一種新型微生物燃料電池組合填料及其應用
【技術領域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種新型微生物燃料電池組合填料及其應用。
【背景技術】
[0002]微生物燃料電池(MFC)利用微生物催化氧化有機物和無機物，在降解污染物的同時，將化學能轉化為電能。MFC對水中污染物的降解主要包括兩部分作用，一是MFC陽極厭氧分解有機物，二是MFC陰極利用產(chǎn)電微生物和自由電子，以氧氣、硝態(tài)氮、部分有機物等為電子受體降解底物。通過上述兩方面的作用，MFC提高了對污水中難降解有機物、C0D、TN的去除效率。
[0003]傳統(tǒng)污水處理的組合填料，通過投加在生化池中為微生物提供附著生長的場所，形成生物膜系統(tǒng)，實現(xiàn)了在不影響生化池泥水分離效果的前提下，大幅度增加生化池的生物量，提高了污水處理效果。但生物膜對難降解物質(zhì)和TN的去除效果受到微生物本身降解物質(zhì)能力范圍和環(huán)境的限制難以進一步提尚。
[0004]目前尚未出現(xiàn)將填料的掛膜功能和MFC對難降解物質(zhì)、C0D、TN的強化去除功能相結合，形成MFC填料加入到生化池中，從而實現(xiàn)污水的高效處理的報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是利用MFC原理，提供一種新型微生物燃料電池組合填料及其應用，實現(xiàn)污水的高效脫碳、脫氮。
[0006]本發(fā)明一種新型微生物燃料電池組合填料，其特征在于該電池填料包括陰極外殼、離子交換膜、陽極外殼、陰極、陽極、進水閥、出水閥、導線和外接電阻;其中，陰極外殼為鏤空結構，陽極外殼下部開有進水閥和出水閥；陽極外殼和離子交換膜所構成的空間為MFC陽極室，陰極外殼和離子交換膜所構成的空間為MFC陰極室，MFC陽極室中設有陽極，MFC陰極室中設有陰極，外接電阻兩端通過導線分別與陽極和陰極相連。
[0007]本發(fā)明一種新型微生物燃料電池組合填料的應用是指應用于污水處理生化池中，應用方法為將η個所述的新型微生物燃料電池組合填料投加到污水處理生化池中或將η個MFC通過鏈接索連接后投加到污水處理生化池中，其中η為>0的正整數(shù)。
[0008]所述的陽極材質(zhì)為碳纖維絲、碳布、碳刷或石墨顆粒，其上附著產(chǎn)電微生物，在降解有機物的同時產(chǎn)生胞外電子和質(zhì)子，電子通過與陽極相連的導線經(jīng)外接電阻到達與導線另一端相連的陰極，質(zhì)子通過離子交換膜達到陰極室。所述的離子交換膜，采用陽離子交換膜、陰離子交換膜、質(zhì)子交換膜或無紡布，當采用無紡布時，無紡布表面用聚四氟乙烯(PTFE)做防水處理，其作用是隔離陽極室和陰極室，使其保持相對獨立的環(huán)境，同時將質(zhì)子從陽極室傳遞到陰極室。所述的陰極材質(zhì)為碳纖維絲、碳布、碳刷或不銹鋼，通過其上附著鉑/碳或鈷四甲基苯基卟啉等催化劑或產(chǎn)電微生物，利用陽極傳遞過來的自由電子，以氧氣、硝態(tài)氮、部分有機物等物質(zhì)為電子受體，提高對污水中難降解有機物、COD、TN的去除效率。
[0009]陰極外殼和陽極外殼均由密度小于1的聚丙烯、聚乙烯或ABS等有機材料鑄模形成，陰極外殼和陽極外殼可均為半球形，兩者構成一個球體，或者為立方體、圓柱體和椎體，能自由懸浮在水中。可同時將多個MFC填料直接投加到污水處理生化池中，生化池可以是好氧生化池、缺氧生化池或兼氧生化池，形成自由分布的填料;也可以將各個MFC通過鏈接索連接起來，形成在生化池中固定分布的填料。
[0010]本發(fā)明填料投加前陽極需經(jīng)厭氧污泥接種，待MFC產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓后，將其投加入生化池。運行時MFC陽極室采用每5到10天換一次水的頻率，換水時通過外力制造陽極室與外界的壓力差，使經(jīng)陽極處理后的污水通過出水閥排入生化池，然后改變壓力差，使生化池中的污水通過進水閥進入MFC陽極室，為產(chǎn)電微生物的生長提供必需的能源和物質(zhì)。進水閥和出水閥，可通過一個類似旋轉門結構的雙向閥門替代。MFC的陰極通過鏤空的陰極外殼與生化池連通，獲得維持MFC運行所需的電子受體和營養(yǎng)物質(zhì)，實現(xiàn)MFC在生化池中的長期穩(wěn)定生長，提尚污水處理效能。
[0011]本發(fā)明包含以下有益效果:
[0012]本發(fā)明的新型微生物燃料電池組合填料，便于工程化生產(chǎn)和應用，投加到污水處理生化池中，形成生物膜，增加生物量，同時利用產(chǎn)電微生物提高對難降解物質(zhì)的處理效果，強化污水C0D、TN去除效率，有效提高污水處理效果。
[0013]將本發(fā)明的新型微生物燃料電池組合填料投加到污水生化池中，MFC的開路電壓達到了 660mV，說明本發(fā)明的MFC填料能在污水生化池中高效生長;污水C0D和TN的去除效果達到了 95%和70%，說明本發(fā)明的新型微生物燃料電池組合填料能實現(xiàn)污水高效處理。
【附圖說明】
[0014]圖1為實施例一新型微生物燃料電池組合填料結構示意圖；
[0015]圖2為實施例一中加入填料生化池C0D處理效果圖；
[0016]圖3為實施例一中加入填料生化池總氮處理效果圖；
[0017]圖4為實施例二可固定新型微生物燃料電池組合填料結構示意圖；
[0018]圖5為實施例二固定新型微生物燃料電池組合填料組裝示意圖。
【具體實施方式】
[0019]【具體實施方式】一:本實施方式一種新型微生物燃料電池組合填料，包括陰極外殼1、離子交換膜2、陽極外殼3、陰極4、陽極5、進水閥6、出水閥7、導線8和外接電阻9;其中陰極外殼1為鏤空結構，陽極外殼3下部開有進水閥6和出水閥7;陽極外殼3和離子交換膜2所構成的空間為MFC陽極室12，陰極外殼1和離子交換膜2所構成的空間為MFC陰極室11，MFC陽極室12中設有陽極5，MFC陰極室11中設有陰極4，外接電阻9兩端通過導線8分別與陽極5和陰極4相連。
[0020]所述的陽極5材質(zhì)為碳纖維絲、碳布、碳刷或石墨顆粒，其上附著產(chǎn)電微生物，在降解有機物的同時產(chǎn)生胞外電子和質(zhì)子，電子通過與陽極5相連的導線8經(jīng)外接電阻9到達與導線另一端相連的陰極4，質(zhì)子通過離子交換膜2達到陰極室11。所述的離子交換膜2，采用陽離子交換膜、陰離子交換膜、質(zhì)子交換膜或無紡布，當采用無紡布時，無紡布表面用聚四氟乙烯(PTFE)做防水處理，其作用是隔離陽極室12和陰極室11，使其保持相對獨立的環(huán)境，同時將質(zhì)子從陽極室傳遞到陰極室。所述的陰極4材質(zhì)為碳纖維絲、碳布、碳刷或不銹鋼，通過其上附著鉑/碳或鈷四甲基苯基卟啉等催化劑或產(chǎn)電微生物，利用陽極傳遞過來的自由電子，以氧氣、硝態(tài)氮、部分有機物等物質(zhì)為電子受體，提高對污水中難降解有機物、COD、TN的去除效率。
[0021]本實施方式包含以下有益效果:
[0022]本實施方式的新型微生物燃料電池組合填料，便于工程化生產(chǎn)和應用，投加到污水生化池中，形成生物膜，增加生物量，同時利用產(chǎn)電微生物提高對難降解物質(zhì)的處理效果，強化污水C0D、TN去除效率，有效提高污水處理效果。
[0023]將本實施方式的新型微生物燃料電池組合填料投加到污水生化池中，MFC的開路電壓達到了 660mV，說明本發(fā)明的MFC填料能在污水生化池中高效生長;污水C0D和TN的去除效果分別達到了95%和70%，說明本發(fā)明的新型微生物燃料電池組合填料能夠實現(xiàn)污水高效處理。
[0024]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:陰極外殼1和陽極外殼3由密度小于1的聚丙烯、密度小于1的聚乙烯或密度小于1的ABS制成。其它與【具體實施方式】一相同。
[0025]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同的是:陰極外殼1和陽極外殼3為半球形，陰極外殼1和陽極外殼3構成一個球體。其它與【具體實施方式】一或二相同。
[0026]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是:陰極外殼1和陽極外殼3為立方體、圓柱體或椎體。其它與【具體實施方式】一至三之一相同。
[0027]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是:陽極5由碳纖維絲、碳布、碳刷或石墨顆粒制成，且附著產(chǎn)電微生物。其它與【具體實施方式】一至四之一相同。
[0028]本實施方式中所述的產(chǎn)電微生物是一類能夠將胞內(nèi)代謝產(chǎn)生的電子傳遞到胞外的微生物。
[0029]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是:陰極4由碳纖維絲、碳布、碳刷或不銹鋼制成，且附著催化劑或產(chǎn)電微生物。其它與【具體實施方式】一至五之一相同。