一种自养型反硝化生物阴极型的微生物燃料电池制造技术

本发明专利技术提出了一种集去除地下水中含氧阴离子并回收所产电能于一体的反硝化生物阴极型的微生物燃料电池装置。该装置主体包括卧式圆柱形阴极室和阳极室，两者以质子交换膜分隔开并用法兰盘紧密连接。阴阳两极与外电路连接形成完整回路，利用恒流泵进水，定期检测出水水质和稳定产电的情况。阳极厌氧微生物消耗有机污染物，阴极自养反硝化型微生物利用生物阴极作为电子供体，还原硝酸盐和高氯酸盐，两电极产生的电势差可由数据采集系统收集与分析。该装置简单、高效、成本低并拥有良好的密封条件，能够在实际中应用。

Autotrophic denitrifying biological cathode type microbial fuel cell

The present invention provides a kind of denitrifying biological cathode type microbial fuel cell device which can remove the oxygen anion in groundwater and recycle the energy produced. The main body of the device comprises a horizontal cylindrical cathode chamber and an anode chamber, which are separated by a proton exchange membrane. The cathode and the outer circuit are connected to form a complete circuit, the constant current pump is used for water supply, and the water quality and the stable electricity generation are regularly detected. Anode anaerobic microorganisms consume organic pollutants, cathode microbial autotrophic denitrification using the biological cathode as an electron donor, the reduction of nitrate and perchlorate, two electrode potential can be collected by the data collection and analysis system. The utility model has the advantages of simple device, high efficiency, low cost and good sealing condition.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种在去除地下水中含氧阴离子的同时回收所产电能的装置，属水污染处理技术与生物电化学的交叉领域。该装置利用长期驯化并成功挂膜的反硝化生物阴极作为电子供体去除高氯酸盐和硝酸盐，并有效地回收电能。
技术介绍
近年来随着经济地高速发展，人类对于自然界地索求越发严重，使得工农业生产所产生的副产物(高氯酸盐和硝酸盐)越来越多，超出了环境本身的容纳值。高氯酸盐，流动性强、反应活性低、较难被吸附，对人体甲状腺功能有破坏作用。硝酸盐常作为高氯酸盐的伴随物，易造成人体的肝损伤甚至癌症，尤其是它的还原产物亚硝酸盐。美国环境保护局在2010年就已经规定饮用水源中高氯酸盐与硝酸盐的最大污染限值分别为15μg/L和45mg/L，而我们中国的《生活饮用水卫生标准》(GB5749‐‐2012)也规定,饮用水中硝态氮(NO3‐‐N)的含量不超过10mg/L。传统的去除高氯酸盐和硝酸盐有离子交换法、反渗析法、催化还原法以及生物修复法等等。离子交换法虽可去除这两种无机盐，但是树脂再生的要求高且水中其它阴离子的干扰都使得此法效率较低。反渗析法中所用的反渗析膜对进水水质要求高(一般需要预处理)，而且无专一选择性也成了它的一大缺点。催化还原法虽利用了ClO4‐和NO3‐中Cl和N处于最高氧化态易被还原的特点，但难以将两者完全或大部分转化成无害物质，而且还存在催化剂的“二次污染”的隐患。而生物修复作为一种成本低、二次污染小的技术手段，多以有机物或无机物(较少)为电子供体，利用高氯酸盐还原菌(PCBR)或/和反硝化菌(Denitrifiers)将高氯酸盐和硝酸盐还原成无毒无害的Cl‐和N2。但是碳源添加量难以控制，过少会降低去除效率，过大会引起微生物增殖从而引起其他污染。然而随着研究的深入，微生物燃料电池(MFC)逐渐成为一种既能去除水中污染物又能产生能源的很有潜力的技术手段。尤其是生物阴极，最近几年越来越受学者们的推崇。它能够富集一些特定微生物接受来自于固态阴极的电子，并将其用于O2、NO3‐、NO2‐、ClO4‐的还原。与其他技术手段相比，该方法在含氧阴离子还原上更加彻底，对碳源没有特定要求，而且还能“变废为宝”，产生电能。目前，几乎所有生物阴极都被附加了外加电动势或通过搅拌来增加微生物与污染物的接触面积，且多数以异养为主。这样，不仅消耗外界提供的能源，而且装置气密性差，成本也高，仍对此技术的应用与发展有着不利的影响。
技术实现思路
基于上述现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种自养型反硝化生物阴极型的微生物燃料电池及在其去除地下水中常见含氧阴离子并回收该电池所产电能中的应用，其具有气密性高、成本低、不消耗外加能量的特点。本专利技术提供的这套装置的主体由阴极室和阳极组成。阴极室为活性污泥与剩余污泥按体积比1:1接种，以碳酸(氢)盐作为唯一碳源；而阳极室以剩余污泥接种，污泥量与阴极室总污泥量相等，以乙酸盐等有机物作为碳源。阴阳极材料均选择了相等表面积易挂膜的碳毡，经136天挂膜成功。阴阳室以质子交换膜分隔开来，并在阳极室放置Ag/AgCl参比电极，外电路以钛丝连接负载电阻和手动控制开关共同组成完整回路。在实际运行中产生的电量用数据采集卡收集并通过台式计算机定时记录。电池阴阳极的进水均由恒流泵打入，出水或换水均采取虹吸方式收集。其中阴阳极室用法兰盘连接并夹带防水垫，整套装置是在完全密封且常温条件下运行的。所述的阴阳极室材质均为有机玻璃，形状为卧式圆柱体形(D＝6cm，H＝8cm)，容积均为226mL。所述的阴阳极材料均为长3cm、宽2cm、厚0.3cm的表面干净的碳毡。所述的质子交换膜选择透过率≥96％，膜厚度(湿态)为0.32±0.02mm，膜面电阻4～5Ω/㎝2，爆破强度＞6Kg/㎝2。所述的Ag/AgCl参比电极D＝3.8mm，玻璃管长度60mm，可拆装。所述的数据采集卡具有16路单端模拟信号信号采集，8路数字信号输出和16位计数器的便携式功能。本专利技术还提供了上述自养型反硝化生物阴极在地下水中含氧阴离子生物还原中的应用。所述的含氧阴离子包括硝酸盐、高氯酸盐的一种或两种的混合物。上述的应用中，可按下述的步骤进行：(1)分别将等体积(20mL)活性污泥与剩余污泥置于阴极室内接种，同时将40mL剩余污泥置于阳极室内接种，定期向阴极室中加入一定浓度的含氧阴离子污染物的培养液进行培养；(2)驯化培养期间，维持恒温(30±1℃)与保证电池一定时间内电流密度稳定，从而保证微生物既能有效挂膜又能适应微电流的环境；(3)挂膜成功以后，待处理的废水通过恒流泵经进水管加入到阴极室中，同时连续监测出水的水质及电信号的变化情况，以实现该系统持续良好的运行。本专利技术的具体工作过程详见具体实施方式部分。本专利技术的有益效果为：生物阴极以微生物为载体，不添加任何化学催化剂或物理优化，降低了成本，提高了系统的稳定性；利用自养反硝化在去除污染物的同时又消除了有机碳源价格昂贵、难以控制的缺点；实现了生物阳极有效去除有机物、反硝化生物阴极高效生物还原含氧阴离子污染物及系统持续产电的“三同时”；反应器气密性良好，系统操作简单、效果高效，同时也易于维护运行，实现了“环境友好”的基本思想在实际中的应用。附图说明图1为本专利技术所述自养反硝化生物阴极型的微生物燃料电池系统的工艺及装置示意图。图2为本专利技术装置中连接阳极室和阴极室的法兰盘的结构示意图。图中标示：1‐原水一；2‐恒流泵一；3‐阀一；4‐阳极室进水口；5‐Ag/AlCl参比电极；6‐阳极碳毡；7‐阳极室；8‐阳极室出水口；9‐阀二；10‐出水接收器一；11‐原水二；12‐恒流泵二；13‐阀三；14‐阴极室进水口；15‐阴极碳毡；16‐阴极室；17‐阴极室出水口；18‐阀四；19‐出水接收器二；20‐底座一；21‐底座二；22‐法兰盘；23‐螺栓一；24‐质子交换膜；25‐钛丝；26‐手动开关；27‐螺栓二；28‐电阻；29‐数据采集卡；30‐电子计算机具体实施方式下述结合附图用来提供对本专利技术的进一步理解，但并不构成对本专利技术的不当限定。实施方式：装置的安装与运行装置按照图1所示的示意图进行安装，质子交换膜24将微生物燃料电池分为阳极室7和阴极室16两室。质子交换膜24被夹置在连接两室的法兰盘22中间，并用螺栓一23和螺栓二27等螺栓固定牢固。分别在阳极室7和阴极室16中放置阳极碳毡6与阴极碳毡15，并使两者等高且相互平行，间距约为2.5cm。两碳毡均与钛丝25相连，并接入外加负载28和手动开关26接通外电路。通过数据采集系统29和电子计算机30收集并记录产生电量。阳极室7中均匀平铺40mL剩余污泥，阴极室16中均匀平铺20mL活性污泥与20mL剩余污泥，并经历136天的驯化。装置安装完毕后，通过恒流泵一2汲取原水一1向阳极室7加入含有有机碳源乙酸钠的普通模拟废水，通过阳极厌氧微生物的氧化作用，阳极室中的有机质被生化降解，且COD不断下降；同时产生的电子由阳极6通过外电路传至阴极15，氢离子通过质子交换膜24由阳极室7转移至阴极室16，定期从阳极室出水口8取水监测水质或更换上清液。通过恒流泵二12汲取原水二11向阴极室16添加含碳酸氢钠的硝酸盐或/和高氯酸盐的模拟废水，硝酸盐或/和高氯酸盐分别在从阴极15本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自养型反硝化生物阴极型的微生物燃料电池，其特征在于：由阴极室(16)、阳极室(7)、外电路、进出水系统和电量数据采集系统组成。通过恒流泵一(2)和恒流泵二(12)分别向阳极室(7)和阴极室(16)加入待处理废水，然后通过吸附在阳极(6)、阴极(15)表面和室内悬浮微生物的共同作用，分别将有机物和含氧阴离子去除。系统的出水水质检测均来自装置的出水接收器一(10)与出水接收器二(19)，而收集的电量是由参比电极(5)及数据采集卡(29)与电子计算机(30)分析处理得出。

【技术特征摘要】
1.一种自养型反硝化生物阴极型的微生物燃料电池，其特征在于：由阴极室(16)、阳极室(7)、外电路、进出水系统和电量数据采集系统组成。通过恒流泵一(2)和恒流泵二(12)分别向阳极室(7)和阴极室(16)加入待处理废水，然后通过吸附在阳极(6)、阴极(15)表面和室内悬浮微生物的共同作用，分别将有机物和含氧阴离子去除。系统的出水水质检测均来自装置的出水接收器一(10)与出水接收器二(19)，而收集的电量是由参比电极(5)及数据采集卡(29)与电子计算机(30)分析处理得出。2.根据权利要求1所述的自养型反硝化生物阴极型的微生物燃料电池，其特征在于：阴极室(16)和阳极室(7)的容积均为226mL的卧式圆柱体形。3.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋琛，杨麒，尚美荣，孙杨，钟宇，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43