[发明专利]一种生物阴极型微生物燃料电池废水处理系统和处理废水的方法

说明书

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种生物阴极型微生物燃料电池废水处理系统。

背景技术

国内外对于氨氮废水的处理方法，主要分为物化法和生物法两类，其中物化法包括吹脱法、化学沉淀法、离子交换法、折点氯化法。这些方法都各有特点，但也各有一定的局限性，如设备投资大，能耗高，运行费用高或二次污染等。而氨氮处理技术的选择，主要取决于废水的性质和要求，目前国内多采用物化法，国外以生物法或联合工艺为主来处理氨氮废水。

近阶段，有人发现了一种新型的生物电化学系统可以作为一种替代的技术来实现脱氮的同时产电。即将微生物燃料电池与传统的生物脱氮技术相结合，提出了一种新型的工艺-微生物脱氮电池。

生物阴极微生物燃料电池脱氮的原理是，在阳极室微生物催化氧化有机物产生电子和质子，电子被阳极捕集并通过外电路转移到阴极上，质子则通过离子交换膜从阳极室迁移到阴极室，在阴极室中利用微生物作为催化剂能够将阴极的硝酸盐最终还原为氮气，从而达到脱氮的目的。其电极反应如下：

阳极反应：C₆H₁₂O₆+6H₂O→24H⁺+24e^-+6CO₂   (1)

阴极反应：NO₃^-+5e^-+6H⁺→0.5N₂+3H₂O   (2)

相对于阳极处理废水的应用，现有技术中阴极的用途还未得到广泛的开发利用。除了氧气以外，铁氰化钾、重络酸钾、高猛酸钾、过氧化氧等都可以用作阴极电子受体。这些微生物燃料电池有个共同点：阴极不依靠微生物催化还原反应，也就是非生物阴极微生物燃料电池。但非生物阴极微生物燃料电池存在电子受体和催化剂价格昂贵、需经常科换、再生难、易造成二次污染等问题。而生物阴极微生物燃料电池的出现很好地解决了上述问题。生物阴极无需额外加入催化剂，不存在电子受体和催化剂再生问题，降低了微生物燃料电池构建成本，反应器实现真正地连续运行。由以上述论述可知，将生物阴极应用到微生物燃料电池中发电不仅可解决阴极造价昂贵、运行不连续的问题，还可以进行污水的深度处理。

发明内容

本发明的目的在于利用生物阴极型微生物燃料电池系统来处理含氮废水，以含氮废水为燃料生产电能，实现同步脱氮和生物产电，显著降低生物脱氮费用。

本发明提供的一种生物阴极型微生物燃料电池废水处理系统，所述系统包括第一进水管1-1、第二进水管1-2、生物阳极2、第一出水管4-1、第二出水管4-2、阳极室5、分隔膜9、阴极室10和生物阴极12；所述阳极室5下部侧壁设有第一进水管1-1，阳极室5上部侧壁设有第一出水管4-1，阳极室5内设有生物阳极2，阴极室10下部侧壁设有第二进水管1-2，阴极室10上部侧壁设有第二出水管4-2，阴极室10内设有生物阴极12，阳极室5通过分离膜9与阴极室10相连，所述阳极室(5)内填充有阳极液3，所述阴极室10内填充有阴极液11，所述阳极液3中含有产电菌种，所述阴极液中3中含有反硝化菌种。

优选的，所述的生物阳极2和生物阴极12的导电材料为石墨毡、石墨板、碳毡或碳布，生物阳极2的面积与阳极室5的体积之比为8～20m²:1m³，生物阴极12的面积与阴极室10的体积之比为8～20m²:1m³。

优选的，所述的分隔膜9的材料为质子交换膜、阳离子交换膜、阴离子交换膜或双极膜。

优选的，所述的阳极液3的体积占阳极室5体积的2/3～3/4，所述的阴极液11占阴极室10体积的2/3～3/4。

优选的，所述生物阳极2和生物阴极12通过连接导线6与负载7两端相连，所述负载7和电压采集记录仪8连接。

本发明还公开了一种微生物燃料电池废水处理氨氮废水的方法，包括：

向生物阴极型微生物燃料电池的阴极液和阳极液中分别加入反硝化菌种和产电菌种。

本发明提供的生物阴极型为生物燃料电池废水处理系统具有以下优点：

1)本发明采用生物阴极和阳极产电来促进污染物的降解，将为生物燃料电池与传统水处理技术相结合，实现同步废水脱氮和生物产电，有效回收含氮废水中蕴含的能量，降低生物脱氮成本；

2)本发明的系统对低、中、高浓度的含氮废水均具有较好的适应性，处理效果好，性能高效稳定；