本发明专利技术公开了一种双室异强度曝气硝化微生物燃料电池。阳极室和阴极室之间设有质子交换膜，阳极室内充注阳极液，通过第一隔板将阳极室分隔成第一曝气区和第一反应区，第一反应区设有硝化菌预挂膜阳极；阴极室充注阴极液，通过第二隔板将阴极室分隔成第二曝气区和第二反应区，第二反应区设有Pt负载的阴极；第一曝气区和第二曝气区底部设有微孔曝气管，第一曝气区和第二曝气区顶部设置密封盖及导线固定管，密封盖用硅胶垫片和法兰密封连接。本发明专利技术结构简单，造价低廉；操作方便，性能稳定；物尽所用，脱氮产电。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微生物燃料电池，尤其是一种双室异强度曝气硝化微生物燃料电池。
技术介绍
微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)是一种利用微生物作用释放基质中的电子并传递到电极，将化学能直接转化为电能的装置。将微生物燃料电池应用到废水处理领域，可以消除污染物同时产生电能，它是解决环境问题、缓和能源危机的有效途径。含氮废水直接排入水体，会导致水体富营养化，引发生态灾难。在含氮废水处理中，生物脱氮是最为经济的废水脱氮手段。其原理是在好氧条件下，由硝化菌将氨氮氧化为亚硝氮和硝氮，再在缺氧条件下由反硝化菌将亚硝氮和硝氮还原成氮气。硝化菌由氨氧化菌和亚硝酸氧化菌组成，前者将氨氧化为亚硝酸，后者将亚硝酸氧化为硝酸。 从生化水平看，硝化作用涉及多种酶催化的代谢反应在氨单加氧酶的作用下，NH3 — NH2OH;再在羟胺氧还酶的作用下，NH2OH — N02_ ;最后在亚硝酸盐氧还酶的作用下，NO2^ —N03_。羟胺是氨氧化的中间产物，氨单加氧酶催化的氨氧化反应必须有氧分子(02)直接参与[式(1)]，而羟胺至亚硝酸乃至硝酸的氧化反应则无需氧分子(O2)直接参与。若将氨用作MFC的燃料，则只需提供将氨氧化成羟胺所需的氧气，并且供氧量不能过大。否则，羟胺氧化所释放的电子将被阳极室内的溶解氧所消耗。NH3 + O2 + 2 [H]纖纖、NH2OH + H2O(I) 一般认为，细菌将胞内电子传递至胞外电极的途径主要有三种①菌体细胞直接与电极接触；②利用菌体表面的纳米导线利用中介体。不论哪种电子传递方式，细菌远离电极都不利于胞内电子向电极转移。如果阳极具有巨大的表面积，那么可在阳极表面直接附着生长生物膜，将有利于胞内电子向电极转移。在MFC研究中，人们常用铁氰化钾和高锰酸钾作为阴极室的电子受体，这两种电子受体无法再生，需要不断补充，其还原产物也易覆盖于阴极表面而影响效率，因此实用价值不大。针对现有MFC的种种缺陷，本专利技术使硝化菌附着生长于阳极表面，以氨为燃料，以氧气为阴极电子受体，通过阳极室和阴极室的不同强度曝气，成功实现了硝化产电。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有MFC的不足，提供一种双室异强度曝气硝化微生物燃料电池。双室异强度曝气硝化微生物燃料电池包括阳极室、阴极室、质子交换膜、硅胶垫片、法兰、阳极液、第一隔板、第一曝气区、第一反应区、硝化菌预挂膜阳极、阴极液、第二隔板、第二曝气区、第二反应区、Pt负载阴极、微孔曝气管、密封盖、导线固定管；阳极室和阴极室之间设有质子交换膜，阳极室内充注阳极液，通过第一隔板将阳极室分隔成第一曝气区和第一反应区，第一反应区设有硝化菌预挂膜阳极；阴极室充注阴极液，通过第二隔板将阴极室分隔成第二曝气区和第二反应区，第二反应区设有Pt负载的阴极；第一曝气区和第二曝气区底部设有微孔曝气管，第一曝气区和第二曝气区顶部设置密封盖及导线固定管，密封盖用硅胶垫片和法兰密封连接。所述的阳极室和阴极室大小相同，长宽高比为1. O :1. O :2. O。所述的第一曝气区和第一反应区的横截面积之比为1. O :2. (Γ2. 01.0 ;所述的第一隔板上端与阳极室顶部的距离为阳极室高度的1/5 3/10，第一隔板下端与阳极室底部的距离为阳极室高度的1/10 ；所述的阳极液充注体积占阳极室体积的2/3 4/5。所述的第二曝气区和第二反应区的横截面积之比为1. O :2. (Γ2. 01.0 ;所述的第二隔板上端与阴极室顶部的距离为阴极室高度的1/5 3/10，所述的第二隔板下端与阴极室底部的距离为阴极室高度的1/10 ;所述的阴极液(11)充注体积占阴极室体积的2/3 4/5。所述的硝化菌预挂膜阳极由碳毡、石墨棒和生物膜构成；碳租厚度lmnT3mm,宽度30mnT80mm,长度100mnT300mm,横向卷折成5 10层，层间 以固定器固定，形成一个彼此平行的曲面，在在曲面中心用导电粘合剂固定有碳棒，碳棒直径 3mm 6mm,长度 70mm 110mm。所述的阳极室的DO为O. 5 1. 5mg/L,阴极室的DO为3. 0 5· Omg/L。与现有MFC相比，本专利技术主要有以下特点1)以氨作为产电基质，利用硝化菌进行废水除氨和生物产电，可同时实现污染控制和电能生产。2)阳极室限制供氧，既能顺利启动氨氧化反应，又能提高羟胺产电效能，并能减少曝气量，降低运行成本。3)阴极以氧气作为电子受体，廉价易得，产物(水)无污染。4)阳极采用特殊构造，具有较大表面积，便于硝化菌附着生长和胞内电子向电极传递，提高产电效率。附图说明图1是双室曝气式微生物燃料电池侧剖面示意 图中阳极室1、阴极室2、质子交换膜3、硅胶垫片4、法兰5、阳极液6、第一隔板7、第一曝气区8、第一反应区9、硝化菌预挂膜阳极10、阴极液11、第二隔板12、第二曝气区13、第二反应区14、Pt负载阴极15、微孔曝气管16、密封盖17、导线固定管18 ； 图2是本专利技术的硝化菌预挂膜阳极横剖面示意 图中碳毡(A)，石墨棒B，生物膜C，固定器D，平行的曲面E。具体实施例方式如图1所示，双室异强度曝气硝化微生物燃料电池包括阳极室1、阴极室2、质子交换膜3、硅胶垫片4、法兰5、阳极液6、第一隔板7、第一曝气区8、第一反应区9、硝化菌预挂膜阳极10、阴极液(11)、第二隔板(12)、第二曝气区13、第二反应区14、Pt负载阴极15、微孔曝气管16、密封盖17、导线固定管18 ;阳极室I和阴极室2之间设置质子交换膜3，阳极室I内充注阳极液6，通过第一隔板7将阳极室I分隔成第一曝气区8和第一反应区9，第一反应区9设有硝化菌预挂膜阳极10，阴极室2充注阴极液11，通过第二隔板12将阴极室2分隔成第二曝气区13和第二反应区14，第二反应区14设有Pt负载的阴极15 ;第一曝气区8和第二曝气区13底部设有微孔曝气管16，第一曝气区8和第二曝气区13顶部设置密封盖17及导线固定管18，密封盖17用硅胶垫片4和法兰5密封连接。所述的阳极室I和阴极室2大小相同，长宽高比为1.0 :1.0 :2. O。所述的第一曝气区8和第一反应区9的横截面积之比为1. O :2. (Γ2. 01.0 ;所述的第一隔板7上端与阳极室I顶部的距离为阳极室高度的1/5 3/10，第一隔板7下端与阳极室I底部的距离为阳极室高度的1/10 ;所述的阳极液6充注体积占阳极室I体积的2/3 4/5。所述的第二曝气区13和第二反应区14的横截面积之比为1. O :2. (Γ2. 01.0 ;所述的第二隔板12上端与阴极室(2)顶部的距离为阴极室高度的1/5 3/10，所述的第二隔板(12)下端与阴极室2底部的距离为阴极室高度的1/10 ;所述的阴极液11充注体积占阴极室2体积的2/3 4/5。阳极室I限制供氧，使供氧量仅满足启动氨氧化成羟胺的一步反应之需；阴极室2充分供氧，使供氧量满足接受阳极传来电子之需。所述的阳极室I的DO为O. 5^1. 5mg/L,阴极室2的DO为3. 0 5· Omg/L。如图2所示，所述的硝化菌预挂膜阳极10由碳毡A、石墨棒B和生物膜C构成；碳租A厚度lmnT3mm,宽度30mnT80mm,长度100mnT300mm,横向卷折成5 10层，层间以固定器D本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种双室异强度曝气硝化微生物燃料电池，其特征在于包括阳极室(1)、阴极室(2)、质子交换膜(3)、硅胶垫片(4)、法兰(5)、阳极液(6)、第一隔板(7)、第一曝气区(8)、第一反应区(9)、硝化菌预挂膜阳极(10)、阴极液(11)、第二隔板(12)、第二曝气区(13)、第二反应区(14)、Pt负载阴极(15)、微孔曝气管(16)、密封盖(17)、导线固定管(18)；阳极室(1)和阴极室(2)之间设置质子交换膜(3)，阳极室(1)内充注阳极液(6)，通过第一隔板(7)将阳极室(1)分隔成第一曝气区(8)和第一反应区(9)，第一反应区(9)设有硝化菌预挂膜阳极(10)；阴极室(2)充注阴极液(11)，通过第二隔板(12)将阴极室(2)分隔成第二曝气区(13)和第二反应区(14)，第二反应区(14)设有Pt负载的阴极(15)；第一曝气区(8)和第二曝气区(13)底部设有微孔曝气管(16)，第一曝气区(8)和第二曝气区(13)顶部设置密封盖(17)及导线固定管(18)，密封盖(17)用硅胶垫片(4)和法兰(5)密封连接。
【技术特征摘要】
1.一种双室异强度曝气硝化微生物燃料电池，其特征在于包括阳极室(I)、阴极室(2)、质子交换膜(3)、硅胶垫片(4)、法兰(5)、阳极液(6)、第一隔板(7)、第一曝气区(8)、第一反应区(9)、硝化菌预挂膜阳极(10)、阴极液(11)、第二隔板(12)、第二曝气区(13)、第二反应区(14)、Pt负载阴极(15)、微孔曝气管(16)、密封盖(17)、导线固定管(18);阳极室(I)和阴极室(2)之间设置质子交换膜(3)，阳极室(I)内充注阳极液￠)，通过第一隔板(7)将阳极室(I)分隔成第一曝气区(8)和第一反应区(9)，第一反应区(9)设有硝化菌预挂膜阳极(10);阴极室(2)充注阴极液(11)，通过第二隔板(12)将阴极室(2)分隔成第二曝气区(13)和第二反应区(14)，第二反应区(14)设有Pt负载的阴极(15);第一曝气区(8)和第二曝气区(13)底部设有微孔曝气管(16)，第一曝气区(8)和第二曝气区(13)顶部设置密封盖(17)及导线固定管(18)，密封盖(17)用硅胶垫片(4)和法兰(5)密封连接。2.根据权利要求1所述的一种双室异强度曝气硝化微生物燃料电池，其特征在于所述的阳极室⑴和阴极室⑵大小相同，长宽高比为1. O :1. O :2. O。3.根据权利要求1所述的一种双室异强度曝气硝化微生物燃料电池，其特征在于所述的第一曝气区(8)和第一反应区(9)的横截面积之比为1....
【专利技术属性】
技术研发人员：郑平，陈慧，谢作甫，张吉强，王茹，邢雅娟，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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