[发明专利]旋转生物阴极微生物燃料电池及其污水处理方法

说明书

技术领域

本发明属于环境工程技术领域，涉及污水处理及中水回用技术，特别涉及 应用旋转生物阴极微生物燃料电池产电的同时同步除碳脱氮的污水处理方法。

背景技术

人类的生存与活动离不开水，我国的西北、华北以及沿海缺水地区受水资 源匮乏的影响，国民经济发展受到严重的制约。目前城市污水碳含量并不高， 普遍具有高氮/碳比的污水，氮污染物的去除也成为人们重点关注的问题。另外， 世界范围内，能量的需求正以指数的形式增长，但是目前，能源的供应还是主 要依赖于化石燃料的燃烧，在所预见的将来，化石燃料亦即将耗尽。全球气候 的变化，要求人们应该以更可持续发展的方法来进行水处理以及对能源的利用。 微生物燃料电池是一种利用微生物催化作用，降解污染物，同时提取电能的装 置。阳极在厌氧条件下，微生物氧化基质中的有机或无机物，将其过程中产生 的电子传递到电极表面，电子通过外电路、负载到达阴极；质子或其他阳离子 通过离子交换膜或电解液到达阴极，在阴极，电子、质子以及氧化剂共同反应， 从而维持电流的持续产生。微生物燃料电池污泥产量低、占地面积小。目前已 经有各种各样的物质尝试着作为微生物燃料电池的底物，包括各种人工的、实 际的废水以及木质纤维素型的生物质。但是，随着人们生活水平的提高，城市 污水氮含量相对增加，呈现出高氮/碳比的特征，在微生物燃料电池中去除氮也 成为科学家们特别感兴趣的课题。生物阴极降低了微生物燃料电池的运行和构 建成本；具有更重要意义的一点是，生物阴极负载的微生物可以直接以电极作 为电子供体获得电子，以硝酸盐或亚硝酸盐作为最终电子受体，进行反硝化， 可以进行污泥或废水的脱氮处理。

氧气是理想的阴极氧化剂，具有较高的标准电势，廉价易得，而且没有二 次污染，不过由于其溶解度低，使其具有较高的过电势。空气阴极微生物燃料 电池直接取自空气中的氧气来参加反应，解决了溶解度的问题，同时以贵金属 铂修饰的阴极催化其反应，从而获得了较高的电能输出；但是其增加了制作成 本，且由于微生物的活动易于中毒，从而催化效率下降，并不符合实际应用的 需要。铁氰化钾以及高锰酸钾等阴极系统，虽然其溶解度高，没有氧气那样传 质的问题，同时可以获得很高的电势，但是成本较高，同时存在再次利用的问 题，造成二次污染。

与非生物阴极相比，生物阴极降低了微生物燃料电池的运行和构建成本， 微生物本身作为催化剂或介体参与电子传递，取代了贵金属催化和不可回收的 电子介体，从而解决了催化剂中毒以及氧化剂补充的问题，使微生物燃料电池 得以低成本持续进行。Clauwaert等研究了生物阴极对于氧的还原作用，发现生 物阴极可以减少金属和非金属催化剂的用量，提高微生物燃料电池的操作性。 Douglas等人在单室无膜微生物燃料电池中发现其最大氢气产生速率是通常双 室微生物燃料电池的两倍。He等人研究表明旋转生物阴极可以增加电能输出。

发明内容

本发明目的是提供一种增加微生物燃料电池电能输出同时去除碳氮污染的 污水处理方法，用该方法设计及建造的旋转生物阴极微生物燃料电池，不仅能 够获得较高的电能输出，而且能够同时在生物阴极实现短程硝化反硝化，有效 地去除污水氮污染物，有利于促进水污染控制技术的节能降耗、实现可持续发 展。

为了上述发明目的，本发明采用的解决的方案是：