[发明专利]阴极中置结构微生物燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种微生物燃料电池，特别是一种适用于将有机废水转化为电能的阴极中置结构微生物燃料电池，它可以对酱油酿造废水以及其他性质类似的高浓度有机废水进行高效处理。

背景技术

环境问题与能源危机是目前阻碍人类社会可持续发展主要问题，清洁的可更新能源在能源消费结构比例中的逐步提高有利于解决这两个紧密相连的问题。

环境污染的主要问题之一是水污染。在废水各类处理技术方法中，废水生物处理技术逐步被广泛采用并成为废水处理的发展方向。废水生物处理技术就是利用微生物自身新陈代谢的生理功能，氧化分解废水中的有机物并将其转化为稳定的无机物，并采取一定的人工技术措施，创造有利于微生物的生长、繁殖的良好环境，加速微生物的增殖及其新陈代谢功能，从而使污水中的有机污染物得以降解、去除的污水处理技术。以最典型的活性污泥法为代表的现有的生物废水处理技术主要缺点为：第一，剩余污泥的处理。生物处理过程中产生大量的剩余污泥，通常这些剩余污泥中含有相当多的不稳定的有机物。污泥一般由松散的物质组成，其特点是含水率较高；由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成，如有毒重金属等；污泥的体积庞大，性质不稳定，不利于运输和处置，对环境会造成直接或潜在的威害。第二，能量消耗巨大。以活性污泥法污水处理厂为例，其运行费用主要来自曝气所消耗的大量电能。第三，类似酱油酿造废水这样排放分散、季节性强、浓度高的废水不适合使用活性污泥法大规模处理。第四，有机污染物处理不彻底，出水中仍含有部分有机污染物。在能源问题方面，化石燃料煤和石油是目前最主要的能源，支撑着人类社会的发展，其最重要的问题是不可更新性和使用过程中的环境污染，如有害气体、温室气体排放等等，而且以现有储量和消耗速度，最终走向枯竭是必然的趋势。降低能源消耗和开发新能源成为解决能源危机必然选择。人们在风能、太阳能、氢能等清洁能源开发方面取得巨大进步，然而仍面临成本、使用条件等等限制。

环境问题的日益严重和能源危机的加深以及人们环境意识的加强和对环境质量要求的提高，必然使越来越多的如酱油酿造废水这样有机污染物含量高、排放分散、难处理的废水得到有效处理，并减少能源消耗，甚至将废水中有机污染物作为能源加以利用，使有机废水变为能源，消除环境污染。

现有技术中使用污水发电的常规微生物燃料电池通常为双电极室、阴阳极分别置于因阳极室内，并以质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)将阴阳极分开。常规的微生物燃料电池因结构材料设计因素，存在着内阻过高(使用PEM的双电极室MFCs内阻常常在1000Ω)、能量转化效率低(库伦效率低，一般在10-20％左右)、成本高(PEM等材料价格昂贵)等问题，这些问题限制了微生物燃料电池向商业化应用发展。因此开发经济高效的微生物燃料电池成为迫切需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将有机废水转化为电能的阴极中置结构微生物燃料电池，用于处理高浓度有机废水如酱油酿造废水，能够将有机污染物中的化学能转化为电能，在回收能量同时去除废水中有机污染物，且有机污染物处理彻底。

为实现上述目的，本发明公开了一种阴极中置结构微生物燃料电池，包括阳极、阴极、电极室和反应介质，其特征在于所述电极室在中部安置阴极，阴极的两端与电极室壁接触，阴极将电极室分隔成阳极反应室和阴极反应室；所述阳极置于阳极反应室内；以导线连接阴极、阳极和外电路以及外电阻。

本发明阴极中置结构的微生物燃料电池，结构合理，可以通过对菌种采集、菌种驯化和启动条件等优化和改进，提高库伦效率和有机污染物去除率。具有以下有益效果：

1)能够在去除污水中有机污染物的同时，将有机污染物中储存的化学能转化为电能，既消除废水对环境的污染又回收电能，这有利于废水处理成本的降低甚至将污水作为新能源的开发，本试验中MFCs各项性能参数相对于常规MFCs，COD去除率提高了31％，库伦效率提高了44％，功率输出密度提高8倍；

2)采用双反应室、用阴极分隔形成两个反应室，减少了质子转移距离，不使用PEM膜，有效缩减电池内阻，进而减少了电池所产电能在内阻上的消耗，提高电能在外电路上的输出；同时双反应室、阴极中置结构的微生物燃料电池既能够如同双反应室结构那样充分利用和选择不同电子受体，也能够如同单反应室那样使阳极和阴极充分接近，提高产电效率；

3)在满足阳极电极和阴极以及反应室壁机理设计要求，电池可以设计不同的有效容积，满足废水量变化和分散处理要求；

4)可以通过串联等方式扩大输出电压，改进空间大；