一种单室微生物燃料电池及其在废水处理中的应用

摘要

本发明公开了一种单室微生物燃料电池，属于生物电池领域。该生物燃料电池包含阳极与阴极，其中阳极全部浸入作为阳极室的容器中的废水中，而阴极一侧与阳极室内废水接触，另一侧直接与空气接触，其底部固定阳极，阴极直接漂浮在水面上，其靠近空气一侧涂有疏水层，在距离阴极为容器高度的1/4～1/2处，加入水平高度可调的隔板，隔板中间有镂空孔洞，孔洞上覆载滤菌膜，构成“隔板-滤菌膜”屏障，将容器分为上下两部分。本发明推进了传统水处理工艺和新型能源的集成技术，实现了“去污”和“产能”的结合。本发明应用于污水处理，不仅产电能效率提高，减少能源消耗，而且好氧呼吸作用减少，污泥产量少，具有较高的经济效益和广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及到微生物燃料电池及其在废水处理中的应用，更具体的说是一种能将污染物转化为电能的单室微生物燃料电池及其废水处理中的应用。

背景技术

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，简称MFC)，是一种将废水中的有机物直接转化为电能的废水处理装置。自然界中普遍存在一类微生物，它们在进行厌氧呼吸时，可以将电极作为其最终电子受体，这类微生物称之为产电菌。MFC即利用这样的原理：在厌氧的阳极，通过产电菌的厌氧呼吸作用，将底物消化，将电子传到阳极上，电子由阳极电极收集，通过外电路传出，产生的质子通过质子交换膜传输至阴极；而在好氧的阴极，接受从阳极通过外电路传来的电子，和质子交换膜传来的质子，发生阴极反应O₂+H⁺+e^-----→H₂O。

目前，单室MFC由于构造简单、成本低、产电能高等优势，成为本领域研究的热点。典型的单室MFC结构为：在厌氧的电极室(阳极室)内，充满要处理的废水，阳极和阴极分别位于电池两侧，其中阳极全部浸入阳极室的废水中，而阴极一侧与阳极室内废水接触，另一侧直接与空气接触。其与传统的双室MFC区别主要在于取消了质子交换膜，并使阴极的一侧暴露在空气中。这样，由于降低了电池内阻和提高了阴极氧气分压，单室MFC在产电能方面较传统MFC得到了很大的提升。

不过，空气阴极提高了氧气分压，使得过多的氧气渗入厌氧的阳极室，导致微生物做好氧呼吸而大大降低了产电效率------通常称之为库仑效率，即，实际获取电量Q与理论应获电量Q_th之比。氧气的渗入使得废水中过多的COD被细菌以好氧呼吸所利用，而并非厌氧的产电呼吸，即使得废水中COD利用率降低。针对此问题，国内外已有很多研究报道，如在阳极室采用曝氮气、添加还原剂除氧等方法。但对废水中COD利用率提高的影响不大。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

针对现有的单室MFC较低的产电效率，本发明提供了一种单室微生物燃料电池及其废水处理中的应用，可以减少微生物与氧气在装置内的接触机会，限制了微生物的好氧呼吸，降低COD的好氧呼吸消耗，提高了对废水中COD的利用率，即电池的库仑效率。可以高速、高效的处理。

2.技术方案

本发明的原理：

本发明采用在阳极室中加隔板和滤菌膜结合的方法，来限制微生物在单室MFC中的好氧呼吸。本装置阳极置底，阴极漂浮在顶部水面上。在距顶部空气阴极处，加入一层中间镂空的隔板，镂空处装载滤菌膜，形成“隔板-滤菌膜”屏障，屏障将装置分为上下两层。隔板可以一定程度地将顶部渗入的氧气挡在上层，减少氧气与下层微生物的接触，即下层虽然细菌多，但氧气少，减少了细菌好氧呼吸；而滤菌膜的存在可以阻止微生物上浮至DO高的上层，将微生物限制在下层，即上层虽然氧气多，但没有细菌，也减少了细菌好氧呼吸。这样，隔板和滤菌膜的综合作用，极大程度地减少了微生物与氧气在装置内的接触机会，限制了微生物的好氧呼吸，降低COD的好氧呼吸消耗，提高了对废水中COD的利用率，即电池的库仑效率。此外，对于普通单室MFC，较高浓度COD废水可大量消耗水中氧气，甚至使得顶部阴极附近的氧气被耗尽，因此降低了阴极电势，影响电池产电。而经过此发明、“隔板-滤菌膜”屏障改造的MFC，将上层阴极附近的氧气与下层微生物隔离，使氧气得到保护，保障了阴极的氧分压，一定程度上缓解了高浓度COD废水对产电能力的影响。

本发明的技术方案是：

一种单室微生物燃料电池，包含阳极与阴极，其中阳极全部浸入作为阳极室的容器中的废水中，而阴极一侧与阳极室内废水接触，另一侧直接与空气接触，其底部固定阳极，阴极直接漂浮在水面上，其靠近空气一侧涂有疏水层，在距离阴极为容器高度的1/4～～1/2处，加入水平高度可调的隔板，隔板中间有镂空孔洞，孔洞上覆载滤菌膜，构成“隔板-滤菌膜”屏障，将容器分为上下两部分。

上述容器内部的阳极的上方，接种有厌氧污泥。阳极材料为多孔碳毡，阴极材料为碳布，阴极接触空气的上层涂有聚四氟乙烯涂层作为疏水层。阳极和阴极的上下表面的面积与容器横截面面积一致。

隔板材料为与容器的材料为有机玻璃，最佳位置为离阴极1/3处，分开的上层和下层的体积比例为1∶2。

本实验中，滤菌膜的材料为孔径0.22um的醋酸纤维素膜，与隔板一起形成“隔板-滤菌膜”屏障，将装置分为上部的“多氧无菌层”和下部的“少氧有菌层”，使得靠近阴极处仍保留足够多的氧气以维持阴极电势，同时由于该处没有细菌，限制了好氧呼吸。

污水进入装置后，在下层进行污水处理和产电过程，下层DO值低，有利于厌氧的产电过程，提高效率。而下层产生的氢离子可自由通过“隔板-滤菌膜”屏障到达上层，与阴极的氧气反应生成水，因此形成外电流。同时，反应底物、大分子物质等可以和氢离子一样自由通过“隔板-滤菌膜”屏障，它们的传质不受屏障的影响，即电池内阻不受影响。同时，由屏障形成的上层------“多氧无菌层”，缓冲了顶部空气阴极的氧气渗入，而其自身又没有细菌，不能进行好氧呼吸，减少原料消耗，也避免了阴极附近的氧气消耗(尤其是进水COD较高时)。即：下层是本发明单室MFC的主体，上层是MFC的“氧气隔离层、氧气保护层和原料储藏层”，上层的底物(COD)不直接被利用------无论是好氧呼吸或是厌氧产电呼吸，均需要转移到下层才可以被利用，而下层经过上层缓冲后，DO值较低，好氧呼吸量很少，因此，作为MFC主体的下层，废水中底物的利用率得以提高。

3.有益效果

本发明提供了一种单室微生物燃料电池及其废水处理中的应用，实践证明，“隔板-滤菌膜”屏障对电池内阻贡献较少，对电池本身产电能力影响并不大，本发明推进了传统水处理工艺和新型能源的集成技术，实现了“去污”和“产能”的结合。本发明应用于污水处理，不仅产电能效率提高，减少能源消耗，而且好氧呼吸作用减少，污泥产量少，具有较高的经济效益和广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明结构示意图，其中1-置底的阳极，2-漂浮的阴极，3-外接电阻，4-水平挡板，5-滤菌膜，6-阳极室，7-厌氧污泥

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

实施例1

采用两套装置，未加膜装置和加膜装置进行对比实验。其中加膜装置的结构为：单室微生物燃料电池，包含阳极1与阴极2，其中阳极全部浸入作为阳极室6的容器中的废水中，而阴极一侧与阳极室内废水接触，另一侧直接与空气接触，其底部固定阳极，阴极直接漂浮在水面上，其靠近空气一侧涂有疏水层，装置底面积50cm²，总体积470cm³，距离顶部、圆柱筒高的1/3处加中间镂空挡板4，孔洞直径2cm，孔洞上覆载滤菌膜5，构成“隔板-滤菌膜”屏障，将容器分为上下两部分。在阳极的上方，接种有厌氧污泥7。阳极材料为多孔碳毡，阴极材料为碳布，阴极接触空气的上层涂有聚四氟乙烯涂层作为疏水层。阳极和阴极的上下表面的面积与容器横截面面积一致。容器下部设置有污水进水口。

未加膜装置与其区别仅在于缺少隔板中间有镂空孔洞上的滤菌膜。加膜装置在隔板镂空处加入孔径0.22um的醋酸纤维素膜作为滤菌膜，而未加膜装置没有。对两装置进行产电能力和库仑效率的比较。

先将隔板固定在距离阴极为容器高度的1/3处，然后用醋酸钠配制COD＝300mg/L的模拟废水，为两装置进行进水补给，外电阻3固定为1000欧姆。在装置未成熟阶段、即尚未达到产能稳定的启动阶段，以各装置开始运行的第24-48小时的时段进行两者库仑效率的比较。结果，未加膜装置的平均电压为V＝41mV，平均电流为A＝0.041mA，COD去除量为91mg/L，库仑效率CE＝0.69％；而加膜装置的平均电压为V＝39mV，平均电流为A＝0.039mA，COD去除量为54mg/L，库仑效率CE＝1.10％。

实施例2

装置基本结构同实施例1，区别在于，考察的阶段不同，为两个装置启动后期，稳定运行阶段的比较。(以后的实施例均为稳定运行阶段)用醋酸钠配制COD＝300mg/L的模拟废水，为各装置进行进水补给，外电阻固定为1000欧姆。在装置成熟的稳定运行阶段，以各装置开始运行的第192-216小时的时段进行两者库仑效率的比较。结果，未加膜装置的平均电压为V＝338mV，平均电流为A＝0.338mA，COD去除量为67mg/L，库仑效率CE＝7.7％；而加膜装置的平均电压为V＝320mV，平均电流为A＝0.32mA，COD去除量为27mg/L，库仑效率CE＝17.9％。

实施例3

装置的采用同实施例2，区别在于，在一次性补给水后，比较两装置的总产电时间及总库仑效率。用醋酸钠配制COD＝300mg/L的模拟废水，作为装置的一次性进水，外电阻固定为1000欧姆。在装置的稳定运行阶段，比较两者的总产电总时间及总库仑效率。结果，未加膜装置总产电时间为92hr，总库仑效率CE＝6.2％；而加膜装置总产电时间为139hr，总库仑效率CE＝9.2％。

实施例4

装置的采用及比较方法同实施例3，区别在于，将隔板调至在距离阴极为容器高度的1/4处，。用醋酸钠配制COD＝300mg/L的模拟废水，作为装置的一次性进水，外电阻固定为1000欧姆。在装置的稳定运行阶段，比较两者的总产电总时间及总库仑效率。结果，未加膜装置总产电时间为92hr，总库仑效率CE＝6.1％；而加膜装置总产电时间为122hr，总库仑效率CE＝8.1％。

实施例5

装置的采用及比较方法同实施例3，区别在于，将隔板调至在距离阴极为容器高度的1/2处。用醋酸钠配制COD＝300mg/L的模拟废水，作为装置的一次性进水，外电阻固定为1000欧姆。在装置的稳定运行阶段，比较两者的总产电总时间及总库仑效率。结果，未加膜装置总产电时间为89hr，总库仑效率CE＝6.1％；而加膜装置总产电时间为141hr，总库仑效率CE＝9.0％。

实施例6

装置的采用同实施例3。区别在于，提高了补水的COD值。用醋酸钠配制COD＝2000mg/L的模拟废水，作为装置的一次性进水，外电阻固定为1000欧姆。在装置的稳定运行阶段，比较两者的总产能力。结果，未加膜装置平均电压为V＝296mV，平均电流为A＝0.296mA；而加膜装置平均电压为V＝322mV，平均电流为A＝0.322mA。