一种微生物燃料电池耦合电驱动厌氧氨氧化-反硝化的装置

技术领域

本发明涉及废水生物处理技术领域，具体涉及一种微生物燃料电池耦合电驱动厌氧氨氧化-反硝化的装置。

背景技术

在污水处理领域，微生物燃料电池可将废水中的有机物转化为电能，与现有的其它利用有机物产能技术相比，不仅具有高的能量转化效率和适应性，还有广泛的应用前景。

目前，在城市污水处理提标改造的过程中，系统总氮的去除是亟需解决的关键问题。厌氧氨氧化工艺及其耦合工艺在污水脱氮领域得到越来越多的重视和应用推广，但是由于污水中的氮素主要以氨氮和硝氮的形式存在，因此厌氧氨氧化工艺通常需要依赖亚硝化和短程反硝化过程来提供亚硝氮，形成了亚硝化-厌氧氨氧化、短程反硝化-厌氧氨氧化、亚硝化-厌氧氨氧化-反硝化等多种耦合工艺。上述工艺在低碳氮比的高浓度氨氮废水处理中得到了成功实践，但是在市政污水处理的过程中仍存在诸多问题，例如运行不稳定，能耗高，出水总氮含量偏高等。

发明内容

本发明的目的是，提供一种微生物燃料电池耦合电驱动厌氧氨氧化-反硝化的装置，该装置利用微生物燃料电池MFC降解有机物所产生的电能驱动微生物电化学反应器MEC，同时利用电驱动厌氧氨氧化-反硝化技术对废水中的氮元素进行脱除，产生能回收利用的电能。

为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种微生物燃料电池耦合电驱动厌氧氨氧化-反硝化的装置，包括微生物燃料电池和微生物电化学反应器；其中，所述微生物燃料电池包括第一碳刷电极、碳布电极、第一出水口；所述微生物电化学反应器包括第二碳刷电极、铂网电极、第二进水口，所述第二进水口通过进水管道与第一出水口相连接，所述第二碳刷电极与碳布电极耦合相连，所述铂网电极与第一碳刷电极通过串联电阻形成回路。

进一步的，所述第一碳刷电极位于微生物燃料电池的内部，所述碳布电极位于微生物燃料电池的侧面；第一出水口位于微生物燃料电池的上部，第一进水口位于微生物燃料电池的下部。

进一步的，所述微生物燃料电池中，还包括第一转子和第一取样口，其中，所述第一转子位于微生物燃料电池的内部且设置在第一碳刷电极下方，所述第一取样口位于微生物燃料电池的顶部。

进一步的，所述第二碳刷电极、铂网电极位于微生物电化学反应器的内部；第二出水口位于微生物电化学反应器的上部，第二进水口位于微生物电化学反应器的下部。

进一步的，所述微生物电化学反应器中，还包括Ag/AgCl参比电极、第二转子、数据采集器、第二取样口，其中，所述Ag/AgCl参比电极和第二转子位于微生物电化学反应器的内部，且第二转子设置在第二碳刷电极下方，所述第二碳刷电极一侧为铂网电极，另一侧为Ag/AgCl参比电极，该Ag/AgCl参比电极与数据采集器相连；所述数据采集器和第二取样口位于微生物电化学反应器的顶部。

更进一步的，所述微生物燃料电池为空气阴极微生物燃料电池，有效容积可以为350mL，阳极材料为碳刷，阴极材料为碳布，接种的污泥为厌氧污泥；第一碳刷电极由于较大的比表面积能提供微生物的附着点形成稳定的生物膜。

更进一步的，所述微生物燃料电池中，启动底物的COD初始浓度为400-800mg/L，启动底物的pH值为7.5±0.2，所述启动底物包括葡萄糖、氯化钾、氯化铵、磷酸盐缓冲液、痕量矿物质和维他命，其中，葡萄糖的COD为400-800mg/L，氯化钾的浓度为0.11-0.15g/L，氯化铵的浓度为0.25-0.35g/L，痕量矿物质的浓度为11.5-13.5mM/L，维他命的浓度为4-6mM/L。

作为更进一步的，所述微生物电化学反应器中，微生物电化学反应器的有效容积可以为500mL，工作电极为碳刷，对电极为铂网，两电极间距为0.8-1.2cm，参比电极为Ag/AgCl，接种的污泥为厌氧氨氧化絮状污泥；第二碳刷电极由于较大的比表面积能提供微生物的附着点形成稳定的生物膜。

作为更进一步的，所述微生物电化学反应器中，启动底物的氨氮初始浓度为35-70mg/L，启动底物的pH值为7.0±0.2。

本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：

1、微生物燃料电池可以完成90％以上的除碳过程，并为微生物电化学反应器提供稳定的电压输出，用于维持电驱动厌氧氨氧化过程。

2、电驱动厌氧氨氧化-反硝化过程可以将氨氮直接转化为氮气，并产生微量的硝氮，有效降低出水总氮排放。

3、在低能耗的条件下实现高效脱氮除碳，还可以产生能回收利用的电能。

附图说明

图1为一种微生物燃料电池耦合电驱动厌氧氨氧化-反硝化的装置的结构示意图。

图中，1-微生物燃料电池MFC，2-第一碳刷电极，3-碳布电极，4-第一转子，5-第一进水口，6-第一出水口，7-第一取样口，8-电阻，9-微生物电化学反应器MEC，10-第二碳刷电极，11-铂网电极，12-Ag/AgCl参比电极，13-第二转子，14-数据采集器，15-第二取样口，16-第二出水口，17-第二进水口，18-进水管道。

具体实施方式

本发明的实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施的，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种微生物燃料电池耦合电驱动厌氧氨氧化-反硝化的装置，包括微生物燃料电池MFC1的第一出水口6与微生物电化学反应器MEC9的第二进水口17通过进水管道18相连接，碳布电极3与第二碳刷电极10耦合相连，第一碳刷电极2与铂网电极11通过串联电阻(优选为10Ω)8形成回路。污水先通过第一进水口5进入微生物燃料电池MFC1中，经第一转子4搅拌使其与污泥混合均匀，第一碳刷电极2为污泥提供附着点进行反应，反应周期中从第一取样口7进行取样，待反应周期结束后，由第一出水口6进行排水。然后污水由微生物燃料电池MFC1的第一出水口6通过进水管道18进入到第二进水口17进而流入微生物电化学反应器MEC9中，第二碳刷电极10为污泥提供附着点进行反应，微生物电化学反应器MEC9通过第二取样口15进行取样，反应周期结束后通过第二出水口16进行排水。数据采集器14分别采集铂网电极11，第二碳刷电极10，碳布电极3，第一碳刷电极2的电势。进水氨氮浓度可以为35mg/L，COD浓度为800mg/L，微生物燃料电池MFC1的COD去除率为96.3％，氨氮的去除率为15.7％，产生最大0.566V的开路电压。微生物燃料电池MFC1的出水泵入微生物电化学反应器MEC9后，氨氮去除率约为85.5％，总氮去除率为76.8％，回路中产生0.06mA左右的最大电流。

实施例2

与实施例1的不同之处在于进水氨氮和COD浓度不同，氨氮进水浓度为70mg/L，COD进水浓度为400mg/L。微生物燃料电池MFC1和微生物电化学反应器MEC9相连耦合运行后由微生物燃料电池MFC1向微生物电化学反应器MEC9进行供电。微生物燃料电池MFC1处氨氮的去除率为13.2％左右,COD的去除效率为82.5％，出水泵入微生物电化学反应器MEC9后，氨氮去除率可达76.3％，回路可产生0.08mA左右的最大电流。

本发明通过微生物燃料电池降解有机物，所产生的电能驱动微生物电化学反应器中的厌氧氨氧化过程耦合反硝化对废水的氮元素进行脱除时，不仅不消耗外部电能，而且还能产生可回收利用的电能，不会造成二次污染，是一种环境友好兼具脱氮除碳的污水处理结构。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。