一種連續(xù)流厭氧生物陰極微生物燃料電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種連續(xù)流厭氧生物陰極微生物燃料電池。具體是一種同步處理剩余污泥和水中氧化性污染物的連續(xù)流厭氧生物陰極微生物燃料電池。屬于環(huán)境保護(hù)技術(shù)和新能源領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]城市污水廠污泥中有機(jī)物含量約為城市污水的10倍，占其總量的60%以上，其中易降解有機(jī)物也在40%以上，是影響污泥穩(wěn)定性的主要因素。污泥中含有豐富的有機(jī)物，如蛋白質(zhì)、多糖類和脂肪類等，是一種極具潛力的生物燃料。污泥的處理費(fèi)用占污水處理廠總運(yùn)行費(fèi)用的25%?60%，污泥處理已成為制約污水處理事業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。微生物燃料電池(MFC)是一種以微生物為催化劑、將燃料中化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。大量研宄表明，MFC能以有機(jī)污染物作為電子供體，凈化污染的同時輸出電能，在環(huán)境保護(hù)技術(shù)和新能源領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大前景。因此，MFC利用污泥為燃料，不僅能解決污泥處理處置問題，還能將污泥中化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。
[0003]近年來，我國自然水體以及污廢水中的氧化性污染物均呈現(xiàn)上升態(tài)勢，其主要類型包括:無機(jī)離子化合物如重鉻酸鹽、砷酸鹽、溴酸鹽、砸酸鹽、高氯酸鹽等，和有機(jī)化合物如氯酚類、氯硝基苯類、苯酚、三氯乙烯等。大多數(shù)氧化性污染物由于具有較高的價態(tài)和較為穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，難以被傳統(tǒng)的物化處理技術(shù)如高級氧化等和生物處理過程如活性污泥法等所去除。少部分氧化性污染物如硝酸鹽等，可采用生物反硝化過程去除，但往往也要面對因碳源不足而外加碳源的問題，一方面增加了成本，另一方面須嚴(yán)格控制用量以防帶來二次污染。氧化性污染物問題在地下水、電鍍廢水、乳鋼廢水和選礦廢水的凈化處理中尤為突出。
[0004]厭氧生物陰極微生物燃料電池在陰極和陽極同時以電化學(xué)活性菌催化反應(yīng)的進(jìn)行，具有降低陰極成本、避免催化劑中毒、直接或間接將電子受體還原為低毒還原態(tài)并將電子傳遞到電路中等優(yōu)點(diǎn)。
[0005]然而，現(xiàn)有的微生物燃料電池還存在不少缺陷，并不適合于連續(xù)去除水中氧化性污染物。一是由于處理污泥和污水需要的電子數(shù)目不對稱，現(xiàn)有的燃料電池需要對污水和污泥分別處理，并通常使用鐵氰化鉀、葡萄糖作為陰、陽極燃料，成本較高，且易造成二次污染。二是現(xiàn)有的燃料電池多為左右室結(jié)構(gòu)，不利于提高容積，提高日處理量。三是傳統(tǒng)的方體結(jié)構(gòu)燃料電池水力條件不適合連續(xù)流進(jìn)水，不利于電池長期穩(wěn)定產(chǎn)電。四是傳統(tǒng)燃料電池使用污泥作為燃料時易導(dǎo)致污泥沉積，形成污泥自我消化，降低電池的利用效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種連續(xù)流厭氧生物陰極微生物燃料電池。該微生物燃料電池可同步去除水中氧化性污染物和城市污水廠剩余污泥中的有機(jī)物，并實(shí)現(xiàn)生物產(chǎn)電。
[0007]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明針對現(xiàn)有微生物燃料電池技術(shù)的諸多缺陷，提供了一種連續(xù)流厭氧生物陰極微生物燃料電池，可用于連續(xù)去除水中氧化性污染物和城市污水廠剩余污泥中的有機(jī)物，并同步產(chǎn)電。試驗(yàn)證明，據(jù)此開發(fā)的連續(xù)流厭氧生物陰極微生物燃料電池具有良好的氧化性污染物去除效果和污泥減量效果，產(chǎn)電性能穩(wěn)定。
[0008]具體結(jié)構(gòu)如下:連續(xù)流厭氧生物陰極微生物燃料電池由陰極室和陽極室組成，陰極室和陽極室通過配有硅膠墊片的法蘭密封連接，兩個法蘭中間設(shè)有陽離子交換膜；陰極室和陽極室的體積之比2?5:1 ;陰極室自下而上設(shè)有進(jìn)水口、回流進(jìn)口、中間出水口、出水口和回流出口，陰極室頂端設(shè)有可拆卸穿孔隔板，陰極電極通過與陰極室頂端固結(jié)的陰極蓋板固定安裝在陰極室內(nèi)，穿過陰極蓋板并與其固結(jié)有參比電極；陰極電極和負(fù)載以及陽極室的進(jìn)泥口通過外部導(dǎo)線連接；陽極室內(nèi)設(shè)有陽極電極，陽極電極底部設(shè)有攪拌子，攪拌子與陽極室下部設(shè)有的支架內(nèi)的磁力攪拌裝置構(gòu)成攪拌系統(tǒng)；陽極室還設(shè)有排泥口。
[0009]所述的陰極電極的材料為碳紙、碳布、碳纖維刷、碳?xì)?、玻璃碳、碳納米管、石墨或石墨稀電極材料。
[0010]所述的陽極電極的材料為碳紙、碳布、碳纖維刷、碳?xì)?、玻璃碳、碳納米管、石墨或石墨稀電極材料。
[0011]所述的陰極室為下表面較大的圓錐臺，下表面面積與上表面面積之比為1.5?3:1，陰極室內(nèi)投加市政污水廠厭氧污泥及無機(jī)碳源，馴化培養(yǎng)自養(yǎng)反硝化產(chǎn)電菌，用于去除水中氧化性污染物。
[0012]所述的陽極室的進(jìn)泥口與水平線成45?60°角，其中的陽極室內(nèi)投加的用于處理城市污水廠剩余污泥厭氧發(fā)酵液(包括市政污水廠厭氧污泥及有機(jī)碳源，馴化培養(yǎng)異養(yǎng)產(chǎn)電菌)的液面高于陽離子交換膜。
[0013]所述的可拆卸穿孔隔板上均勻分布圓孔，圓孔孔徑為0.5-lmm。
[0014]上述的微生物燃料電池中，所述的回流進(jìn)口和進(jìn)水口與水平線成30?45°角。
[0015]上述的微生物燃料電池中，所述負(fù)載為電能收集裝置，可用于儀表控制。
[0016]所述的回流進(jìn)口和進(jìn)水口與水平線成30-45°角。
[0017]所述的負(fù)載為電能收集裝置，可用于儀表控制。
[0018]本發(fā)明的有益效果為:
[0019]1.利用本發(fā)明提供的連續(xù)流厭氧生物陰極微生物燃料電池可以去除水中氧化性污染物和城市污水廠剩余污泥中的有機(jī)物，并同步產(chǎn)電，實(shí)現(xiàn)三效合一。
[0020]2.由于本發(fā)明的厭氧生物陰極微生物燃料電池采用上下雙室結(jié)構(gòu)，陰極在上，陽極在下，可以根據(jù)實(shí)際水質(zhì)狀況加高陰極，調(diào)節(jié)陰陽雙室的體積比，適合于去除水中氧化性污染物，以充分利用污泥發(fā)酵液中大量有機(jī)物厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的自由電子。
[0021]3.本發(fā)明的厭氧生物陰極微生物燃料電池陰極進(jìn)水口設(shè)在陰極室底部，采用連續(xù)流進(jìn)水，并分層設(shè)置多個出水口，溢流出水，可以調(diào)節(jié)陰極液位和陰極液的水力停留時間，也保證了燃料電池的長期穩(wěn)定運(yùn)行。
[0022]4.本發(fā)明的厭氧生物陰極微生物燃料電池陰極室采用圓錐臺體，減少了陰極液對陽離子交換膜的壓力。
[0023]5.本發(fā)明的厭氧生物陰極微生物燃料電池陰極室采用自回流混合均勻，并且回流進(jìn)水口與陽離子交換膜成一定角度，可防止陰極電極上掉落的生物膜在陽離子交換膜上沉積，當(dāng)使用活性炭顆粒作為陰極電極時，可使用陰極室的可拆卸穿孔隔板作為承托。
[0024]6.本發(fā)明的厭氧生物陰極微生物燃料電池的陽極室采用較矮的圓柱體，可便于陽極污泥中有機(jī)物被充分降解。本發(fā)明的厭氧生物陰極微生物燃料電池的陽極室進(jìn)泥口液位高于陽離子交換膜，以期陽極液與陽離子交換膜充分接觸，同時也便于對陽極室內(nèi)污泥的更換和取樣觀測。
[0025]7.相較于傳統(tǒng)的厭氧生物陰極燃料電池，本發(fā)中的厭氧生物陰極微生物燃料電池能夠充分利用剩余污泥厭氧發(fā)酵液中有機(jī)質(zhì)氧化產(chǎn)生的大量電子，更適合于去除水中氧化性污染物，并同時保證燃料電池的長期穩(wěn)定運(yùn)行和較高的產(chǎn)電效果。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明的連續(xù)流厭氧生物陰極微生物燃料電池示意圖。
[0027]圖中:
[0028]I 一陰極電極；2 —出水口 ；3 —中間出水口 ；4 一可拆卸穿孔隔板；5 —回流進(jìn)口 ；6 一配有硅膠墊片的法蘭；7 —陽極電極；8 —支架;9 一磁力攪拌裝置；10 —攪拌子；11 -排泥口 ；12 —陽極室；13 —進(jìn)泥口 ；14 一陽咼子交換膜；15 —進(jìn)水口 ；16 —陰極室；17 —回流出口 ；18 —陰極蓋板；19 一參比電極；20 —外部導(dǎo)線；21 —負(fù)載。
【具體實(shí)施方式】
[0029]實(shí)施例1
[0030]采用本發(fā)明的厭氧生物陰極微生物燃料電池處理含有硝酸鹽、溴酸鹽和砸酸鹽的模擬地下水。
[0031 ] 本實(shí)施例中的陰極室16和陽極室12的體積比為2:1，陰極電極I和陽極電極7的均為石墨纖維刷。
[0032]本實(shí)施例中的陰極室16為下表面較大的圓錐臺，下表面面積與上表面面積之比為 1.5:1ο
[0033]本實(shí)施例中的陽極室的進(jìn)泥口 13與水平線成45°角，其中的陽極液液面高于陽離子交換膜。
[0034]本實(shí)施例中的回流進(jìn)口 5和進(jìn)水口 15與水平線成30°角。
[0035]本實(shí)施例所指負(fù)載21指設(shè)為1000歐姆的電阻箱。
[0036]本實(shí)施