本发明专利技术公开了一种“厌氧/缺氧‑厌氧/好氧‑缺氧/好氧”三电池体系的微生物燃料电池装置及其应用于废水同时脱氮除碳的方法，属于污水生物修复领域。本发明专利技术在传统的“厌氧‑缺氧‑好氧(A2/O)”的基础上，与微生物燃料电池(MFC)进行耦合，构建了“厌氧/缺氧‑厌氧/好氧‑缺氧/好氧”三电池体系的微生物燃料电池装置。与传统的双室生物燃料电池同时脱氮除碳相比，能更加有效地挖掘污水中的能源，在充分利用有机碳源进行产电的同时，进一步强化反硝化脱氮，节省了反硝化所需的有机碳源。该方法在充分产电的基础上，具有同时脱氮除碳的功能，对污水中的CODcr、氮污染物都有很好的去除效果，是一种新型的污水生物处理以及能源回收的污水处理方法。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水处理及资源化利用领域，具体地说是高效处理高氨氮、低碳氮比的生活污水并同时最大化实现电能回收的一种三电池体系的微生物燃料电池装置及其应用于废水同时脱氮除碳的方法。
技术介绍
水体富营养化是当今人类社会面临的重大难题，其主要是由于水体中氮磷等营养物质浓度过高引起的。过量的氮污染物排放到自然水体中会造成：(1)加速水体富营养化；(2)氨氮消耗水体中的溶解氧，造成鱼类等水生生物的死亡；(3)氮化合物过多会对人和生物有毒害作用。我国市政污水处理厂进水有机碳源普遍不足，为了出水氨氮、TN达标，大多数污水处理厂需要额外投加有机碳源，大大增加了处理成本，成为制约污水处理厂发展的关键因素。另一方面，污水中蕴含的庞大的有机物能源若能够回收利用，将大大缓解污水处理厂能源消耗巨大的问题。因此，有必要研究和开发废水资源化的生物脱氮除碳的新型工艺。微生物燃料电池(MFC，Microbial fuel cell)是一种以微生物作为催化剂，将有机物中所蕴含的化学能直接转化成电能的生物电化学反应装置，具有同时去除有机污染物并获得能源输出的优点。应用该技术使废水处理与获取电能同步进行，有效缓解水污染和能源短缺问题。近年来在废水处理领域，利用MFC阴极脱氮、阳极去除有机物的功能，将MFC与传统生物脱氮除碳反应器相结合也得到了越来越多的关注。Virdis等将传统双室MFC与好氧硝化反应器相结合，MFC阳极出水经外接好氧硝化反应器后，将进水中大部分氨氮氧化成硝态氮，出水流入MFC阴极实现了电极反硝化脱氮，获得了每天2kg/m3 COD和0.41kg/m3的硝酸盐去除率，最大功率密度34.7W/m3。Xie等构建了由两个不同功能MFC组成的好氧/缺氧生物阴极型MFC组合工艺，分别在两个MFC的阴极中实现了好氧硝化和缺氧反硝化，组合工艺的氨氮和总氮去除率分别达到了97.4％和97.3％。魏锦程等简化了上述工艺流程，开发了好氧/缺氧两段式生物阴极MFC工艺，进水依次流经阳极、好氧阴极、缺氧阴极，在该连续流的模式总氮去除率达到了80％，最大功率密度为43.5W/m3。Zhang等设计了三室型MFC，在阳极的两侧分别设置缺氧和好氧生物阴极，污水先经过好氧生物阴极进行硝化反应，出水流经厌氧生物阴极进行反硝化脱氮，获得了84％
和50％的氨氮和总氮去除率。Yu等将MFC与膜曝气生物反应器的优势相结合，构建了膜曝气MFC，实现了阴极的同步硝化-电极反硝化，溶解氧在2mg/L时，COD、氨氮的去除率在99％，TN去除率不足20％；溶解氧降至0.5mg/L时，COD和氨氮的去除率大于95％，TN去除率达到了52％。虽然微生物燃料电池具有底物来源广泛和底物转化率高的特点，为废水的资源化利用和产生电能提供了一种十分有前景的方法。然而，要想使其成为一种成熟的污水处理技术用于实际应用，还存在一定的问题。首先是目前已经报道研究使用的微生物燃料电池的体积都较小(通常＜1L)，这与实际工程应用上还有较大的差距，还需要进一步的扩大其规模尺寸，才能满足实际应用。其次，MFC结构与实际污水处理反应器相结合，将面临MFC产电性能和降解污染物效率有机结合的问题，研究人员对影响MFC产电能力的各种因素和污染物降解情况分别进行了大量的研究，但对MFC与传统的污水生物降解工艺高效结合上，即在尽可能最大化挖掘MFC产电能力的前提下，还能保证较高的污染物降解效率，还存在一定的问题。
技术实现思路
专利技术目的：为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种三电池体系的微生物燃料电池装置及其应用。技术方案：为实现上述技术目的，本专利技术提供一种三电池体系的微生物燃料电池装置，包括厌氧室、缺氧室、好氧室、电极和电阻，所述电极和电阻通过外电路进行链接；其中，所述的厌氧室、缺氧室和好氧室两两相邻并用质子交换膜分隔开；所述电机包括厌氧/缺氧，缺氧/好氧和缺氧/好氧三对电极；所述的外电路及电阻分别将厌氧室与缺氧室、缺氧室与好氧室、缺氧室与好氧室的阴阳极相连，三对电极构成了三电池体系的微生物燃料电池装置；所述厌氧室、缺氧室和好氧室分别设置有进出水阀门和硝化液回流阀门。优选地，所述厌氧室、缺氧室及好氧室的尺寸分别为：24-30cm×16-20cm×12-15cm、24-30cm×16-20cm×12-15cm和48-60cm×24-30cm×12-15cm，体积比为1∶1∶3，分别由直径为6-8cm的质子交换膜两两隔开；更优选地，所述厌氧室、缺氧室及好氧室的尺寸分别为：24cm×16cm×12cm、24cm×16cm×12cm和48cm×24cm×12cm，体积比为1∶1∶3，分别由直径为6cm的质子交换膜两两隔开。所述的三对电极的阳极、阴极材料均为碳毡，尺寸为12×10cm2。所述的外电阻为固定的100欧姆。本专利技术进一步提出了上述的三电池体系的微生物燃料电池装置在废水同时脱氮除碳上的应用。具体地，在应用时包括如下步骤：(1)将厌氧室、缺氧室及好氧室分别接种市政污水处理厂的厌氧池、缺氧池和好氧池污泥，并分别放置厌氧/缺氧，缺氧/好氧和缺氧/好氧三对电极；(2)将含有有机碳源的废水序批式地加入厌氧室，将低碳氮比的废水序批式地加入缺氧室，将含有氨氮的废水序批式地加入好氧室，待底物耗尽的时候或各对电池电压急剧下降时更换废水，缺氧池和好氧池分别不间断搅拌与曝气；(3)当厌氧室、缺氧室和好氧室的电极均成功挂膜后，即三对电池的最大电压稳定至少三个间歇周期以上后，开始采用连续方式运行，将含有机碳源和氨氮的废水依次流经厌氧室、缺氧室和好氧室，好氧室中的硝化液根据实际脱氮效率按一定的比例回流至缺氧室；其中，厌氧室阳极生物膜利用一部分有机物产电，将电子分别经外电路传递到缺氧室阴极和好氧室阴极；缺氧室阴极一方面利用阴极电子和有机碳源分别进行电极反硝化和非电极反硝化，另一方面缺氧室阳极利用部分有机物产电，将电子传递至好氧室阴极；含氨氮的污水进入好氧室经硝化反应生成硝态氮，再利用厌氧室和缺氧室传递来的电子进行电极反硝化，即在好氧室发生同步硝化反硝化。本专利技术有益效果：传统生活污水脱氮工艺-A2/O工艺因其具有良好的脱氮除磷效果而被广泛应用。但其脱氮效果难再进一步提高，内循环量一般以2Q为限，不宜太高；且污泥增长快，污泥量大。部分生活污水处理厂进水COD偏低，进水氨氮浓度过高，造成缺氧池有机碳源不足，反硝化效果不佳。脱氮微生物燃料电池大体分为两种类型-缺氧型和好氧型，前者阴极缺氧，利用阴极电子作为电子供体实现硝态氮的反硝化；后者阴极好氧，含有机碳源或不含有机碳源，通常进行同步硝化反硝化以实现脱氮。微生物燃料电池应用于传统A2/O脱氮工艺时，通常希望传统A2/O脱氮工艺中，通常希望有机物在阳极用于产电，剩余的低浓度有机物作为电子供体进入缺氧阴极进行生物反硝化，再进入好氧生物阴极进行同步硝化反硝化。本专利技术将微生物燃料电池与传统的A2/O工艺结合，构建了“厌氧/缺氧-厌氧/好氧-缺氧/好氧”三电池体系的微生物燃料电池装置，能更加有效地挖掘污水中的能源，充分利用有机碳源进行产电，在缺氧室和好氧室均能去除氮素污染物，强化了系统的反硝化
脱氮功能，即使在有机碳源不足的情况下也能获本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种三电池体系的微生物燃料电池装置，其特征在于，包括厌氧室、缺氧室、好氧室、电极和电阻，所述电极和电阻通过外电路进行链接；其中，所述的厌氧室、缺氧室和好氧室两两相邻并用质子交换膜分隔开；所述电极包括厌氧/缺氧，缺氧/好氧和缺氧/好氧三对电极；所述的外电路及电阻分别将厌氧室与缺氧室、缺氧室与好氧室、缺氧室与好氧室的阴阳极相连，三对电极构成了三电池体系的微生物燃料电池装置；所述厌氧室、缺氧室和好氧室分别设置有进出水阀门和硝化液回流阀门。
【技术特征摘要】
1.一种三电池体系的微生物燃料电池装置，其特征在于，包括厌氧室、缺氧室、好氧室、电极和电阻，所述电极和电阻通过外电路进行链接；其中，所述的厌氧室、缺氧室和好氧室两两相邻并用质子交换膜分隔开；所述电极包括厌氧/缺氧，缺氧/好氧和缺氧/好氧三对电极；所述的外电路及电阻分别将厌氧室与缺氧室、缺氧室与好氧室、缺氧室与好氧室的阴阳极相连，三对电极构成了三电池体系的微生物燃料电池装置；所述厌氧室、缺氧室和好氧室分别设置有进出水阀门和硝化液回流阀门。2.根据权利要求1所述的三电池体系的微生物燃料电池装置，其特征在于，所述厌氧室、缺氧室及好氧室的尺寸分别为：24-30cm×16-20cm×12-15cm、24-30cm×16-20cm×12-15cm和48-60cm×24-30cm×12-15cm，体积比为1∶1∶3，分别由直径为6-8cm的质子交换膜两两隔开。3.根据权利要求1所述的三电池体系的微生物燃料电池装置，其特征在于，所述的三对电极的阳极、阴极材料均为碳毡，尺寸为12×10cm2。4.根据权利要求1所述的三电池体系的微生物燃料电池装置，其特征在于，所述的外电阻为固定的100欧姆。5.权利要求1所述的三电池体系的微生物燃...
【专利技术属性】
技术研发人员：李超，操家顺，周仕华，章震，薛朝霞，费罗兰，虞筠霄，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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