CN108448144B - 一种微生物燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微生物燃料电池，包括依次设置的第一阳极室、阴极室和第二阳极室，分别通过阳离子交换膜和阴离子交换膜隔开，第一阳极室和第二阳极室还相互连通，第一阳极、阴极以及第二阳极分别连接；第一阳极上接种有具有产电活性的微生物或活性污泥，阴极上设置有非生物催化剂，阴极室内的阴极液中接种有具有硝化活性的微生物或活性污泥，第二阳极上接种有同时具有产电和反硝化活性的微生物或活性污泥。本发明分别保证了产电效率、硝化效率和反硝化效率的最适环境，在废水中有机物有效去除的基础上，还确保了废水中氮素的有效去除。

Description

一种微生物燃料电池

技术领域

本发明涉及微生物电化学技术领域，具体涉及一种微生物燃料电池。

背景技术

目前，随着我国经济的快速发展，日益频繁的工业生产活动和人类活动造成了严重的水体污染，同时也消耗了大量的能源；当今水体污染与能源紧缺已经成为制约我国可持续发展的关键问题。

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)，是一种新型的清洁能源技术，利用产电微生物降解水中有机污染物并将其化学能原位转化为电能。利用微生物燃料电池处理废水，不仅实现了有机物的有效去除，还能直接将化学能转化为电能，既解决了传统污水处理能耗高和污泥产量大的缺点，又可有效回收污水中大量有机物潜在的化学能，逐渐应用在废水处理领域中。

在实际应用中，传统的微生物燃料电池虽然实现了对废水中有机物的有效去除，但对废水中的氮素去除效果仍然不太理想，尤其是对硝酸根的去除，而且其去除速率也远远不能满足需求。

发明内容

本发明提供一种微生物燃料电池，以解决现有技术中的微生物燃料电池无法对废水中的氮素有效去除的问题。

本发明实施例提供一种微生物燃料电池，包括依次设置的第一阳极室、阴极室和第二阳极室，所述第一阳极室和所述阴极室通过阳离子交换膜隔开，所述阴极室和所述第二阳极室通过阴离子交换膜隔开，所述第一阳极室和所述第二阳极室还相互连通；位于所述第一阳极室内的第一阳极、位于所述阴极室内的阴极以及位于所述第二阳极室内的第二阳极分别连接；

所述第一阳极上接种有具有产电活性的微生物或活性污泥，所述阴极上设置有非生物催化剂，所述阴极室内的阴极液中接种有具有硝化活性的微生物或活性污泥，所述第二阳极上接种有同时具有产电和反硝化活性的微生物或活性污泥。

作为本发明的优选方式，所述第一阳极室包括第一进水口和第一出水口，所述第二阳极室包括第二进水口和第二出水口，其中所述第一出水口和所述第二进水口通过导管连接，所述第一进水口与外部的废水供给装置连接。

作为本发明的优选方式，所述第一阳极室内的阳极液和所述第二阳极室内的阳极液中溶解氧的浓度均为0.05～0.1mg/L。

作为本发明的优选方式，所述阴极室内设置有曝气管，所述曝气管的另一端与外部的空气泵连接。

作为本发明的优选方式，所述曝气管与所述空气泵之间还设置有气体流量计，通过所述气体流量计控制曝气量为10～50ml/min。

作为本发明的优选方式，所述阴极上设置的非生物催化剂为Pt或氮掺杂石墨烯催化剂。

作为本发明的优选方式，所述阴极液为无机盐溶液或含氮无机盐溶液。

作为本发明的优选方式，所述第一阳极室、所述阴极室和所述第二阳极室的培养温度为30℃。

作为本发明的优选方式，所述第一阳极室、所述阴极室和所述第二阳极室的体积相同。

作为本发明的优选方式，所述第一阳极、所述阴极和所述第二阳极由碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板材料制成。

本发明提供的一种微生物燃料电池，采用两个阳极室和一个阴极室的结构，实现了在第一阳极室将氮素快速地从废水中分离以降低对第一阳极室内具有产电活性的微生物的毒害作用，同时将脱氮的硝化反应和反硝化反应进行分离，使得在阴极室内发生硝化反应，而在第二阳极室内发生反硝化反应，从而分别保证了产电效率、硝化效率和反硝化效率的最适环境，在废水中有机物有效去除的基础上，还确保了废水中氮素的有效去除。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的微生物燃料电池的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的微生物燃料电池的电压输出示意图；

图3为本发明实施例提供的微生物燃料电池中第一阳极室和第二阳极室的COD变化示意图；

图4为本发明实施例提供的微生物燃料电池中第一阳极室、阴极室和第二阳极室的氨氮浓度变化示意图；

图5为本发明实施例提供的微生物燃料电池中第一阳极室、阴极室和第二阳极室的硝态氮浓度变化示意图。

其中，1、第一阳极室，2、阴极室，3、第二阳极室，4、阳离子交换膜，5、阴离子交换膜，6、第一阳极，7、阴极，8、第二阳极，9、第一进水口，10、第一出水口，11、第二进水口，12、第二出水口，13、导管，14、曝气管，15、气体流量计。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参照图1所示，本发明实施例公开了一种微生物燃料电池，包括依次设置的第一阳极室1、阴极室2和第二阳极室3，第一阳极室1和阴极室2通过阳离子交换膜4隔开，阴极室2和第二阳极室3通过阴离子交换膜5隔开，第一阳极室1和第二阳极室3还相互连通；位于第一阳极室1内的第一阳极6、位于阴极室2内的阴极7以及位于第二阳极室3内的第二阳极8分别连接；第一阳极6上接种有具有产电活性的微生物或活性污泥，阴极7上设置有非生物催化剂，阴极室2内的阴极液中接种有具有硝化活性的微生物或活性污泥，第二阳极8上接种有同时具有产电和反硝化活性的微生物或活性污泥。

本实施例中，利用微生物燃料电池处理的废水指含有有机物和氮素的废水，这里的氮素一般是指废水中的氨氮，而氨氮是指水中以游离氨(NH₃ ^-)和铵离子(NH₄ ⁺)形式存在的氮。传统的微生物燃料电池主要实现了废水中有机物的去除，但对废水中的氮素去除效果不太理想，尤其是对硝酸根的去除，而且其去除速率也远远不能满足需求。

本发明实施例提供的微生物燃料电池，采用两个阳极室和一个阴极室的结构，废水进入第一阳极室后，其中的有机物在第一阳极室进行降解并释放电子，电子经外电路到达阴极，其中的氮素经阳离子交换膜快速进入阴极室，并在阴极室内微生物的硝化作用下形成硝酸根，阴极室中还在催化剂的作用下发生氧还原反应消耗来自阳极的电子；硝酸根进一步经阴离子交换膜进入第二阳极室，最终在第二阳极室内被还原为氮气，同时废水进一步进入第二阳极室内，有机物在第二阳极室中进行进一步的降解并释放电子，电子经外电路也到达阴极。

该微生物燃料电池实现了在第一阳极室将氮素快速地从废水中分离以降低对第一阳极室内具有产电活性的微生物的毒害作用，同时将脱氮的硝化反应和反硝化反应进行分离，使得在阴极室内发生硝化反应，而在第二阳极室内发生反硝化反应，从而分别保证了产电效率、硝化效率和反硝化效率的最适环境，在废水中有机物有效去除的基础上，还确保了废水中氮素的有效去除。

同时，废水的有机物得到充分的降解，并且转化成电能通过外部电路以供外部用电设备利用。

本实施例中，第一阳极上接种的具有产电活性的微生物或活性污泥、阴极液中接种的具有硝化活性的微生物或活性污泥以及第二阳极上接种的同时具有产电和反硝化活性的微生物或活性污泥，均采用现有技术中通常采用的微生物或活性污泥，本发明实施例对此不做具体限定。

进一步地，第一阳极室中的废水中的氮素通过阳离子交换膜快速迁移至阴极，降低了氮素对具有产电活性的微生物活性的抑制，从而可有效提高第一阳极室中第一阳极的产电性能。

进一步地，阴极采用非生物催化剂进行催化氧还原反应进行高效产电，同时采用阴极液中接种的具有硝化活性的微生物或活性污泥进行硝化反应，可释放质子中和阴极发生氧还原反应消耗的质子，有效缓解阴极液pH的升高，不影响微生物的催化活性，确保了氮素的有效去除；并且具有硝化活性的微生物可在非生物催化剂表面形成生物薄膜，有效防止非生物催化剂的脱落和流失，延长阴极的有效使用寿命，从而降低了微生物燃料电池的成本。而传统的微生物燃料电池中，阴极使用非生物催化剂时，由于在运行过程中常造成非生物催化剂的脱落和流失使得阴极的使用寿命大大缩短，从而增加了微生物燃料电池的成本；同时阴阳极室之间的分隔膜降低了质子的传输，导致长期运行过程中阴阳极室中的酸碱失衡，影响了微生物的催化活性，虽然通过缓冲液体系可有效缓解pH的变化，但是仍然不能从本质上解决酸碱失衡的问题。

进一步地，第二阳极室主要进行反硝化反应，可快速还原硝酸根，产生的氢氧根中和了前期酸化的阳极液，有效缓解阴极液pH的升高，不影响微生物的催化活性，确保了氮素的有效去除；并且能够进一步降解阳极液中的有机物并释放电子至阴极，进一步提高产电性能。

在上述实施例的基础上，第一阳极室1包括第一进水口9和第一出水口10，第二阳极室3包括第二进水口11和第二出水口12，其中第一出水口10和第二进水口11通过导管13连接，第一进水口9与外部的废水供给装置连接。

本实施例中，废水由废水供给装置引入，并通过第一进水口进入第一阳极室中，在第一阳极室中进行有机物的降解并释放电子，其中的氮素经阳离子交换膜快速进入阴极室；在第一阳极室中经过处理的废水还依次通过第一出水口、导管和第二进水口进入第二阳极室中，进一步对废水中残留的有机物进行降解并产生电子，同时在阴极室中由氮素形成的硝酸根经阴离子交换膜也进入第二阳极室中进行反硝化反应，这样不仅能够有效去除废水中的有机物，还使硝化反应和反硝化反应的环境分离，从而有效去除废水中的氮素。最后，处理后达标的废水经第二出水口排出。

在上述实施例的基础上，第一阳极室1内的阳极液和第二阳极室3内的阳极液中溶解氧的浓度均为0.05～0.1mg/L。

本实施例中，第一阳极室和第二阳极室为厌氧的密闭环境，因此使第一阳极室和第二阳极室内的阳极液中溶解氧的浓度为0.05～0.1mg/L时，可使有机物在微生物的作用下较好地分解并释放出电子，提高阳极的产电性能。

在上述实施例的基础上，阴极室2内设置有曝气管14，曝气管14的另一端与外部的空气泵连接。

本实施例中，阴极室为好氧的曝气环境，因此在阴极室内设置了曝气管，并使曝气管的一端伸入阴极液中，另一端与外部的空气泵连接，可保证阴极室内阴极液中的溶解氧充足。

在上述实施例的基础上，曝气管14与空气泵之间还设置有气体流量计15，通过气体流量计15控制曝气量为10～50ml/min。

本实施例中，为更好地控制曝气量，在曝气管与空气泵之间设置了气体流量计，并且通过气体流量计将曝气量控制为10～50ml/min时，可使阴极液中溶解氧的含量达到最佳，有利于阴极液中具有硝化活性的微生物对氮素的硝化作用。

在上述实施例的基础上，阴极7上设置的非生物催化剂为Pt或氮掺杂石墨烯催化剂。

本实施例中，阴极上设置的非生物催化剂为Pt或氮掺杂石墨烯催化剂，其具有较好的催化性能，可以有效实现阴极在进行氧化还原反应时的催化作用。

在上述实施例的基础上，阴极液为无机盐溶液或含氮无机盐溶液。

本实施例中，阴极液优选为无机盐溶液或含氮无机盐溶液，可以较好地提供具有硝化活性的微生物或活性污泥的接种环境和生长环境。

在上述实施例的基础上，第一阳极室1、阴极室2和第二阳极室3的培养温度为30℃。

本实施例中，将第一阳极室、阴极室和第二阳极室的培养温度控制为30℃，从而间接调节第一阳极和第二阳极表面的温度以及阴极液的温度为30℃，可为微生物提供最适宜的生长环境，提高微生物的生物活性，最终提高整个微生物燃料电池的性能。实际应用中，可将第一阳极室、阴极室和第二阳极室整体放入恒温培养箱中进行30℃恒温培养。

在上述实施例的基础上，第一阳极室1、阴极室2和第二阳极室3的体积相同。

本实施例中，由于阴阳离子交换膜对阴阳离子的迁移速率与极室腔体体积和离子浓度有关，因此阴极室的硝化反应速率由第一阳极室向阴极室的迁移速率决定，其产生的质子可作为阴极氧还原反应的质子来源；第二阳极室的反硝化反应速率取决于阴极室向第二阳极室的迁移速率与第一阳极室向第二阳极室迁移的有机物浓度有关；当三者体积相同时，有利于废水中氮素的硝化反应和反硝化反应，可保证排出的废水中有机物和氮素的去除率达95％以上。

在上述实施例的基础上，第一阳极6、阴极7和第二阳极8由碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板材料制成。

本实施例中，第一阳极、阴极和第二阳极均采用碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板材料制成，这些材料的导电效果较好，较易使微生物附着，而且这些材料成本低，容易获得。

为进一步阐述本发明的技术方案，本发明实施例还提供了一种微生物燃料电池的具体实施方式。

本实施例中，该微生物燃料电池由体积均为100ml的第一阳极室和第二阳极室以及一个体积为100ml的阴极室组成，其中阴极室位于第一阳极室和第二阳极室的中间，且第一阳极室与阴极室由阳离子交换膜隔开，阴极室与第二阳极室由阴离子交换膜分隔开。位于第一阳极室内的第一阳极和位于第二阳极室内的第二阳极分别通过导线经由1kΩ的外电阻连接位于阴极室内的阴极，形成电流回路。

第一阳极和第二阳极均采用碳毡材料制作，碳毡大小均为2×3×3cm，且在第一阳极上接种具有产电活性的活性污泥，在第二阳极上接种同时具有产电和反硝化活性的活性污泥，活性污泥接种量均为0.5mg/ml。阴极采用碳布材料制作，并负载0.5mg/cm²的Pt掺杂石墨烯催化剂，碳布大小为3×3cm，且在阴极室内的阴极液中接种具有硝化活性的活性污泥，活性污泥接种量为0.5mg/ml。第一阳极室和第二阳极室均为厌氧的密闭环境，其中的阳极液中溶解氧的浓度均为0.05～0.1mg/L。阴极室为好氧的曝气环境，曝气量由空气泵流经气体流量计控制在30-40ml/min。

第一阳极室包括第一进水口和第一出水口，第二阳极室包括第二进水口和第二出水口，其中第一出水口和第二进水口通过导管连接，第一进水口与外部的废水供给装置连接。

在第一阳极室和第二阳极室中添加模拟的含氮有机废水作为阳极液，其中第二阳极室的阳极液中各主要成份及配比为：二水合磷酸二氢钠(Na₂HPO₄·2H₂O)0.8～8.1g/L，十二水合磷酸氢二钠(Na₂HPO₄·12H₂O)2.1～22g/L，氯化钾(KCl)0～0.26g/L，乙酸钠(CH₃COONa)0.5g/L，Wolfes矿物溶液10mL/L，并由HCl溶液或NaOH溶液调节其pH值至7。其中，Wolfes矿物溶液的具体组成为：氨基乙酸(NH₂CH₂COOH)1.5g/L，七水合硫酸镁(MgSO₄·7H₂O)3g/L，二水合硫酸锰(MnSO₄·2H₂O)0.5g/L，氯化钠(NaCl)1.0g/L，七水合硫酸亚铁(FeSO₄·7H₂O)0.1g/L,氯化钴(CoCl₂)0.1g/L，氯化钙(CaCl₂)0.1g/L，硫酸锌(ZnSO₄)0.1g/L，五水合硫酸铜CuSO₄·5H₂O 0.01g/L，无水硫酸铝钾(AlK(SO₄)₂)0.01g/L，硼酸(H₃BO₃)0.01g/L，钼酸钠(Na₂MoO₄·2H₂O)0.01g/L，并由KOH溶液调节其pH为至7。第一阳极室中的阳极液在第二阳极室中的阳极液的基础上，添加氯化铵(NH₄Cl)0.42g/L作为氮源。

在阴极室中的阴极液的主要成分及配比为：二水合磷酸二氢钠(Na₂HPO₄·2H₂O)0.8～8.1g/L，十二水合磷酸氢二钠(Na₂HPO₄·12H₂O)2.1～22g/L的磷酸盐缓冲溶液。

使用时，一次性将相应的溶液加入至各个腔室中，与活性污泥混合后，置于30℃恒温培养箱中培养，并在电极处连接数据采集卡以每5分钟一次记录采集电压。当电压先上升后再下降至20mV以下后，视为一个完整周期，需更换新的溶液。经过前3个周期的运行，整个微生物燃料电池的输出电压稳定，第四个周期运行过程中的电压输出如图2所示，第一阳极与阴极采集的最大输出电压高达620mV，该周期结束，更换溶液后电压迅速回升，第二阳极与阴极的电压变化与之一致。

图3为本发明实施例提供的微生物燃料电池中第一阳极室和第二阳极室的COD变化示意图，由图3可知，在第一阳极室和第二阳极室中的阳极液的初始COD(ChemicalOxygen Demand，化学需氧量)值均在500mg/L左右，随着整个运行过程的继续，第一阳极室中的COD值匀速下降，而等浓度下的第二阳极室中的COD值在前期快速下解。

图4为本发明实施例提供的微生物燃料电池中第一阳极室、阴极室和第二阳极室的氨氮浓度变化示意图，图5为本发明实施例提供的微生物燃料电池中第一阳极室、阴极室和第二阳极室的硝态氮浓度变化示意图。从图4和图5中的氮素变化可以看出，氨氮从第一阳极室迁移至阴极室，阴极室的氨氮并没有积累而是快速地转化为硝酸根。此外，硝酸根从阴极室迁移至第二阳极室时，同样快速地发生了硝酸根的还原反应，致使第二阳极室的硝酸根浓度维持在较低水平。从图4和图5中还可以看出，阴极室的硝化反应和第二阳极室的反硝化反应的速率较快，没有底物积累。

本发明实施例提供的一种微生物燃料电池，结构简单，易操作，在废水中有机物有效去除的基础上，还确保了废水中氮素的有效去除，还可以有效防止非生物催化剂的脱落和流失，延长阴极的有效使用寿命，从而降低微生物燃料电池的成本。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微生物燃料电池，其特征在于，包括依次设置的第一阳极室、阴极室和第二阳极室，所述第一阳极室和所述阴极室通过阳离子交换膜隔开，所述阴极室和所述第二阳极室通过阴离子交换膜隔开，所述第一阳极室和所述第二阳极室还相互连通；位于所述第一阳极室内的第一阳极、位于所述阴极室内的阴极以及位于所述第二阳极室内的第二阳极分别连接；

所述第一阳极上接种有具有产电活性的微生物或活性污泥，所述阴极上设置有非生物催化剂，所述阴极室内的阴极液中接种有具有硝化活性的微生物或活性污泥，所述第二阳极上接种有同时具有产电和反硝化活性的微生物或活性污泥；

所述第一阳极室、所述阴极室和所述第二阳极室的体积相同。

2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述第一阳极室包括第一进水口和第一出水口，所述第二阳极室包括第二进水口和第二出水口，其中所述第一出水口和所述第二进水口通过导管连接，所述第一进水口与外部的废水供给装置连接。

3.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述阴极室内设置有曝气管，所述曝气管的另一端与外部的空气泵连接。

4.根据权利要求3所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述曝气管与所述空气泵之间还设置有气体流量计，通过所述气体流量计控制曝气量为10～50ml/min。

5.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述阴极上设置的非生物催化剂为Pt或氮掺杂石墨烯催化剂。

6.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述阴极液为无机盐溶液或含氮无机盐溶液。

7.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述第一阳极室、所述阴极室和所述第二阳极室的培养温度为30℃。

8.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述第一阳极室内的阳极液和所述第二阳极室内的阳极液中溶解氧的浓度均为0.05～0.1mg/L。

9.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述第一阳极、所述阴极和所述第二阳极由碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板材料制成。

Images