利用微生物燃料電池去除及回收污水中氨氮的裝置及方法
【專利摘要】本發明屬于污水處理【技術領域】,公開了一種利用微生物燃料電池去除及回收污水中氨氮的裝置及方法。通過構建雙室微生物燃料電池系統和氨氣回收裝置,向陽極室接種經過馴化的產電混合菌液,加入乙酸鈉作為電子供體,用pH為7.0的磷酸鹽緩沖溶液與培養液加滿陽極室;陰極室加入含氨氮的污水,并通過曝氣裝置通入空氣;氨氣回收裝置中加入0.1mol?L-1的H2SO4,然后啟動微生物燃料電池,陰極室的氨氮轉化為氣態的氨氣從污水中去除并被氨氣回收裝置回收利用。通過本發明的裝置及方法用于污水中氨氮的去除及回收,具有良好的經濟效益和環保效益。
【專利說明】利用微生物燃料電池去除及回收污水中氨氮的裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于污水處理【技術領域】,具體涉及一種利用微生物燃料電池去除及回收污 水中氨氮的裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 廢水處理一直是高能耗的行業。據統計,僅我國每年用于廢水處理的耗電量就占 全國總發電量的1 %,而美國等發達國家更高達3%。而廢水除氨氮更是廢水處理中重要的 一部分。隨著能源短缺的日益加劇,節能已經成為廢水處理行業急需解決的問題。目前,廢 水除氨可供選擇的方法通常有物理、化學及生物處理法等。物理法有反滲透、蒸餾、氨吹脫、 土壤灌溉;化學法有離子交換、折點加氯、含氨副產品生產、焚燒、催化裂解、電滲析、電化學 處理;生物法有藻類養殖、生物消化等。雖然許多方法都能在理論上有效地去除氨氮,但僅 有少數幾種方法能在工程上真正用于含氨氮廢水的處理。氨氮廢水處理技術的選擇主要取 決于廢水的組成、要求達到的處理效果及經濟性。
[0003] 近年來,由于生物技術的不斷發展,污水的生物處理成為了污水處理領域的主要 技術,得到了研究者的廣泛重視。由于微生物燃料電池高效、清潔、環保的優勢,利用微生物 燃料電池技術處理含氨氮廢水也將快速發展。
[0004] 因此為實現廢水中氨氮去除,同時回收電能及氨氮、實現資源的有效利用,我們利 用傳統微生物燃料電池的方式,來實現氨氮去除,同時回收能量和氨氮,為拓展傳統水處理 方式和微生物燃料電池提供了新的思路。
【發明內容】
[0005] 為了解決現有技術的缺點和不足之處,本發明的首要目的在于提供一種利用微生 物燃料電池去除及回收污水中氨氮的裝置。
[0006] 本發明的另一目的在于提供一種利用上述裝置去除及回收污水中氨氮的方法。
[0007] 本發明目的通過以下技術方案實現:
[0008] -種利用微生物燃料電池去除及回收污水中氨氮的裝置,由雙室微生物燃料電池 裝置和氨氣回收裝置組成,雙室微生物燃料電池裝置包括陽極室和陰極室,陽極室和陰極 室通過陽離子交換膜分隔開,陽極室設置電池陽極加液口和陽極電極,陰極室設置曝氣裝 置、氨氣出口和陰極電極,曝氣裝置設置在陰極室底部,陽極電極和陰極電極通過外電路連 接,外電路設置負載電阻和電路開關;氨氣回收裝置與陰極室的氨氣出口相連。
[0009] 所述的陽極電極和陰極電極的材料優選碳紙、碳布、石墨氈、不銹鋼網或泡沫鎳; 更優選經過預處理的石墨氈,所述的預處理方法為將石墨氈置于質量分數為10 %的雙氧水 溶液中,在溫度為90°c條件下水浴煮2h,接著用去離子水在同一溫度下水浴煮2h,再用烘 箱烘干。
[0010] 所述的負載電阻的電阻值優選50 Ω?1000 Ω。
[0011] 一種利用上述裝置去除及回收污水中氨氮的方法,包括以下操作步驟:
[0012] 向陽極室接種經過馴化的產電混合菌液,加入乙酸鈉作為電子供體,用pH為7. 0 的磷酸鹽緩沖溶液與培養液加滿陽極室;陰極室加入含一定濃度氨氮的污水,并通過曝氣 裝置通入空氣;氨氣回收裝置中加入0. lmol n^H2S04,然后閉合電路開關連通外電路,微 生物燃料電池運行啟動,陰極室的氨氮轉化為氣態的氨氣從污水中去除并被氨氣回收裝置 回收。
[0013] 所述的產電混合菌取自廢水處理好氧池的活性污泥,所述的馴化是指在30°C恒溫 恒濕培養箱中,用20mmol Γ1的乙酸鈉進行馴化。
[0014] 所述乙酸鈉的濃度優選為20mmol L'
[0015] 所述的培養液成分包括 1. Og PNaHCOpO· 10g I^FeSCVO. 10g LlCUO. 015g I^CaClpOJSg I^M^CUlOmL Γ1 礦物質溶液和 lOmL Γ1 維他命。
[0016] 所述礦物質溶液成分包括 1. 5g Ι^(:6Η6Ν06 · 3Na · 12Η20、0· 13g I^ZnCl^· Og ^^804,0.0^ L_1CuS04 · 5H20,0. 5g L_1MnS04 · H20,0. Olg L_1A1K (S04) 2 · 12H20U. Og I^NaCl、。· Olg L^^BOpO. lg I^FeSC^ ·7Η20、0· 025g I^NaWoOpO· lg L-1CaCl2 ·2Η20、0· 024g L-1NiCl2 · 6H20、0. lg L-1CoC12 · 6H20 和 0· 025g I^NaWC^ · 2H20。
[0017] 所述的氨氣回收裝置是指裝有0. lmol Γ1硫酸的裝置。
[0018] 本發明的原理為:
[0019] 通過構建具有陽極室和陰極室的微生物燃料電池,陽極室中的產電菌利用乙酸鈉 產生電子和質子,電子依次通過陽極電極、外電路和陰極電極進入陰極室中,與曝氣的〇2結 合產生0Γ,使陰極室中的pH增大,廢水中的氨氮轉化為氨氣析出,析出的氨氣通過回收系 統回收;同時質子通過陽離子交換膜進入陰極室,使得陽極室pH保持恒定,確保產電混合 菌的生存環境。
[0020] 電極的材料優選經過預處理的石墨氈,石墨氈具有較高的比表面積、良好的生物 相容性及合理的價格,將石墨氈進行預處理有利于提高其穩定性和導電性。
[0021] 氨氣回收裝置中的硫酸可與析出的氨氣進行反應,形成農業肥料的的主要成分 (nh4) 2so4。
[0022] 通過本發明的方法及裝置具有如下優點及有益效果:
[0023] (1)本發明采用微生物燃料電池來實現污水中氨氮的回收,一方面可以實現氨氮 的去除,另一方面在去除氨氮的同時產生電能,達到回收能源資源的作用;
[0024] (2)本發明采用硫酸回收氨氣,吸收氨氣后形成農業肥料的主要成分硫酸銨,可用 于農業施肥;
[0025] (3)本發明通過特定的培養液成分培養的產電混合菌,具有顯著的產電效率及氨 氮去除效率;
[0026] (4)本發明所述裝置除了用于處理氨氮污水,還可以用于處理含氮量極高的人與 動物的尿液。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027] 圖1是實施例1的一種利用微生物燃料電池去除及回收污水中氨氮的裝置結構 示意圖,圖中標記說明如下:1_雙室微生物燃料電池裝置;2-氨氣回收裝置;3-陽極室; 4-陰極室;5-陽離子交換膜;6-電池陽極加液口;7-陽極電極;8-曝氣裝置;9-氨氣出口; 10-陰極電極;11-外電路;12-負載電阻;13-電路開關;14-管道。
[0028] 圖2?5分別為實施例1 (圖中a)、實施例3 (圖中b)、對比實施例1 (圖中c)和 對比實施例3 (圖中d)中陽極室pH值、陰極室pH值、污水中氨氮濃度和氨氣回收裝置中氨 氮濃度隨時間的變化曲線;
[0029] 圖6?9分別為實施例2 (圖中e)、實施例4 (圖中f)、對比實施例2 (圖中g)和 對比實施例4 (圖中h)中陽極室pH值、陰極室pH值、污水中氨氮濃度和氨氣回收裝置中氨 氮濃度隨時間的變化曲線。
【具體實施方式】
[0030] 下面結合實施例對本發明作進一步詳細的描述,但本發明的實施方式不限于此。
[0031] 以下實施例中所使用的產電混合菌通過以下方法篩選及馴化:
[0032] 取廢水處理好氧池的活性污泥(廣東省韶關市焦化廠)10mL,加入到雙室微生物 燃料電池的陽極,其中電池的容量為200mL,陽極室和陰極室各100mL ;向上述電池陽極室 中加入2mL乙酸鈉作為電子供體,然后用pH7. 0的磷酸緩沖溶液與培養液的混合液加滿陽 極,最后用橡膠塞塞住加液口,另外一個加液口用一個標準飽和甘汞參比電極塞住,以便形 成三電極體系;向上述電池陰極加入PH7.0的磷酸鹽緩沖溶液,然后曝氧氣;將上述組裝好 的電池放入30°C恒溫恒濕培養箱中,電池陽極、陰極、參比電極分別接入工作線、對電極線 以及參比電極線,同時施加〇. 2Vvs. SCE電位進行馴化。
[0033] 實施例1
[0034] 如圖1所示,本實施例的一種利用微生物燃料電池去除及回收污水中氨氮的裝 置,由雙室微生物燃料電池裝置1和氨氣回收裝置2組成,雙室微生物燃料電池裝置包括陽 極室3和陰極室4,陽極室和陰極室通過陽離子交換膜5分隔開,陽極室設置電池陽極加液 口 6和陽極電極7,陰極室設置曝氣裝置8、氨氣出口 9和陰極電極10,陽極電極和陰極電極 通過外電路11連接,外電路設置50 Ω的負載電阻12和電路開關13 ;氨氣回收裝置與陰極 室的氨氣出口通過管道14相連。
[0035] 本實施例的裝置用于去除及回收污水中氨氮的方法,具體步驟為:向陽極室接種 10mL經過馴化的產電混合菌液,加入乙酸鈉作為電子供體,用pH為7. 0的磷酸鹽緩沖溶液 與培養液的混合液加滿陽極室,陽極室中乙酸鈉的濃度為20mmol Γ1 ;陰極室加入NH4+濃度 為200mg I71的氨氮污水90ml,并通過曝氣裝置通入空氣;氨氣回收裝置中加入0. lmol I71 的&504,然后閉合電路開關連通外電路,微生物燃料電池運行啟動,陰極室的氨氮轉化為氣 態的氨氣從污水中去除并被氨氣回收裝置回收。所述的pH為7. 0的磷酸鹽緩沖溶液與培養 液的混合液成分包括 22. 2g I^NaHJOpl.Og I^NaHCOpO.lOg I^FeSOp 0· lOg LlCUO.OlSg I^CaClpOJSg I^NH^UlOmL Γ1 礦物質溶液和 lOmL Γ1 維他命。
[0036] 實施例2
[0037] 本實施例的一種利用微生物燃料電池去除及回收污水中氨氮的裝置和方法,與實 施例1相比,不同之處在于外電路設置1000Ω的負載電阻,其余部分完全相同。
[0038] 實施例3
[0039] 本實施例的一種利用微生物燃料電池去除及回收污水中氨氮的裝置,由雙室微生 物燃料電池裝置和氨氣回收裝置組成,雙室微生物燃料電池裝置包括陽極室和陰極室,陽 極室和陰極室通過陽離子交換膜分隔開,陽極室設置電池陽極加液口和陽極電極,陰極室 設置曝氣裝置、氨氣出口和陰極電極,陽極電極和陰極電極通過外電路連接,外電路設置 50Ω的負載電阻和電路開關;氨氣回收裝置與陰極室的氨氣出口通過管道相連。所述的 陽極電極和陰極電極的材料為經過預處理的石墨氈,所述預處理過程為:將石墨氈置于質 量分數為10%的雙氧水溶液中,在90°C下水浴煮2h,接著用去離子水在同一溫度下水浴煮 2h,再用烘箱烘干,將石墨氈剪成長7cmX寬4cm大小并用鈦絲將其穿好固定。
[0040] 本實施例的裝置用于去除及回收污水中氨氮的方法,具體步驟為:向陽極室接 種10mL經過馴化的產電混合菌液,加入乙酸鈉作為電子供體,用pH為7. 0的磷酸鹽緩沖 溶液與培養液的混合溶液加滿陽極室,陽極室中乙酸鈉的濃度為20mmol Γ1 ;陰極室加入 NH4+濃度為200mg I71的氨氮污水90ml,并通過曝氣裝置通入空氣;氨氣回收裝置中加入 0. lmol Γ1的&504,然后閉合電路開關連通外電路,微生物燃料電池運行啟動,陰極室的 氨氮轉化為氣態的氨氣從污水中去除并被氨氣回收裝置回收。所述的pH為7. 0的磷酸鹽 緩沖溶液與培養液的混合液成分包括22. 2g I^NaHfCVl.Og I^NaHCOy 0.10g I^FeSCVO.lOg LlCUO.OlSg I^CaClpOJSg I^NH^lUOmL Γ1 礦物質溶液和 lOmL Γ1維他命。所述礦物質溶液成分包括1. 5g 1^(:6!16勵6 · 3Na · 12Η20、0· 13g I^ZnClp 3. Og I^MgSOpO. Olg I^CuSC^ · 5Η20、0· 5g I^MnSC^ · Η20、0· Olg 17111((504)2 · 12H20、L Og I^NaCl、。· Olg L^^BOpO. lg I^FeSC^ ·7Η20、0· 025g I^NaWoOpO· lg L-1CaCl2 ·2Η20、0· 024g L-1NiCl2 · 6H20、0. lg L-1CoC12 · 6H20 和 0· 025g I^NaWC^ · 2H20。
[0041] 實施例4
[0042] 本實施例的一種利用微生物燃料電池去除及回收污水中氨氮的裝置和方法,與實 施例3相比,不同之處在于外電路設置1000 Ω的負載電阻,其余部分完全相同。
[0043] 對比實施例1
[0044] 本對比實施例的一種利用微生物燃料電池去除及回收污水中氨氮的裝置和方法, 與實施例1相比,不同之處在于外電路的電路開關處于開路,其余部分完全相同。
[0045] 對比實施例2
[0046] 本對比實施例的一種利用微生物燃料電池去除及回收污水中氨氮的裝置和方法, 與實施例2相比,不同之處在于外電路的電路開關處于開路,其余部分完全相同。
[0047] 對比實施例3
[0048] 本對比實施例的一種利用微生物燃料電池去除及回收污水中氨氮的裝置和方法, 與實施例1相比,不同之處在于陽極室中未接種經過馴化的產電混合菌液,其余部分完全 相同。
[0049] 對比實施例4
[0050] 本對比實施例的一種利用微生物燃料電池去除及回收污水中氨氮的裝置和方法, 與實施例2相比,不同之處在于陽極室中未接種經過馴化的產電混合菌液,其余部分完全 相同。
[0051] 上述實施例及對比實施例中的裝置及方法用于污水中氨氮去除的效果比較:
[0052] 實施例1 (圖中a)、實施例3 (圖中b)、對比實施例1 (圖中c)和對比實施例3 (圖 中d)中陽極室pH值、陰極室pH值、污水中氨氮濃度以及氨氣回收裝置中氨氮的濃度隨時 間的變化分別如圖2、圖3、圖4和圖5所示。
[0053] 實施例2(圖中e)、實施例4(圖中f)、對比實施例2(圖中g)和對比實施例4(圖 中h)中陽極室pH值、陰極室pH值、污水中氨氮濃度以及氨氣回收裝置中氨氮的濃度隨時 間的變化分別如圖6、圖7、圖8和圖9所示。
[0054] 通過附圖結果可以看出:本發明的利用微生物燃料電池去除及回收污水中氨氮的 裝置在運行過程中不需要添加 pH調節劑,由體系自身維持pH恒定;由附圖2?5可知,電 池陰極中通入氧氣,氧氣在陰極得電子產生0?Γ,則陰極pH升高,從而使得陰極中的氨氮轉 化成氨氣析出;陽極中產生的質子通過陽離子交換膜進入陰極,從而維持陽極pH的穩定; 與陽極中不加產電菌和電池開路相比,實驗組中陰極中的氨氮濃度降低速率加快,同時吸 收瓶中的氨氮濃度增加也較為明顯,這說明在陽極產電菌的作用下,電子傳遞速率加快,從 而使得陰極中氧氣得電子速率加快,取得了良好的氨氮去除及回收效果。
[0055] 上述實施例為本發明較佳的實施方式,但本發明的實施方式并不受上述實施例的 限制,其它的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化, 均應為等效的置換方式,都包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1. 一種利用微生物燃料電池去除及回收污水中氨氮的裝置,其特征在于:所述裝置由 雙室微生物燃料電池系統和氨氣回收裝置組成,雙室微生物燃料電池系統包括陽極室和陰 極室,陽極室和陰極室通過陽離子交換膜分隔開,陽極室設置電池陽極加液口和陽極電極, 陰極室設置曝氣裝置、氨氣出口和陰極電極,曝氣裝置設置在陰極室底部,陽極電極和陰極 電極通過外電路連接,外電路設置負載電阻和電路開關;氨氣回收裝置與陰極室的氨氣出 口通過管道相連。
2. 根據權利要求1所述的一種利用微生物燃料電池去除及回收污水中氨氮的裝置,其 特征在于:所述的陽極電極和陰極電極的制備材料為碳紙、碳布、石墨氈、不銹鋼網或泡沫 鎳。
3. 根據權利要求2所述的一種利用微生物燃料電池去除及回收污水中氨氮的裝置,其 特征在于:所述的石墨氈為經過預處理的石墨氈,所述的預處理方法為將石墨氈置于質量 分數為10%的雙氧水溶液中,在溫度為90°C條件下水浴煮2h,接著用去離子水在同一溫度 下水浴煮2h,再用烘箱烘干。
4. 根據權利要求1所述的一種利用微生物燃料電池去除及回收污水中氨氮的裝置,其 特征在于:所述的負載電阻的電阻值為50 Ω?1000 Ω。
5. -種利用權利要求1?4任一項所述的裝置去除及回收污水中氨氮的方法,其特征 在于包括以下操作步驟: 向陽極室接種經過馴化的產電混合菌液,加入乙酸鈉作為電子供體,用pH為7. 0的磷 酸鹽緩沖溶液與培養液的混合溶液加滿陽極室;陰極室加入含氨氮的污水,并通過曝氣裝 置通入空氣;然后閉合電路開關連通外電路,微生物燃料電池運行啟動,陰極室的氨氮轉化 為氣態的氨氣從污水中去除并被氨氣回收裝置回收。
6. 根據權利要求5所述的去除及回收污水中氨氮的方法,其特征在于:所述的產電 混合菌取自廢水處理好氧池的活性污泥;所述的馴化是指在30°C恒溫恒濕培養箱中,用 20mmol I71的乙酸鈉進行馴化。
7. 根據權利要求5所述的去除及回收污水中氨氮的方法,其特征在于:陽極室中乙酸 鈉的濃度為20mmol L-1。
8. 根據權利要求5所述的去除及回收污水中氨氮的方法,其特征在于:所述的培養液 成分包括 l.〇g L-1NaHC03、0.10g I^FeSOpO.lOg LlCUO.OlSg I^CaClpOJSg L-1NH4C1、 lOmL Γ1礦物質溶液和lOmL Γ1維他命。
9. 根據權利要求8所述的去除及回收污水中氨氮的方法,其特征在于:所述礦物 質溶液成分包括 1. 5g I^CANOe · 3Na · 12Η20、0· 13g I^ZnClpS. 0g LlgSOpO· 01g L_1CuS04 *5H20,0. 5g L_1MnS04 *H20,0. Olg ^^(804)2 *12H20U. Og L^NaCl.O. Olg ^3603, 0· lg I^FeSC^ · 7Η20、0· 025g I^Na^oOpO. lg L-1CaCl2 · 2Η20、0· 024g L-1NiCl2 · 6Η20、0· lg PCoCh · 6H20 和 0· 025g I^NaJC^ · 2H20。
10. 根據權利要求5所述的去除及回收污水中氨氮的方法,其特征在于:所述的氨氣回 收裝置是指裝有〇· lmol Γ1硫酸的裝置。
【文檔編號】H01M8/06GK104143648SQ201410371295
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月30日 優先權日:2014年7月30日
【發明者】馮春華, 楊曉雙, 黃麗巧, 李晨晨, 呂志盛, 韋朝海 申請人:華南理工大學