微生物燃料电池同步污水脱氮除硫的方法

摘要

本发明提供的微生物燃料电池同步污水脱氮除硫的方法，具体是：构建双室型微生物燃料电池并外置硝化反应器；先将含硫化物和氨氮的污水泵入微生物燃料电池的阳极室，利用自发电化学作用与微生物代谢消除硫污染并将产生的电子通过外电路传递给阴极；微生物燃料电池的阳极出水先经外置的硝化反应器将氨氮氧化为硝氮，再进入微生物燃料电池的阴极室；阴极室内微生物以外电路传递过来的电子为电子供体去除氮污染；电子由阳极通过外电路传递到阴极的过程即在外电路产生电流，实现电能回收。本发明通过微生物燃料电池实现含氮硫污水的同步脱氮除硫，具有节省外加化学药剂和回收电能等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及污水生物脱氮除硫技术领域，特别是涉及一种利用微生物燃料电池同步去除 污水中氮和硫化物的方法。

背景技术

生物脱氮除硫技术是解决污水氮硫污染的最经济有效方法，但传统生物脱氮除硫技术在 处理污水时，不能回收氮硫污染物所蕴含的能量。

近年来开发的微生物燃料电池在去除污染物的同时可回收电能，例如参见文献1(Rabaey K,VandeSompelK,MaignienL,etal.Microbialfuelcellsforsulfideremoval.Environmental science&technology,2006,40(17):5218-5224.)和文献2(ClauwaertP,RabaeyK,AeltermanP,et al.BiologicalDenitrificationinMicrobialFuelCells.Environmentalscience&technology,2007, 41(9):3354–3360.)。该技术用于污水脱氮或脱硫时可在去除污染物的同时回收电能，可有效 解决传统生物脱氮除硫技术不能回收氮硫污染物所蕴含能量的缺点，是治理含氮硫污水并回 收电能的新型污水处理技术。但利用微生物燃料电池废水脱氮时需以有机物等在阳极提供电 子供体，单独脱硫时需在阴极提供电子受体。利用微生物燃料电池单独脱氮或除硫，不仅不 能实现同步脱氮除硫，而且需要增加费用(外加电子供体或电子受体)。

国内外污水脱氮除硫技术的发展趋势是：以生物技术为主流，充分利用脱氮与除硫的电 子互补性，实现氮硫污染物的同步高效去除，并尽量回收其中的能量。但目前尚未见利用微 生物燃料电池同步进行阳极除硫和阴极脱氮的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为了克服传统生物脱氮除硫技术不能回收氮硫污染物所 蕴含的能量，微生物燃料电池分别单独脱氮和除硫又需增加费用的不足，提供一种微生物燃 料电池同步去除污水中的氮和硫化物并回收电能的方法。该方法利用污水脱氮和除硫的电子 互补性，以硫化物和硝氮分别为电子供体和电子受体，弥补微生物燃料电池单独脱氮(或除 硫)缺少电子供体(或电子受体)的不足，对含氮硫废水实现同步脱氮除硫并回收电能。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的微生物燃料电池同步污水脱氮除硫的方法，该方法是一种在微生物燃料电 池的阳极室和阴极室同步去除硫和氮污染物，具体是：

1)构建双室型微生物燃料电池并外置硝化反应器，形成污水同步脱氮除硫系统；

2)将含硫化物和氨氮的污水先泵入微生物燃料电池的阳极室，通过自发电化学作用和微 生物代谢将硫化物氧化而去除硫化物污染，硫化物氧化过程中产生的电子通过外电路传递给 阴极提供电子供体；

3)微生物燃料电池的阳极室出水先经外置的硝化反应器将氨氮氧化为硝氮，再进入微生 物燃料电池的阴极室，阴极室内微生物利用外电路传递过来的电子将硝氮转化为氮气排放， 从而去除氮污染；

4)经微生物燃料电池阴极室排出的上清液即为已有效去除氮硫污染的处理水；

5)电子由阳极通过外电路传递到阴极的过程即在外电路产生电流，实现电能回收。

本发明采用以下方法构建双室型微生物燃料电池：该微生物燃料电池由阳极室和阴极室 构成，阳极室和阴极室为长方体结构或半圆柱体结构，阳极室和阴极室之间以阳离子膜进行 分隔，阳极室和阴极室内填充颗粒石墨或石墨刷填料作为电极，这些填料是附着微生物的载 体。

所述外置硝化反应器为污水处理的生物硝化反应装置，在好氧条件下利用硝化菌将氨氮 转化硝氮。

上述步骤2)中，所采用的外电路由铜导线和电阻箱或用电设备组成，微生物燃料电池 的阳极、电阻箱和阴极通过铜导线依次连接，电阻箱中的电阻值可调。

上述步骤3)中，所采用的外电路由铜导线和电阻箱或用电设备组成，微生物燃料电池 的阳极、电阻箱和阴极通过铜导线依次连接，电阻箱中的电阻值可调。

所述微生物燃料电池是在20-30℃的温度下运行。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

其一.相比传统生物脱氮除硫技术，微生物燃料电池在处理污水的过程中可回收电能。

其二.微生物燃料电池依次单独去除污水中氮和硫污染时，单独脱氮需以有机物等在阳 极室提供电子供体，单独脱硫需在阴极室提供电子受体，而硝氮和硫化物可为除硫和脱氮相 互提供所需的电子受体和电子供体。

其三.微生物燃料电池同步阳极除硫和阴极脱氮能充分利用硫化物和硝氮的电子互补 性，减少或不需外加电子受体或电子供体，因而节省了运行费用。

其四.在微生物燃料电池的阳极室和阴极室可同步有效去除污水中的氮和硫污染物。在 外电阻为100Ω的条件下，硫化物和氮的去除负荷分别可达2.2kgS/(m³阳极室·d)和12.4 gN/(m³阴极室·d)，实现了同步去除污水中的氮和硫。

附图说明

图1是双室型微生物燃料电池与外置硝化反应器示意图。

图中：1.阳极室；2.阳极；3.铜导线；4.电阻箱；5.阴极；6.阴极室；7.阳离子膜。

具体实施方式

本发明涉及一种微生物燃料电池同步污水脱氮除硫的方法，该方法利用污水脱氮和除硫 的电子互补性，以及微生物燃料电池去除污水中污染物的同时可回收电能的特点。先将含硫 化物和氨氮的污水泵入微生物燃料电池的阳极室，通过自发电化学作用和微生物代谢将硫化 物氧化而消除硫化物污染，硫化物氧化时产生的电子通过外电路传递给阴极提供电子供体； 再将微生物燃料电池的阳极室出水经外置的硝化反应器将污水中的氨氮氧化为硝氮；最后将 硝化反应器出水泵入微生物燃料电池的阴极室，阴极室内的微生物利用外电路传递过来的电 子将硝氮转化为氮气排放，从而去除氮污染；电子由阳极通过外电路传递到阴极的过程即在 外电路产生电流，实现电能回收。

本发明提供的方法是一种在微生物燃料电池的阳极室和阴极室同步去除硫和氮污染物， 该方法步骤如下：

(1)构建双室型微生物燃料电池并外置硝化反应器，形成图1所示的污水同步脱氮除硫 系统；

(2)将含硫化物和氨氮的污水先泵入微生物燃料电池的阳极室1，通过自发电化学作用 和微生物代谢将硫化物氧化而消除了硫化物污染，硫化物氧化过程中产生的电子通过外电路 传递给阴极5提供电子供体；所述自发电化学作用是指硫化物在阳极室自发地被氧化并向阳 极释放电子的过程。

(3)微生物燃料电池的阳极室1出水先经外置的硝化反应器将氨氮氧化为硝氮，再进入 微生物燃料电池的阴极室6，阴极室6内的微生物利用外电路传递过来的电子将硝氮转化为 氮气排放，从而去除氮污染；

(4)经微生物燃料电池阴极室6排出的上清液即为已有效去除氮硫污染的处理水；

(5)电子由阳极2通过外电路传递到阴极5的过程即在外电路产生电流，实现电能回收， 外电路中的电阻值可调。

本发明采用以下方法构建双室型微生物燃料电池：该微生物燃料电池由阳极室1和阴极 室6构成，阳极室和阴极室可为长方体结构或半圆柱体结构，阳极室和阴极室之间以阳离子 膜7进行分隔，阳极室1和阴极室6内填充颗粒石墨或石墨刷等填料作为电极，这些填料也 是附着微生物的载体。

所述外置硝化反应器为污水处理的生物硝化反应装置，在好氧条件下利用硝化菌将氨氮 转化硝氮。

上述步骤(2)中，所采用的外电路由铜导线3和电阻箱4(或用电设备)组成，微生物 燃料电池的阳极2、电阻箱4和阴极5通过铜导线3依次连接。

上述步骤(3)中，所采用的外电路由铜导线3和电阻箱4(或用电设备)组成，微生物 燃料电池的阳极2、电阻箱4和阴极5通过铜导线3依次连接。

所述微生物燃料电池是在20-30℃的温度下运行。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不限定本发明的内容。

实施例1

进行本试验所采用的长方体的双室型微生物燃料电池，总有效容积300mL，其中阳极室 和阴极室各为150mL，内挂石墨刷填料作为电极，微生物燃料电池的阳极室和阴极室分别通 过回流上清液进行水力混合。微生物燃料电池运行前先将石墨刷在厌氧污泥中浸泡以吸附微 生物，运行一段时间后，在阳极和阴极石墨刷上可繁殖并富集相应的微生物。该双室型微生 物燃料电池在30℃下运行，设定外电路的电阻为100Ω，污水水力停留时间为2.8h。具体运 行如下：

1)将含硫化物(56mgS/L)和氨氮(17mgN/L)的污水通过进水泵注入微生物燃料电池的 阳极室。

2)阳极室内硫化物通过自发电化学作用和微生物代谢被氧化而消除了硫化物污染，硫化 物氧化过程中产生的电子通过外电路传递给阴极。

3)阳极室出水进入外置硝化反应器，通过生物硝化作用将氨氮转化硝氮。

4)硝化反应器出水再泵入微生物燃料电池阴极室。

5)阴极室内的微生物利用外电路传递来的电子将硝氮转化为氮气，去除氮污染。

6)阴极室出水即为处理水，对硫和氮的去除负荷分别0.47kg/(m³阳极室·d)和11.6g/(m³阴极室·d)。污水的水力停留时间可根据实际情况进行调节。

实施例2

进行本试验所采用的长方体的双室型微生物燃料电池，总有效容积300mL，其中阳极室 和阴极室各为150mL，内挂石墨刷填料作为电极，微生物燃料电池的阳极室和阴极室分别通 过回流上清液进行水力混合。微生物燃料电池运行前先将石墨刷在厌氧污泥中浸泡以吸附微 生物，运行一段时间后，在阳极和阴极石墨刷上可繁殖并富集相应的微生物。该双室型微生 物燃料电池在30℃下运行，设定外电路的电阻为100Ω，污水水力停留时间为2.8h。具体运 行如下：

1)将含硫化物(126mgS/L)和氨氮(17mgN/L)的污水通过进水泵注入微生物燃料电池的 阳极室。

2)阳极室内硫化物通过自发电化学作用和微生物代谢被氧化而消除了硫化物污染，硫化 物氧化过程中产生的电子通过外电路传递给阴极。

3)阳极室出水进入外置硝化反应器，通过生物硝化作用将氨氮转化硝氮。

4)硝化反应器出水再泵入微生物燃料电池阴极室。

5)阴极室内的微生物利用外电路传递来的电子将硝氮转化为氮气，去除氮污染。

6)阴极室出水即为处理水，对硫和氮的去除负荷分别1.08kg/(m³阳极室·d)和11.7g/(m³阴极室·d)。污水的水力停留时间可根据实际情况进行调节。

实施例3

进行本试验所采用的长方体的双室型微生物燃料电池，总有效容积300mL，其中阳极室 和阴极室各为150mL，内挂石墨刷填料作为电极，微生物燃料电池的阳极室和阴极室分别通 过回流上清液进行水力混合。微生物燃料电池运行前先将石墨刷在厌氧污泥中浸泡以吸附微 生物，运行一段时间后，在阳极和阴极石墨刷上可繁殖并富集相应的微生物。该双室型微生 物燃料电池在30℃下运行，设定外电路的电阻为100Ω，污水水力停留时间为2.8h。具体运 行如下：

1)将含硫化物(185mgS/L)和氨氮(17mgN/L)的污水通过进水泵注入微生物燃料电池的 阳极室。

2)阳极室内硫化物通过自发电化学作用和微生物代谢被氧化而消除了硫化物污染，硫化 物氧化过程中产生的电子通过外电路传递给阴极。

3)阳极室出水进入外置硝化反应器，通过生物硝化作用将氨氮转化硝氮。

4)硝化反应器出水再泵入微生物燃料电池阴极室。

5)阴极室内的微生物利用外电路传递来的电子将硝氮转化为氮气，去除氮污染。

6)阴极室出水即为处理水，对硫和氮的去除负荷分别1.59kg/(m³阳极室·d)和12.2g/(m³阴极室·d)。污水的水力停留时间可根据实际情况进行调节。

实施例4

进行本试验所采用的长方体的双室型微生物燃料电池，总有效容积300mL，其中阳极室 和阴极室各为150mL，内挂石墨刷填料作为电极，微生物燃料电池的阳极室和阴极室分别通 过回流上清液进行水力混合。微生物燃料电池运行前先将石墨刷在厌氧污泥中浸泡以吸附微 生物，运行一段时间后，在阳极和阴极石墨刷上可繁殖并富集相应的微生物。该双室型微生 物燃料电池在30℃下运行，设定外电路的电阻为100Ω，污水水力停留时间为2.8h。具体运 行如下：

1)将含硫化物(251mgS/L)和氨氮(17mgN/L)的污水通过进水泵注入微生物燃料电池的 阳极室。

2)阳极室内硫化物通过自发电化学作用和微生物代谢被氧化而消除了硫化物污染，硫化 物氧化过程中产生的电子通过外电路传递给阴极。

3)阳极室出水进入外置硝化反应器，通过生物硝化作用将氨氮转化硝氮。

4)硝化反应器出水再泵入微生物燃料电池阴极室。

5)阴极室内的微生物利用外电路传递来的电子将硝氮转化为氮气，去除氮污染。

6)阴极室出水即为处理水，对硫和氮的去除负荷分别2.2kg/(m³阳极室·d)和12.4g/(m³阴极室·d)。污水的水力停留时间可根据实际情况进行调节。