流管B (7-2)、进水管(8)和折流板A (9-1)，折流板A (9-1)—端与阳极反应区(I)的侧壁固定连接，折流板A(9-1)之间为石墨毡A (10-1)，阳极反应区(I)顶盖上设有一组排气管A (11-1)、一组取样孔A (12-1)、一组参比电极放置孔A (13-1)和一组导线孔A (14_1)，石墨毡A (10_1)通过穿过导线孔A (14-1)的钛线与外电路相连；过渡区(2)由两块穿孔板(15)与反应器的两侧壁构成；阴极反应区(3)侧壁设有第一阴极回流管A (16-1)、第二阴极回流管A (16-2)和出水管(17)，侧壁中部设有折流板B (9-2)，折流板B (9-2)—端与阴极反应区(3)的侧壁固定连接，折流板B (9-2)之间为石墨毡B (10-2)，阴极反应区(3)顶盖上设有一组排气管B (11-2)、一组取样孔B (12-2)、一组参比电极放置孔B (13_2)和一组导线孔B(14...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱光灿，孔赟，朱建国，
申请(专利权)人：江苏省城市规划设计研究院，
类型：新型
国别省市：江苏;32
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