[实用新型]一种燃料电池装置

说明书

本实用新型公开了一种燃料电池装置，包括三室微生物燃料电池系统和外电路，三室微生物燃料电池系统包括厌氧氨氧化单元、铁氧化还原单元和光生物反应单元。在废水厌氧氨氧化过程中，厌氧氨氧化单元中的氨氮主要氧化为氮气。在铁氧化还原单元中，三价铁接收电子还原为二价铁。在铁再生过程中，铁氧化还原单元中的二价铁厌氧氧化为三价铁。光生物反应单元中的光合细菌利用电极上的电子合成单细胞蛋白。本实用新型不需要曝气和外加碳源，氨氮去除效率高，处理成本低，处理后出水中不含有铁元素，且阴极的铁元素不会流失，与添加氧化剂氧化的方式相比，节省了三价铁再生的成本。

技术领域

本实用新型涉及一种燃料电池装置,用于废水脱氮的厌氧铁氨氧化，属于生物技术与环境保护领域。

背景技术

传统的水处理工艺通过硝化-反硝化过程实现废水脱氮。厌氧氨氧化反应是指在厌氧或者缺氧条件下，厌氧氨氧化微生物以NO₂^-N、硫酸根、铁锰离子或腐植酸为电子受体，氧化NH₄⁺-N为氮气的生物过程。与传统的废水硝化-反硝化工艺相比，厌氧氨氧化不需要大量曝气，也不需要外加碳源，可降低50％的曝气量、100％的有机碳源以及90％的运行费用，且污泥产率低，以厌氧氨氧化为主体的污水处理工艺的研究和开发，有利于解决污水处理界面临的低碳氮比废水脱氮难、能耗高、污泥产量大等问题。

近年来厌氧氨氧化(Anammox)在污水处理领域的研究集中于以亚硝酸盐为电子受体的厌氧氨氧化，该过程需要通过短程硝化或短程反硝化产生足够的亚硝酸盐，才能支持后续的厌氧氨氧化反应。在实际应用中短程硝化或短程反硝化的控制较困难并且容易生成氧化亚氮等温室气体。此外，亚硝酸盐型的 Anammox易受低温、重金属等的抑制，使厌氧氨氧化的推广应用受到了限制。以铁为电子受体的厌氧铁氨氧化(Feammox)是将氨氮作为电子供体，三价铁作为电子受体，氨氮最终氧化为氮气的过程，这个过程仅产生少量的氮氧化物。与Anammox相比，Feammox不需要短程硝化或短程反硝化等前置工艺，且工艺能够耐低温和重金属胁迫。但由于Feammox的产物二价铁离子溶解性相对较高，易随出水流失导致出水色度不达标；同时由于二价铁的流失需要不断向系统中补加铁源以维持Feammox的进行，这直接导致了废水处理成本的提高。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种燃料电池装置，在本装置中，废水中的氨氮氧化和铁离子还原在空间上分离，在阳极室中氨氮能够高效生物转化为氮气，阴极室中的铁元素不会流失且可以循环利用，除了处理含氨氮的废水本装置还能同时产生光合细菌单细胞蛋白。

本实用新型的目的通过下述技术方案来实现：

一种燃料电池装置,该装置包括三室微生物燃料电池系统，三室微生物燃料电池系统包括三个独立的反应区，分别为依次连接的厌氧氨氧化单元、铁氧化还原单元和光生物反应单元；厌氧氨氧化单元是由不透光材质制成的厌氧氨氧化单元侧壁构成，铁氧化还原单元是由可见光透过材质制成的铁氧化还原单元侧壁构成，光生物反应单元是由红外光透过材质制成的光生物反应单元侧壁构成；厌氧氨氧化单元与铁氧化还原单元之间设置有阳离子交换膜，铁氧化还原单元与光生物反应单元之间设置有阴离子交换膜，阴离子交换膜与铁氧化还原单元之间和阳离子交换膜与厌氧氨氧化单元之间均设置有胶垫；厌氧氨氧化单元、铁氧化还原单元与光生物反应单元内分别设置有碳基电极，三个碳基电极通过外电路相连；厌氧氨氧化单元侧壁、铁氧化还原单元侧壁和光生物反应单元侧壁分别设置有进水管和出水管，出水管位于进水管的上方；厌氧氨氧化单元、铁氧化还原单元和光生物反应单元的底部分别设置有排空管；厌氧氨氧化单元、铁氧化还原单元和光生物反应单元的顶部空间分别设置有排气口。

进一步，外电路包括依次串联的第一开关、第一电阻、第二电阻和第二开关，第一开关连接光生物反应单元内的碳基电极，第一电阻和第二电阻之间连接铁氧化还原单元的碳基电极，第二开关连接厌氧氨氧化单元内的碳基电极，三个碳基电极均接地。