CN105858902A - 植物复合生物阴极湿地型生物燃料电池及净水产电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植物复合生物阴极湿地型生物燃料电池及净水产电方法，污水由进水管进入陶粒承托层布水，经构造生物碳滤层升流从顶部溢流堰溢流出水，通过阳极阴极室连通水管流入湿地型生物阴极室，经过陶粒布水层布水，由上到下流经构造生物碳颗粒层、底部陶粒承托层，经过底部中央排水管排出；同时，污水在阳极室发生水解酸化深度厌氧反应，有机质由大分子分解成小分子，产电细菌在分解有机质的同时产生电子，电子被阳极活性碳毡电极材料收集，通过铜导线传递到外电路，流经负载到达阴极活性碳毡电极材料，在阴极活性碳毡电极材料表面参与还原反应。本发明具有结构简单、生态治理污水同步产能、景观效果好等优点，是一种新型的微生物燃料电池。

Description

植物复合生物阴极湿地型生物燃料电池及净水产电方法

技术领域

本发明属于环保清洁能源领域，涉及一种利用植物复合生物阴极协同厌氧微生物阳极处理污水同步回收能源的微生物燃料电池及净水产电方法。

背景技术

微生物燃料电池是燃料电池中特殊的一类。它遵循生物电化学原理，利用微生物将污水中的有机污染物降解，同时将污染物中的化学能转变为电能，除了在理论上具有很高的能量转化效率之外，还有其它燃料电池不具备的若干特点：原料广泛，可以利用一般燃料电池所不能利用的多种有机质，甚至污水中的有机质；操作条件温和，一般在常温、常压、中性的条件下工作，这使得电池安全、低碳、可资源回收、维护成本低。

公知微生物燃料电池工作原理：燃料电池是一种通过微生物将化学能转化为电能的装置，作用机理是有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被微生物氧化，产生的电子被微生物捕获并传递给电池阳极，电子通过外电路到达阴极，从而形成回路产生电流，而质子通过内部扩散传质通过质子交换膜到达阴极，与电子受体 （氧气）反应生成水。其阳极和阴极反应式如下所示：

阳极反应：（CH₂O)n+nH₂O =nCO₂＋4ne^-＋4nH⁺

阴极反应： 4e^-＋O₂＋4H⁺ = 2H₂O

在公知的微生物燃料电池中，阴极一般采用以下化学阴极：（1）气体阴极，利用空气中的氧气作为电子受体，完成阴极还原反应；（2）液体型阴极，在阴极曝气增加溶解氧的浓度，溶解氧作为电子受体，或者加入化学电子受体例如硝酸盐氮等，这类化学阴极为提高电极的催化还原效能需要加入贵金属pt等作为电极材料，贵金属的高昂价格抑制了微生物燃料电池的规模化应用和推广。

为了解决公知微生物燃料单池的质子交换膜污染和跨膜电阻大的问题，近期有学者提出单池植物沉积湿地型生物燃料电池。该燃料电池采用阳极和阴极在同一室内的设计，取消了质子交换膜，在该设计中湿地植物根系位于阳极区，形成植物沉积湿地型燃料电池。该类燃料电池利用湿地植物的根际微生物参与阳极氧化，同时利用根系分泌的根际酶促进阳极催化氧化反应。为了促进质子传质，采用底部进水、顶部出水的升流单一流态的运行模式，取消了质子交换膜，升流模式也有效抑制了顶部空气中的溶解氧向下部的阳极扩散。但是产能效率低，运行不稳定。

目前，公知无膜型湿地燃料电池存在的问题是：

1、阴极、阳极的一体化设计，导致阴极对阳极形成干扰，降低了库伦效率。

2、电池的阴极为化学阴极或者微生物阴极，阴极的氧气为人工曝气充氧，能耗高。

3、当植物的根系位于厌氧区，根际泌氧导致阳极中毒，没有严格厌氧区域配合，进水COD浓度不能太高，否则会抑制湿地植物的生长，甚至导致植物死亡，由于较低的COD浓度，也限制了产电细菌的营养来源，产电效能低。

4、没有降解充分的剩余有机物（COD）进入阴极区，消耗阴极的溶解氧，导致产电效率降低。

发明内容

针对公知的微生物燃料电池及单池植物沉积湿地型生物燃料电池的问题，本发明提供了一种植物复合生物阴极湿地型生物燃料电池及净水产电方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种植物复合生物阴极湿地型生物燃料电池，采用双室无膜设计，主要包括阳极室、湿地型生物阴极室、阳极室阴极室连通水管、外电路、负载和铜导线，其中；

所述阳极室为厌氧反应室，包括进水管、陶粒承托层、构造生物碳粒层、溢流堰和多组阳极活性碳毡电极材料；

所述湿地型生物阴极室包括湿地植物、陶粒布水层、构造生物碳颗粒层、底部陶粒承托层、排水管和阴极活性碳毡电极材料；

污水由位于阳极室底部中央的进水管进入陶粒承托层布水，形成由下向上升流，经构造生物碳滤层升流从顶部溢流堰溢流出水，通过阳极阴极室连通水管流入湿地型生物阴极室，在湿地型生物阴极室的顶部溢流出水形成跌水，经过陶粒布水层布水，由上到下，流经构造生物碳颗粒层、底部陶粒承托层，经过底部中央排水管排出，完成物质流；

同时，污水在阳极室发生水解酸化深度厌氧反应，有机质由大分子分解成小分子，产电细菌在分解有机质的同时产生电子，电子被垂直平行布置的多组阳极活性碳毡电极材料收集，通过铜导线传递到外电路，流经负载到达多组垂直平行布置于湿地型生物阴极室内的阴极活性碳毡电极材料，在阴极活性碳毡电极材料表面参与还原反应。

利用上述植物复合生物阴极湿地型生物燃料电池净水产电的过程为：

污水经提升泵从阳极室底部中央进水管流入，经过陶粒承托层布水，向上升流，流经构造生物碳滤层，由顶部溢流堰溢流经顶部阳极阴极室连通水管流入湿地型生物阴极室，经过溢流跌水，进入湿地陶粒布水层向下流入构造生物碳颗粒层，再向下经过底部陶粒承托层，由阴极室底部中央排水管排出，完成水净化循环；

同时，阳极室内厌氧产电微生物产生的电子被阳极活性碳毡电极材料收集，经过铜导线传递到外电路流经负载到达阴极活性碳毡电极材料，在阴极活性碳毡电极材料表面参与还原反应，产电过程完成。

本发明提供的植物复合生物阴极湿地型生物燃料电池与目前公知的双室型微生物燃料电池不同，其采用双室设计，阳极室与阴极室在顶部通过管道连接，无质子交换膜结构；阳极室为厌氧反应滤池，阴极室为植物复合生物阴极湿地型阴极；水力流态：阳极为上升流，阴极为下降流。相比于公知的双室型微生物燃料电池，本发明具有如下优点：

1、本发明具有从严格厌氧菌到湿地微生态系统的多菌种分层组合，多生态组合的运行产电模式，能够处理回收高浓度的有机污水，具有产电能效高的特点。

2、该燃料电池的阴极为植物复合生物阴极，利用根际微生物及根际酶双重催化还原作用，利用根际泌氧作为电子受体，实现阴极还原反应。湿地植物能有效吸收污水中的CO₂、氮、P作为营养源，深度净化污水的同时产生氧气。

3、高效传导型阳极滤料及湿地基质，滤料和基质均采用构造生物碳，中孔发达，微孔致密而有序，有序的结构有利于提高质子（H+）和其他阳离子在基质中由阳极到阴极的扩散速度，降低浓差极化，降低内阻，提高电池效率，发达的中孔有利于底物传质和生物量调控，更新生物膜，保持微生物活性。

4、在微生物燃料电池的阳极室为严格的厌氧反应区，使该燃料电池能够利用COD浓度大于1000mg/L高浓度有机污水，也规避了普通湿地沉积型燃料电池进水的COD浓度不能太高的问题，使产能大幅度提高。

5、该燃料电池能够实现从深度厌氧到湿地微生态生态系统的多形态菌群分层组合的微生物运行模式，具有结构简单、生态治理污水同步产能、景观效果好等优点，具有其他生物燃料电池所不具有的技术优势，是一种新型的微生物燃料电池。

附图说明

图1为植物复合生物阴极湿地型生物燃料电池立面布置图；

图2为植物复合生物阴极湿地型生物燃料电池A-A剖面图；

图中，1：阳极室，2：湿地型生物阴极室，3：阳极室阴极室连通水管，4：进水管，5：溢流堰，6：排水管，7：外电路，8：负载，9：湿地植物，10：铜导线，1-1：阳极活性碳毡电极材料，1-2：陶粒承托层，1-3：构造生物碳粒层，1-5：密封盖，2-1：陶粒布水层，2-2：构造生物碳颗粒层，2-3：底部陶粒承托层，2-4：阴极活性碳毡电极材料。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1-2所示，本发明提供的植物复合生物阴极湿地型生物燃料电池由阳极室1、湿地型生物阴极室2、阳极室阴极室连通水管3、外电路7、负载8和铜导线10构成，其中：

所述阳极室1为矩形池体，包括进水管4、陶粒承托层1-2、构造生物碳粒层1-3、溢流堰5和多组阳极活性碳毡电极材料1-1，其中：底部中央位置设置有进水管4，池内平行竖向布置3mm厚阳极活性碳毡电极材料1-1，阳极活性碳毡电极材料1-1的宽度与池体的立面尺寸相同，高度底边与池底平齐，顶部为构造生物碳粒层1-3的顶部；阳极室1底部填充厚度5cm、粒径3-5mm的陶粒承托层1-2，陶粒承托层1-2上面是厚度不小于50cm、粒径为2-3mm的构造生物碳粒层1-3，阳极室1顶部设置有溢流堰5，可以根据污水处理的水量及水力停留时间设计水池的尺寸。污水由进水管4进入陶粒承托层1-2布水，形成由下向上升流，经构造生物碳粒层1-3升流从顶部溢流堰5溢流通过阳极室阴极室连通水管3流入湿地型生物阴极室2。阳极室1的顶部设置有密封盖1-5，保证阳极室1为厌氧反应室。在阳极室1内有机质被厌氧菌催化分解，厌氧菌以生物膜的形式生长在构造生物碳粒层1-3及阳极活性碳毡电极材料1-1电极表面，厌氧菌分解有机质产生电子，电子被阳极活性碳毡电极材料1-1收集，通过铜导线10传递到外电路7，通过负载8、铜导线10到达阴极活性碳毡电极材料2-4表面。

所述湿地型生物阴极室2与阳极室1平行等高设计，包括湿地植物9、陶粒布水层2-1、构造生物碳颗粒层2-2、底部陶粒承托层2-3、排水管6和阴极活性碳毡电极材料2-4，其中：陶粒布水层2-1的厚度5cm、陶粒粒径3-5mm，陶粒布水层2-1下方为厚度不小于50cm、粒径为2-3mm的构造生物碳颗粒层2-2，构造生物碳颗粒层2-2的底部为厚度大于5cm、陶粒粒径3-5mm的承托陶粒层2-3，湿地型生物阴极室2底部中央设置排水管6。湿地型生物阴极室2内有多组竖向平行布置的3mm厚阴极活性碳毡电极材料2-4，其高度为底部到达阴湿地型生物阴极室2底部，顶部到达陶粒布水层2-1顶部，宽度与湿地型生物阴极室2宽度相当，阴极活性碳毡电极材料2-4通过多根铜导线10与外电路7及负载8相连；湿地植物9种植于湿地型生物阴极室2顶部，湿地植物9的根系位于构造生物碳颗粒层2-2及底部陶粒承托层2-3，湿地植物9根际泌氧，是燃料电池阴极电子受体的重要来源，解决人工曝气充氧，降低运行成本；湿地根际底部兼氧区，利用根际分泌的微量有机物以硝酸盐氮为电子受体，利用反硝化细菌进行还原反应，在完成电循环的同时实现脱氮；湿地植物9通过根系泌氧为阴极室提供氧气，同时湿地植物9 通过根系吸收水中的氮、磷净化水质，回收资源。

湿地型生物阴极室2通过阳极室阴极室连通水管3与阳极室1在顶部相连通，水通过阳极室阴极室连通水管3流入溢流堰5溢流跌水流入湿地型生物阴极室2，在湿地型生物阴极室2的顶部溢流出水形成跌水，经过陶粒布水层2-1布水，由上到下，流经构造生物碳颗粒层2-2、底部陶粒承托层2-3，经过排水管5排出，完成物质流。

所述燃料电池的结构采用双池设计，阳极室与阴极室分开平行布置，采用无质子交换膜的管道连接；阳极室为厌氧滤池结构，阴极为湿地结构，植物位于阴极室；这样可以有效提高进水的有机底物（COD）浓度，提高产能。

所述燃料电池的阳极滤料及阴极湿地基质材料均采用陶粒支撑布水，填充构造生物炭，依据进水有机底物（COD）的浓度，生物碳的结构具有中孔发达，微孔致密而有序，发达的中孔有利于溶解氧和底物传质，提高传质性能，致密而有序的微孔有利于降低内阻，提高导电性，同时微孔有利于形成丰富的生物膜，调控生物量。

所述运行模式采取双流态运行：阳极为升流运行，阴极为下降流运行，具体为：阳极室底部中央进水，通过陶粒承托层布水，流过构造生物碳粒层到达顶部，通过溢流堰出水的升流模式，顶部出水通过阳极室阴极室连通水管排入湿地型生物阴极室的顶部，在湿地的顶部形成小的跌水，增加空气溶氧浓度，从顶部进水，通过陶粒布水层均匀布水，向下流过构造生物碳颗粒层、承托陶粒层，在底部中央排水，形成下降流运行模式，成双流态设计，一方面抑制溶解氧扩散进入阳极室，另一方面降低阴极对阳极的干扰。

所述燃料电池的电极材料采用活性碳毡电极材料，通过铜导线与活性碳毡电极材料连接传递电子到达外电路。

所述工艺段的过程为：

一、包含有机质的水经阳极室底部中央进水管流入，以向上升流的形式经过陶粒承托层1-2均匀布水；向上升流进入由生物碳滤层1-3和阳极活性碳毡电极材料1-1构成的厌氧反应区，在该区有机质经过水解酸化，深度厌氧，大分子的难溶的有机质变成小分子的溶解态的有机质，最终大部分有机质降解，产生NH⁴+、CO₂、水、少量的CH₄等同时产生电子，电子被阳极活性碳毡电极材料1-1收集，通过铜导线10传递到外电路7，通过负载8到达阴极活性碳毡电极2-5；部分没有降解的有机质（COD）氨氮的水溶液通过顶部溢流堰5流出，经过阳极阴极室连通水管3 流入湿地型生物阴极室2顶部。

二、流入包含少量有机质（COD）和氨氮的水在湿地型生物阴极室2顶部跌水，增加溶解氧的浓度，通过陶粒布水层2-1均匀布水，向下流入由构造生物碳颗粒层2-2和湿地植物9根系组合而成的好氧区，利用湿地植物9根系泌氧和溶解氧作为电子受体，利用构造生物碳颗粒层2-2的生物膜为催化剂，完成阴极微生物催化还原反应。同时利用湿地基质的吸附，湿地植物的吸收、同化作用、好氧生化作用进一步减低有机物、氨氮、TP净化水质。

三、水继续向下流入兼氧区陶粒承托层2-3，在此水中的硝酸盐氮作为电子受体，反硝化细菌利用少量根际分泌的COD完成反硝化脱氮反应，水质得到充分净化，通过底部中央排水管6排出，产电净水过程完成。

具体电极反应如下：

一、阳极主要反应：

C₆H₁₂O₆ + 6H₂O –24e^-（微生物、产电细菌协同）→ 6CO₂ + 24H⁺

二、阴极主要反应：

6O₂+ 24 e^- +24H⁺→ 12H₂O（氧气来自于植物根系泌氧）

2NH₄ ⁺+ 3O₂（硝化细菌）→2 NO₃ ^- + 8H⁺

2NO₃ ^- + 12e^- + 12H⁺ → N₂ + 6H₂O

三、总反应：

C₆H₁₂O₆+ 7O₂+NH₄ → 6CO₂ + 8H₂O+1/2N₂

本发明提供的上述植物复合生物阴极湿地型生物燃料电池具有多生态系统组合运行产电模式，能够处理较高浓度的有机污水，具有较高的产电效能等特点，尤其它的湿地型生物阴极结构，形成了植物、湿地基质、基质微生物构成的复杂的生态系统，既有根际微生物作为催化剂的生物还原反应还有根际酶作为催化剂的还原反应，极大提高了阴极的还原效率；同时这种阴极结构可以利用根际泌氧提高阴极电子受体的氧的浓度，在根际底部的兼氧区利用硝酸盐氮作为电子受体，完成反硝化还原反应，在脱氮的同时，提高阴极的催化还原效能，阴极不需要人工曝气充氧，这是其他公知的微生物燃料电池所不具备的。

该燃料电池虽然采用双室结构设计，但是阳极室与阴极室之间采取无分隔离子交换膜，利用水力流态，抑制阴极室内的溶解氧对阳极室内厌氧产电反应的影响。降低电池的内阻，提高有效输出电压。

该燃料电池能实现污水从深度厌氧到湿地微生态好氧的多层次净化过程，具有滤料附着厌氧微生物和湿地基质附着微生物组合的微生物运行产电去污的模式，是其他公知型微生物燃料电池所不具备的。

Claims (10)

1.一种植物复合生物阴极湿地型生物燃料电池，其特征在于所述燃料电池包括阳极室、湿地型生物阴极室、阳极室阴极室连通水管、外电路、负载和铜导线，其中；

所述阳极室为顶部设置有密封盖的厌氧反应室，包括进水管、陶粒承托层、构造生物碳粒层、溢流堰和多组阳极活性碳毡电极材料；

所述湿地型生物阴极室包括湿地植物、陶粒布水层、构造生物碳颗粒层、底部陶粒承托层、排水管和阴极活性碳毡电极材料；

污水由位于阳极室底部中央的进水管进入陶粒承托层布水，形成由下向上升流，经构造生物碳滤层升流从顶部溢流堰溢流出水，通过阳极阴极室连通水管流入湿地型生物阴极室，在湿地型生物阴极室的顶部溢流出水形成跌水，经过陶粒布水层布水，由上到下，流经构造生物碳颗粒层、底部陶粒承托层，经过底部中央排水管排出，完成物质流；

同时，污水在阳极室发生水解酸化深度厌氧反应，有机质由大分子分解成小分子，产电细菌在分解有机质的同时产生电子，电子被垂直平行布置的多组阳极活性碳毡电极材料收集，通过铜导线传递到外电路，流经负载到达多组垂直平行布置于湿地型生物阴极室内的阴极活性碳毡电极材料，在阴极活性碳毡电极材料表面参与还原反应。

2.根据权利要求1所述的植物复合生物阴极湿地型生物燃料电池，其特征在于所述阳极室为矩形池体。

3.根据权利要求1所述的植物复合生物阴极湿地型生物燃料电池，其特征在于所述阳极活性碳毡电极材料3mm厚，宽度与阳极室的立面尺寸相同，高度底边与阳极室底平齐，顶部为构造生物碳粒层的顶部。

4.根据权利要求1所述的植物复合生物阴极湿地型生物燃料电池，其特征在于所述陶粒承托层的厚度为5cm、粒径为3-5mm。

5.根据权利要求1或3所述的植物复合生物阴极湿地型生物燃料电池，其特征在于所述构造生物碳粒层的厚度不小于50cm、粒径为2-3mm。

6.根据权利要求1所述的植物复合生物阴极湿地型生物燃料电池，其特征在于所述陶粒布水层的厚度为5cm、陶粒粒径为3-5mm。

7.根据权利要求1所述的植物复合生物阴极湿地型生物燃料电池，其特征在于所述构造生物碳颗粒层的厚度不小于50cm、粒径为2-3mm。

8.根据权利要求1所述的植物复合生物阴极湿地型生物燃料电池，其特征在于所述承托陶粒层的厚度大于5cm、陶粒粒径为3-5mm。

9.根据权利要求1所述的植物复合生物阴极湿地型生物燃料电池，其特征在于所述阴极活性碳毡电极材料3mm厚，高度为底部到达阴湿地型生物阴极室底部，顶部到达陶粒布水层顶部，宽度与湿地型生物阴极室宽度相当。

10.一种利用权利要求1-9任一权利要求所述的植物复合生物阴极湿地型生物燃料电池净水产电的方法，其特征在于所述方法步骤如下：

污水经提升泵从阳极室底部中央进水管流入，经过陶粒承托层布水，向上升流，流经构造生物碳滤层，由顶部溢流堰溢流经顶部阳极阴极室连通水管流入湿地型生物阴极室，经过溢流跌水，进入湿地陶粒布水层向下流入构造生物碳颗粒层，再向下经过底部陶粒承托层，由阴极室底部中央排水管排出，完成水净化循环；

同时，阳极室内厌氧产电微生物产生的电子被阳极活性碳毡电极材料收集，经过铜导线传递到外电路流经负载到达阴极活性碳毡电极材料，在阴极活性碳毡电极材料表面参与还原反应，产电过程完成。