阴极中置结构微生物燃料电池 【技术领域】
本发明涉及一种微生物燃料电池，特别是一种适用于将有机废水转化为电能的阴极中置结构微生物燃料电池，它可以对酱油酿造废水以及其他性质类似的高浓度有机废水进行高效处理。
背景技术
环境问题与能源危机是目前阻碍人类社会可持续发展主要问题，清洁的可更新能源在能源消费结构比例中的逐步提高有利于解决这两个紧密相连的问题。
环境污染的主要问题之一是水污染。在废水各类处理技术方法中，废水生物处理技术逐步被广泛采用并成为废水处理的发展方向。废水生物处理技术就是利用微生物自身新陈代谢的生理功能，氧化分解废水中的有机物并将其转化为稳定的无机物，并采取一定的人工技术措施，创造有利于微生物的生长、繁殖的良好环境，加速微生物的增殖及其新陈代谢功能，从而使污水中的有机污染物得以降解、去除的污水处理技术。以最典型的活性污泥法为代表的现有的生物废水处理技术主要缺点为：第一，剩余污泥的处理。生物处理过程中产生大量的剩余污泥，通常这些剩余污泥中含有相当多的不稳定的有机物。污泥一般由松散的物质组成，其特点是含水率较高；由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成，如有毒重金属等；污泥的体积庞大，性质不稳定，不利于运输和处置，对环境会造成直接或潜在的威害。第二，能量消耗巨大。以活性污泥法污水处理厂为例，其运行费用主要来自曝气所消耗的大量电能。第三，类似酱油酿造废水这样排放分散、季节性强、浓度高的废水不适合使用活性污泥法大规模处理。第四，有机污染物处理不彻底，出水中仍含有部分有机污染物。在能源问题方面，化石燃料煤和石油是目前最主要的能源，支撑着人类社会的发展，其最重要的问题是不可更新性和使用过程中的环境污染，如有害气体、温室气体排放等等，而且以现有储量和消耗速度，最终走向枯竭是必然的趋势。降低能源消耗和开发新能源成为解决能源危机必然选择。人们在风能、太阳能、氢能等清洁能源开发方面取得巨大进步，然而仍面临成本、使用条件等等限制。
环境问题的日益严重和能源危机的加深以及人们环境意识的加强和对环境质量要求的提高，必然使越来越多的如酱油酿造废水这样有机污染物含量高、排放分散、难处理的废水得到有效处理，并减少能源消耗，甚至将废水中有机污染物作为能源加以利用，使有机废水变为能源，消除环境污染。
现有技术中使用污水发电的常规微生物燃料电池通常为双电极室、阴阳极分别置于因阳极室内，并以质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)将阴阳极分开。常规的微生物燃料电池因结构材料设计因素，存在着内阻过高(使用PEM的双电极室MFCs内阻常常在1000Ω)、能量转化效率低(库伦效率低，一般在10-20％左右)、成本高(PEM等材料价格昂贵)等问题，这些问题限制了微生物燃料电池向商业化应用发展。因此开发经济高效的微生物燃料电池成为迫切需求。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种将有机废水转化为电能的阴极中置结构微生物燃料电池，用于处理高浓度有机废水如酱油酿造废水，能够将有机污染物中的化学能转化为电能，在回收能量同时去除废水中有机污染物，且有机污染物处理彻底。
为实现上述目的，本发明公开了一种阴极中置结构微生物燃料电池，包括阳极、阴极、电极室和反应介质，其特征在于所述电极室在中部安置阴极，阴极的两端与电极室壁接触，阴极将电极室分隔成阳极反应室和阴极反应室；所述阳极置于阳极反应室内；以导线连接阴极、阳极和外电路以及外电阻。
本发明阴极中置结构的微生物燃料电池，结构合理，可以通过对菌种采集、菌种驯化和启动条件等优化和改进，提高库伦效率和有机污染物去除率。具有以下有益效果：
1)能够在去除污水中有机污染物的同时，将有机污染物中储存的化学能转化为电能，既消除废水对环境的污染又回收电能，这有利于废水处理成本的降低甚至将污水作为新能源的开发，本试验中MFCs各项性能参数相对于常规MFCs，COD去除率提高了31％，库伦效率提高了44％，功率输出密度提高8倍；
2)采用双反应室、用阴极分隔形成两个反应室，减少了质子转移距离，不使用PEM膜，有效缩减电池内阻，进而减少了电池所产电能在内阻上的消耗，提高电能在外电路上的输出；同时双反应室、阴极中置结构的微生物燃料电池既能够如同双反应室结构那样充分利用和选择不同电子受体，也能够如同单反应室那样使阳极和阴极充分接近，提高产电效率；
3)在满足阳极电极和阴极以及反应室壁机理设计要求，电池可以设计不同的有效容积，满足废水量变化和分散处理要求；
4)可以通过串联等方式扩大输出电压，改进空间大；
5)降解最终产物是C02和H20，处理彻底；
6)运行稳定，相对于传统废水处理法，无需更多管理。
采用本发明，不仅可以去除废水中有机污染物，还能够将有机污染物中的化学能以电能的形式回收，使解决环境污染的同时开发新能源变为可能。这种微生物燃料电池无需外加能源，可以根据不同要求而设计处理能力，可以适应序批式处理、连续流处理和分散处理等，适用性强，具有广阔工程应用前景。
【附图说明】
图1是阴极中置结构微生物燃料电池示意图；
图2是阴极中置结构微生物燃料电池电压输出曲线。
图中：1、电子；2、外电路；3、外电阻；4、电子受体；5、阴极；6、阳极；7、产电菌；8、质子。
【具体实施方式】
下面以具体实施例来阐述阴极中置结构微生物燃料电池的制备与运行：
本发明用来处理有机废水的阴极中置结构微生物燃料电池，由阳极6、阴极5、电极室和反应介质等组成。所述阴极中置于电极室的中部，阴极的两端与电极室壁接触，阴极将电极室分隔成阳极反应室和阴极反应室。所述阳极置于阳极反应室内；以导线连接阴极5、阳极6和外电阻3与数据采集系统2。还可以通过串联等方式扩大输出电压。
所述阳极固定于阳极室内，两端部与室壁距离在2-15cm范围内，阴极与阳极间地距离为2-15cm。
所述阴极反应室和阳极反应室的有效容积均为100-500ml，也可以设计不同的有效容积，以满足废水量变化和分散处理要求。
所述阳极和阴极，以炭布材料制作。
所述阳极和电极采用绝缘胶皮铜导线连接炭布和外电路，接口以粘结剂绝缘密封，静置固化20-30小时。
所述电极反应室采用有机玻璃或玻璃材料制备。
所述阴极用橡胶衬垫帮衬密闭固定于接触部位，用螺栓紧固。
在电极反应室制备、电极制备以及电极的固定中使用粘结剂，所述粘结剂为热固性树脂粘结剂，为环氧树脂6101、828、618或634中一种或几种。所述粘结剂的固化剂为酚醛胺、聚酰胺或改性芳胺中的一种或几种。
本发明的阴极中置结构微生物燃料电池的工作原理是：微生物燃料电池能够产生电能，同时去除有机污染物，是利用产电菌7作为生物催化剂，将废水中有机污染物化学键中储存的化学能转化为电能，通过电荷转移，即呼吸作用产生的电子1传递到电极上将能量输出，在常温常压下完成能量转换。在阳极室内，厌氧产电菌7将作为电子供体的有机污染物氧化释放电子1和质子8，电子1经过外电路转移到阴极并释放携带的能量，质子8转移到阴极。在阴极5上，电子1、质子8和电子受体4发生还原反应。
本发明的电池结构适用于有机污染物废水作为工作介质，在产生电能的同时去除废水中有机污染物。与已有微生物燃料电池相比，使用本发明的微生物燃料电池，阳极介质对菌种的选择进行了改进：选择在污水、活性污泥和土壤中采集适宜在厌氧条件下生存的、生物相丰富的混合菌种，驯化并富集厌氧产电菌种群，促进有机污染物的生物催化氧化降解作用；在循环中对菌种进行驯化：通过产电菌所需营养物质和目标污水适当比例和条件改变驯化产电菌，使产电菌对目标污水中有机污染物高效处理，如在阳极液中逐渐减少乙酸钠浓度直至不使用乙酸钠；对启动条件予以优化：通过启动条件优化，简化微生物燃料电池启动条件，降低微生物燃料装置对工程应用条件要求，通过调节营养成分和外阻等条件缩短启动时间，提高输出电压值。
应用本发明对微生物燃料电池的启动过程是：
1.产电菌种采集：可以是污水厂入口处生活污水，活性污泥法污水处理厂二沉池活性污泥，土壤滤清液或废水处理生物反应器中液体的一种或几种，可供给保证产电菌种来源。按照体积比10-50％在土壤上清液中加入0.5-1.5g/L乙酸钠溶液，放入厌氧培养箱中保存备用。
2.采用适合产电菌需要的微生物营养液，微生物营养液成分为：乙酸钠500-1200mg/L，N元素50-120mg/L，P元素3000-7000mg/L，K元素30-150mg/L。
3.产电菌富集：在注有乙酸钠溶液和微生物营养液的微生物燃料电池阳极室中，接种采集到的混合菌种液，在阴极中注满硝酸钠溶液，经过多个产电周期后，输出电压不再升高，产电菌富集完成。
4.产电菌驯化：在产电菌富集步骤完成基础上，在阳极室内注入待处理有机废水，逐渐增加注入量，以不影响电压输出稳定为准，直至营养液全部提换成有机废水。
5.完成启动：在5)步骤完成后，在几个运行周期内电压输出基本保持平稳，可以逐步缩减水力停留时间HRT，调整微生物燃料电池运行条件，接近生产要求，完成启动。待处理有机废水逐步加入。
实施例1
用阴极中置结构微生物燃料电池处理生活污水、回收电能：
1)选择阴阳极反应室有效容积为200ml、阴阳极间距5cm的微生物燃料电池；
2)在阳极中注入1g/L乙酸钠溶液和生活污水各150ml和50ml，阴极中注入100mg/L硝酸钠溶液200ml；
3)1000Ω电阻接入外电路，连接好导线和监测设备；
4)在室温下放置，直到电压开始稳定输出约200mV并出现下降(如图2)，开始补充乙酸钠，电压恢复到200mV并持续运行，电压输出再次下降，再次补充乙酸钠后，输出电压升高到450mV左右；
5)与步骤4)方法相同，再次出现下降后开始补充乙酸钠和生活污水混合物。第一次补充生活污水比例20％，以后该比例以倍数逐步提高直至全部使用生活污水更换阳极液，微生物燃料电池进入稳定的运行状态。
实施例2
与实施例1不同之处在于：所处理的废水为酱油酿造废水。在实施例1中将步骤2)的乙酸钠溶液更换为1.51g/L的浓度，并注满，在实施例1中将步骤5)中每次更换的废水改为酱油酿造废水，第一补充中酱油酿造废水比例10％，以后补充以倍数增加，直至全部进水完全使用酱油酿造废水。
图2中所示微生物燃料电池电压输出曲线表明，经过500小时运行，阴极中置结构微生物燃料电池电压输出达到最大值。
实施例3
与实施例1不同之处在于：在运行初期将外电阻调高至10000Ω，在运行一周后外电阻调节至1000Ω，正常运行期间使用100Ω外阻。