三室型微生物燃料电池同步去除氮素和硫化物污染的方法技术

本发明专利技术公开了一种三室型微生物燃料电池同步去除氮素和硫化物污染的方法。构建三室型微生物燃料电池；将含硫化物污水通入微生物燃料电池的阳极室，利用自发电化学作用与微生物代谢消除硫污染并将产生的电子通过外电路传递给好氧阴极和缺氧阴极；将含氨氮污水通入好氧阴极，好氧电活性微生物以氧作为电子受体氧化外电路传递过来的电子产生电能，硝化菌同时将污水中的氨氮氧化成硝态氮；再将好氧阴极的出水通入缺氧阴极，电活性反硝化菌以外电路传来的电子为电子供体完成反硝化过程。本发明专利技术通过微生物燃料电池同步去除废水中的氮素和硫化物污染，具有节省外加化学药剂和回收电能等优点。

Simultaneous removal of nitrogen and sulfide contamination in a three compartment microbial fuel cell

The present invention discloses a method for simultaneous removal of nitrogen and sulfide contamination in a three compartment microbial fuel cell. Construction of three type microbial fuel cell; anode chamber containing sulfide wastewater into the microbial fuel cell, the use of electronic self generating chemical and microbial metabolism and elimination of sulfur pollution will have passed to the aerobic and anoxic cathode cathode through an external circuit; the ammonia nitrogen containing wastewater by aerobic aerobic cathode, electronic electric activity of microorganisms using oxygen as electron acceptor oxidation to pass over the external circuit to generate electricity, nitrifying bacteria in sewage and ammonia into nitrate nitrogen; then the aerobic cathode effluent into oxygen cathode, electrical activity of denitrifying bacteria outside the Lu Chuanlai electric as electron donor to complete denitrification process. The invention can simultaneously remove the nitrogen and sulfide pollution in the waste water by the microbial fuel cell, and has the advantages of saving chemical additives and recovering electric energy.

【技术实现步骤摘要】
三室型微生物燃料电池同步去除氮素和硫化物污染的方法
本专利技术涉及污水生物脱氮除硫
，特别是涉及一种三室型微生物燃料电池同步去除氮素和硫化物污染的方法。
技术介绍
生物脱氮除硫技术是解决污水氮硫污染的最经济有效方法，但传统生物脱氮除硫技术在处理污水时，不能回收氮硫污染物所蕴含的能量。微生物燃料电池能以污水中的有机物或无机物为底物，在去除污染物的同时回收污染物中所蕴藏的能量，在废水脱氮或废水除硫领域具有较好的发展前景例如参见文献1(SunH,XuS,ZhuangG,ZhuangX.2016.Performanceandrecentimprovementinmicrobialfuelcellsforsimultaneouscarbonandnitrogenremoval:Areview[J].JournalofEnvironmentalSciences(China)39:242-248.)和文献2(ZhaoF,RahunenN,VarcoeJR,etal.2008.Activatedcarbonclothasanodeforsulfateremovalinamicrobialfuelcell[J].EnvironmentalScience&Technology,42(13):4971-4976.)。该技术可以弥补传统生物脱氮除硫技术不能回收氮硫污染物中所含能量的缺点，是治理含氮硫污水并回收电能的新型污水处理技术。但污水中的氮主要以氨氮形式存在，以往的微生物燃料电池废水脱氮主要是去除废水中的硝氮，微生物燃料电池处理含氨废水时需首先将氨氮转化为硝氮。微生物燃料电池单独脱硫时需在阴极提供电子受体。目前利用微生物燃料电池进行含氨废水的脱氮或含硫化物废水的除硫的方法，增加了运行成本或将工艺复杂化(外加电子供体或受体，串联外置硝化工艺先完成氨氮的硝化)。国内外污水脱氮除硫技术的发展趋势是：以生物技术为主流，充分利用废水脱氮与除硫过程产生的电子互补性，实现氮硫污染物的同步高效去除，并尽可能回收其中的能量。但尚未见利用三室型微生物燃料电池同步进行阳极除硫，两侧好氧阴极和缺氧阴极分别进行硝化与反硝化脱氮的报道。因此亟需一种以生物技术为主流，充分利用废水脱氮与除硫过程产生的电子互补性，实现氮硫污染物的同步高效去除，并尽可能回收其中的能量的微生物燃料电池同步去除污水中的氮素和硫化物并回收电能的方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：为了克服传统生物脱氮除硫技术不能回收氮硫污染物所蕴含的能量，微生物燃料电池分别单独脱氮和除硫又需增加费用的不足，简化外置硝化反应器与微生物燃料电池反硝化串联脱氮工艺的复杂性，尽可能回收阳极电子，提供一种三室型微生物燃料电池同步去除污水中的氮素和硫化物并回收电能的方法。该方法利用污水脱氮和除硫的电子互补性，在阳极去除硫化物的同时，分别在两侧阴极完成氨氮的硝化及硝氮的反硝化，不仅弥补微生物燃料电池单独脱氮(或除硫)缺少电子供体(或电子受体)的不足，而且能在同一个反应器内对含氨氮及硫化物的废水实现同步脱氮除硫并尽可能的回收电能。为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种三室型微生物燃料电池同步去除氮素和硫化物污染的方法。一种三室型微生物燃料电池，其特征在于：该微生物燃料电池由阳极室(1)好氧阴极室(3)和缺氧阴极室(5)构成，阳极室和阴极室为长方体或半圆柱体结构，阳极室和阴极室之间以质子膜(10)进行分隔，阳极室(1)、好氧阴极室(3)和缺氧阴极室(5)内填充颗粒石墨或石墨刷填料作为电极，这些填料是附着微生物的载体；所述微生物燃料电池所采用的外电路由铜导线(7)、电阻箱R1(8)和R2(9)或用电设备组成，微生物燃料电池的阳极(2)、电阻箱R1(8)和好氧阴极(4)通过铜导线(7)依次连接，微生物燃料电池的阳极(2)、电阻箱R2(9)和缺氧阴极(6)通过铜导线(7)依次连接，电阻箱R1(8)和R2(9)中的电阻值可调。作为上述技术方案的优选，本专利技术提供的三室型微生物燃料电池同步去除氮素和硫化物污染的方法进一步包括下列技术特征的部分或全部：作为上述技术方案的改进，所述的质子膜为经过预处理的质子膜，所述的预处理方法为先后置于质量分数为5％的双氧水溶液、浓度为0.5mol/L硫酸溶液和去离子水中，在温度为80℃条件下水浴煮1h后，晾干备用。作为上述技术方案的改进，所述微生物燃料电池是在20-30℃的温度下运行。一种三室型微生物燃料电池同步去除氮素和硫化物污染的方法，其特征是一种在微生物燃料电池的阳极室去除水中的硫化物，分别在好氧阴极室完成氨氮的硝化，在缺氧阴极室完成硝氮的反硝化，该方法是：1)构建三室型微生物燃料电池，并形成同步去除污水中氮素和硫化物污染的系统；2)将含pH为7.0的硫化物污水通入微生物燃料电池的阳极室(1)，硫化物在阳极室(1)内被氧化而消除硫污染，氧化过程中产生的电子经过外电路传递给两侧的好氧阴极(4)和缺氧阴极(6)，提供电子供体；3)将含pH为7.0的氨氮污水通入微生物燃料电池的好氧阴极室(3)，并进行曝气充氧，好氧阴极室(3)内好氧电活性微生物以氧作为电子受体氧化外电路传递过来的电子产生电能，硝化菌同时将污水中的氨氮氧化成硝态氮；4)再将好氧阴极室(3)的出水通入微生物燃料电池的缺氧阴极室(5)，缺氧阴极室(5)内电活性反硝化菌利用外电路传递过来的电子将硝氮转化为氮气排放，从而去除氮污染；5)经微生物燃料电池阳极室(1)排出的上清液为有效去除硫污染的处理水；经微生物燃料电池好氧阴极室(3)排出的上清液为经硝化过程的处理水，为后续的反硝化脱氮做准备，经微生物燃料电池缺氧阴极室(5)排出的上清液即为有效去除氮素的处理水；6)电子由阳极(2)通过外电路传递到好氧阴极(4)和缺氧阴极(6)时在外电路产生电流，从而实现电能的回收。作为上述技术方案的优选，本专利技术提供的三室型微生物燃料电池同步去除氮素和硫化物污染的方法进一步包括下列技术特征的部分或全部：作为上述技术方案的改进，含硫化物污水的主要成分为：硫化物160mgS/L-260mgS/L，NaHCO34.2g/L，KH2PO4·2H2O0.02g/L，MgCl20.1g/L，CaCl20.015g/L，微量元素1ml/L。作为上述技术方案的改进，含氨氮污水的主要成分为：氨氮31mgN/L，NaHCO34.2g/L，KH2PO4·2H2O0.02g/L，MgCl20.1g/L，CaCl20.015g/L，微量元素1ml/L。作为上述技术方案的改进，所述微量元素的成分包括FeCl3·6H2O1.5g/L，H3BO30.15g/L，CuSO4·5H2O0.03g/L，KI0.18g/L，MnCl2·4H2O0.12g/L，NiCl2·6H2O0.024g/L，Na2MoO4·2H2O0.06g/L，ZnSO4·7H2O0.12g/L，CoCl2·6H2O0.15g/L，EDTA10g/L。作为上述技术方案的改进，采用以下方法构建三室型微生物燃料电池：该微生物燃料电池由阳极室(1)好氧阴极室(3)和缺氧阴极室(5)构成，阳极室和阴极室为长方体或半圆柱体结构，阳极室和阴极室之间以质子膜(10)进行分隔，阳极室(1)、好氧阴极室(3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三室型微生物燃料电池，其特征在于：该微生物燃料电池由阳极室(1)好氧阴极室(3)和缺氧阴极室(5)构成，阳极室和阴极室为长方体或半圆柱体结构，阳极室和阴极室之间以质子膜(10)进行分隔，阳极室(1)、好氧阴极室(3)和缺氧阴极室(5)内填充颗粒石墨或石墨刷填料作为电极，这些填料是附着微生物的载体；根据不同的使用状态，所述微生物燃料电池所采用的外电路有如下几种组成方式，所述微生物燃料电池所采用的外电路由铜导线(7)、电阻箱R1(8)和R2(9)或用电设备组成，微生物燃料电池的阳极(2)、电阻箱R1(8)和好氧阴极(4)通过铜导线(7)依次连接，微生物燃料电池的阳极(2)、电阻箱R2(9)和缺氧阴极(6)通过铜导线(7)依次连接，电阻箱R1(8)和R2(9)中的电阻值可调。

【技术特征摘要】
1.一种三室型微生物燃料电池，其特征在于：该微生物燃料电池由阳极室(1)好氧阴极室(3)和缺氧阴极室(5)构成，阳极室和阴极室为长方体或半圆柱体结构，阳极室和阴极室之间以质子膜(10)进行分隔，阳极室(1)、好氧阴极室(3)和缺氧阴极室(5)内填充颗粒石墨或石墨刷填料作为电极，这些填料是附着微生物的载体；根据不同的使用状态，所述微生物燃料电池所采用的外电路有如下几种组成方式，所述微生物燃料电池所采用的外电路由铜导线(7)、电阻箱R1(8)和R2(9)或用电设备组成，微生物燃料电池的阳极(2)、电阻箱R1(8)和好氧阴极(4)通过铜导线(7)依次连接，微生物燃料电池的阳极(2)、电阻箱R2(9)和缺氧阴极(6)通过铜导线(7)依次连接，电阻箱R1(8)和R2(9)中的电阻值可调。2.如权利要求1所述的三室型微生物燃料电池，其特征在于：所述的质子膜为经过预处理的质子膜，所述的预处理方法为先后置于质量分数为5％的双氧水溶液、浓度为0.5mol/L硫酸溶液和去离子水中，在温度为80℃条件下水浴煮1h后，晾干备用。3.如权利要求1所述的三室型微生物燃料电池，其特征在于：所述微生物燃料电池是在20-30℃的温度下运行。4.一种三室型微生物燃料电池同步去除氮素和硫化物污染的方法，其特征是一种在微生物燃料电池的阳极室去除水中的硫化物，分别在好氧阴极室完成氨氮的硝化，在缺氧阴极室完成硝氮的反硝化，该方法是：1)构建三室型微生物燃料电池，并形成同步去除污水中氮素和硫化物污染的系统；2)将pH为7.0的含硫化物污水通入微生物燃料电池的阳极室(1)，硫化物在阳极室(1)内被氧化而消除硫污染，氧化过程中产生的电子经过外电路传递给两侧的好氧阴极(4)和缺氧阴极(6)，提供电子供体；3)将含pH为7.0的氨氮污水通入微生物燃料电池的好氧阴极室(3)，并进行曝气充氧，好氧阴极室(3)内好氧电活性微生物以氧作为电子受体氧化外电路传递过来的电子产生电能，硝化菌同时将污水中的氨氮氧化成硝态氮；4)再将好氧阴极室(3)的出水通入微生物燃料电池的缺氧阴极室(5)，缺氧阴极室(5)内电活性反硝化菌利用外电路传递过来的电子将硝氮转化为氮气排放，从而去除氮污染；5)经微生物燃料电池阳极室(1)排出的上清液为有效去除硫污染的处理水；经微生物燃料电池好氧阴极室(3)排出的上清液为经硝化过程的处理水，为后续的反硝化脱氮做准备，经微生物燃料电池缺氧阴极室(5)排出的上清液即为去除氮素的处理水；6)电子由阳极(2)通过外电路传递到好氧阴极(4)和缺氧阴极(6)时在外电路产生电流，从而实现电能的回收。5.如权利要求4所述的三室型微生物燃料电池同步去除氮素和硫化...

【专利技术属性】
技术研发人员：张少辉，魏霞，鲍任兵，钟留香，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42