[发明专利]厌氧氨氧化微生物燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及生物燃料电池，尤其涉及一种厌氧氨氧化微生物燃料电池。

背景技术

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，简称MFC)是一种以微生物为阳极催 化剂，将化学能直接转化为电能的装置。利用微生物燃料电池，不仅可以直接 将水体或污泥中的有机物降解，而且可以将有机物代谢过程中产生的电子转化 为电流，从而获得电能。近年来，在环境污染和能源危机的双重压力下，由于 微生物燃料电池可同时处理废水并产生电能，这项新技术越来越受人们青睐， 已成为废水处理及新能源开发领域的研究热点。

微生物燃料电池的工作原理如下：在阳极微生物的作用下，底物分解产生 电子、质子及其它代谢产物；部分电子传递到阳极表面并通过外电路到达阴极， 质子经产电基质到达阴极；在阴极表面，电子、质子与电子受体结合并形成电 流。绝大多数微生物燃料电池以有机物为产电基质，产电微生物为兼性厌氧菌， 电池构型有双室和单室两类。这些微生物燃料电池存在以下缺点：(1)在已发 现的兼性厌氧产电菌中，除腐败希瓦氏菌(Shewanella putrefaciens)、地杆菌 (Geobacteraceae)、铁还原红螺菌(Rhodoferax ferrireducens)等几种细菌外，其 余产电菌的电子传递效率很低，需要额外添加中性红、2，6-蒽醌等电子中介体来 强化电子传递，中介体大多有毒且价格较高。(2)双室微生物燃料电池由质子 交换膜分割为阴、阳两个极室，质子交换膜的质子传递能力可改变阴、阳极室 的pH值，减弱微生物活性和电子传递能力，而且质子交换膜价格昂贵 (4000～12000元人民币/m²)；传递到阴极的电子需要外加电子受体来结合，电 子受体有两种供给方式，一种方式是利用铁氰化物和高锰酸盐等具有高氧化活 性的化学物质，此法无需在阴极上负载贵金属催化剂，但成本高、再生难、易 造成二次污染，另一种方式是以空气作为电子受体，虽然空气廉价易得，但其 氧化还原速率低，需在阴极负载铂等贵金属催化剂。(3)单室微生物燃料电池 没有阴极室，但仍需质子交换膜，其阴极也需负载贵金属催化剂而且还需复杂 的防水处理。(4)产电基质为有机物，电导率低，电池内阻大，产电效率低， 有时需要额外添加无机离子以增强其导电性。产电效率低和造价高已成为制约 现有微生物燃料电池发展和应用的两大瓶颈。

针对现有微生物燃料电池的上述缺陷，本发明以厌氧氨氧化菌为产电菌， 无需添加电子中介体；以含有氨氮和亚硝酸盐氮的无机废水为产电基质，阴、 阳两极处于同相溶液内，无需设置质子交换膜；产电基质中亚硝酸盐可直接作 为阴极电子受体，无需另外提供阴极电子受体，阴极附着产电生物膜，可提高 电子传递效率，无需负载贵金属催化剂；产电基质为无机离子，电池内阻低， 电池性能好，产电效率高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种厌氧氨氧化微生物燃料电 池。

厌氧氨氧化微生物燃料电池由恒温搅拌系统、反应系统和数据采集监测系 统三部分组成，恒温搅拌系统设有恒温磁力搅拌器本体和磁力搅拌子；反应系 统设有筒状反应器本体和密封盖，筒状反应器本体下部设有进水管，筒状反应 器本体上部设有出水管，筒状反应器本体内部装有产电基质，产电基质中浸有 游离厌氧氨氧化菌和附着厌氧氨氧化菌的挂膜阳极和挂膜阴极，密封盖上部设 有阳极导线固定管、阴极导线固定管、取样管和参比电极固定管，筒状反应器 本体和密封盖之间设有密封圈并通过法兰连接；数据采集监测系统设有负载、 导线、数据采集器和连线电脑，负载两端通过导线分别与挂膜阳极和挂膜阴极 相连。