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一種新型微生物燃料電池組合填料及其應(yīng)用

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一種新型微生物燃料電池組合填料及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)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(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]微生物燃料電池(MFC)利用微生物催化氧化有機(jī)物和無(wú)機(jī)物,在降解污染物的同時(shí),將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。MFC對(duì)水中污染物的降解主要包括兩部分作用,一是MFC陽(yáng)極厭氧分解有機(jī)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(jī)物等為電子受體降解底物。通過(guò)上述兩方面的作用,MFC提高了對(duì)污水中難降解有機(jī)物、C0D、TN的去除效率。
[0003]傳統(tǒng)污水處理的組合填料,通過(guò)投加在生化池中為微生物提供附著生長(zhǎng)的場(chǎng)所,形成生物膜系統(tǒng),實(shí)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(duì)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(jìn)一步提尚。
[0004]目前尚未出現(xiàn)將填料的掛膜功能和MFC對(duì)難降解物質(zhì)、C0D、TN的強(qiáng)化去除功能相結(jié)合,形成MFC填料加入到生化池中,從而實(shí)現(xiàn)污水的高效處理的報(bào)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(yīng)用,實(shí)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(yáng)極外殼、陰極、陽(yáng)極、進(jìn)水閥、出水閥、導(dǎo)線和外接電阻;其中,陰極外殼為鏤空結(jié)構(gòu),陽(yáng)極外殼下部開(kāi)有進(jìn)水閥和出水閥;陽(yáng)極外殼和離子交換膜所構(gòu)成的空間為MFC陽(yáng)極室,陰極外殼和離子交換膜所構(gòu)成的空間為MFC陰極室,MFC陽(yáng)極室中設(shè)有陽(yáng)極,MFC陰極室中設(shè)有陰極,外接電阻兩端通過(guò)導(dǎo)線分別與陽(yáng)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(yīng)用是指應(yīng)用于污水處理生化池中,應(yīng)用方法為將η個(gè)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?qū)ⅵ莻€(gè)MFC通過(guò)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(yáng)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(jī)物的同時(shí)產(chǎn)生胞外電子和質(zhì)子,電子通過(guò)與陽(yáng)極相連的導(dǎo)線經(jīng)外接電阻到達(dá)與導(dǎo)線另一端相連的陰極,質(zhì)子通過(guò)離子交換膜達(dá)到陰極室。所述的離子交換膜,采用陽(yáng)離子交換膜、陰離子交換膜、質(zhì)子交換膜或無(wú)紡布,當(dāng)采用無(wú)紡布時(shí),無(wú)紡布表面用聚四氟乙烯(PTFE)做防水處理,其作用是隔離陽(yáng)極室和陰極室,使其保持相對(duì)獨(dú)立的環(huán)境,同時(shí)將質(zhì)子從陽(yáng)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(guò)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(yáng)極傳遞過(guò)來(lái)的自由電子,以氧氣、硝態(tài)氮、部分有機(jī)物等物質(zhì)為電子受體,提高對(duì)污水中難降解有機(jī)物、COD、TN的去除效率。
[0009]陰極外殼和陽(yáng)極外殼均由密度小于1的聚丙烯、聚乙烯或ABS等有機(jī)材料鑄模形成,陰極外殼和陽(yáng)極外殼可均為半球形,兩者構(gòu)成一個(gè)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(shí)將多個(gè)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(gè)MFC通過(guò)鏈接索連接起來(lái),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(yáng)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(yùn)行時(shí)MFC陽(yáng)極室采用每5到10天換一次水的頻率,換水時(shí)通過(guò)外力制造陽(yáng)極室與外界的壓力差,使經(jīng)陽(yáng)極處理后的污水通過(guò)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(guò)進(jìn)水閥進(jìn)入MFC陽(yáng)極室,為產(chǎn)電微生物的生長(zhǎng)提供必需的能源和物質(zhì)。進(jìn)水閥和出水閥,可通過(guò)一個(gè)類(lèi)似旋轉(zhuǎn)門(mén)結(jié)構(gòu)的雙向閥門(mén)替代。MFC的陰極通過(guò)鏤空的陰極外殼與生化池連通,獲得維持MFC運(yùn)行所需的電子受體和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),實(shí)現(xiàn)MFC在生化池中的長(zhǎng)期穩(wěn)定生長(zhǎng),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(yīng)用,投加到污水處理生化池中,形成生物膜,增加生物量,同時(shí)利用產(chǎn)電微生物提高對(duì)難降解物質(zhì)的處理效果,強(qiáng)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(kāi)路電壓達(dá)到了 660mV,說(shuō)明本發(fā)明的MFC填料能在污水生化池中高效生長(zhǎng);污水C0D和TN的去除效果達(dá)到了 95%和70%,說(shuō)明本發(fā)明的新型微生物燃料電池組合填料能實(shí)現(xiàn)污水高效處理。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為實(shí)施例一新型微生物燃料電池組合填料結(jié)構(gòu)示意圖;
[0015]圖2為實(shí)施例一中加入填料生化池C0D處理效果圖;
[0016]圖3為實(shí)施例一中加入填料生化池總氮處理效果圖;
[0017]圖4為實(shí)施例二可固定新型微生物燃料電池組合填料結(jié)構(gòu)示意圖;
[0018]圖5為實(shí)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(shí)施方式】
[0019]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)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(yáng)極外殼3、陰極4、陽(yáng)極5、進(jìn)水閥6、出水閥7、導(dǎo)線8和外接電阻9;其中陰極外殼1為鏤空結(jié)構(gòu),陽(yáng)極外殼3下部開(kāi)有進(jìn)水閥6和出水閥7;陽(yáng)極外殼3和離子交換膜2所構(gòu)成的空間為MFC陽(yáng)極室12,陰極外殼1和離子交換膜2所構(gòu)成的空間為MFC陰極室11,MFC陽(yáng)極室12中設(shè)有陽(yáng)極5,MFC陰極室11中設(shè)有陰極4,外接電阻9兩端通過(guò)導(dǎo)線8分別與陽(yáng)極5和陰極4相連。
[0020]所述的陽(yáng)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(jī)物的同時(shí)產(chǎn)生胞外電子和質(zhì)子,電子通過(guò)與陽(yáng)極5相連的導(dǎo)線8經(jīng)外接電阻9到達(dá)與導(dǎo)線另一端相連的陰極4,質(zhì)子通過(guò)離子交換膜2達(dá)到陰極室11。所述的離子交換膜2,采用陽(yáng)離子交換膜、陰離子交換膜、質(zhì)子交換膜或無(wú)紡布,當(dāng)采用無(wú)紡布時(shí),無(wú)紡布表面用聚四氟乙烯(PTFE)做防水處理,其作用是隔離陽(yáng)極室12和陰極室11,使其保持相對(duì)獨(dú)立的環(huán)境,同時(shí)將質(zhì)子從陽(yáng)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(guò)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(yáng)極傳遞過(guò)來(lái)的自由電子,以氧氣、硝態(tài)氮、部分有機(jī)物等物質(zhì)為電子受體,提高對(duì)污水中難降解有機(jī)物、COD、TN的去除效率。
[0021]本實(shí)施方式包含以下有益效果:
[0022]本實(shí)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(yīng)用,投加到污水生化池中,形成生物膜,增加生物量,同時(shí)利用產(chǎn)電微生物提高對(duì)難降解物質(zhì)的處理效果,強(qiáng)化污水C0D、TN去除效率,有效提高污水處理效果。
[0023]將本實(shí)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(kāi)路電壓達(dá)到了 660mV,說(shuō)明本發(fā)明的MFC填料能在污水生化池中高效生長(zhǎng);污水C0D和TN的去除效果分別達(dá)到了95%和70%,說(shuō)明本發(fā)明的新型微生物燃料電池組合填料能夠?qū)崿F(xiàn)污水高效處理。
[0024]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:陰極外殼1和陽(yáng)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(shí)施方式】一相同。
[0025]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是:陰極外殼1和陽(yáng)極外殼3為半球形,陰極外殼1和陽(yáng)極外殼3構(gòu)成一個(gè)球體。其它與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0026]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是:陰極外殼1和陽(yáng)極外殼3為立方體、圓柱體或椎體。其它與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。
[0027]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至四之一不同的是:陽(yáng)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(shí)施方式】一至四之一相同。
[0028]本實(shí)施方式中所述的產(chǎn)電微生物是一類(lèi)能夠?qū)麅?nèi)代謝產(chǎn)生的電子傳遞到胞外的微生物。
[0029]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)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(shí)施方式】一至五之一相同。
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