基本信息
- 项目名称：
- 单室型无质子交换膜微生物燃料电池污水处理系统的构建
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- ，本作品利用微生物燃料电池（Microbial fuel cells，MFCs）技术，构建单室型无质子交换膜的MFCs污水处理系统，通过污水中还原性有机污染物在阳极被氧化，产生的质子、电子传给阴极促进硝酸盐氮和亚硝酸盐氮反硝化和厌氧氨氧化脱氮，巧妙的耦合了阳极氧化作用和阴极还原作用，实现同时去除污水中COD和含氮污染物。 该技术开发成功后，可运用于宾馆、居民小区等场所污水的高效、深度处理
- 详细介绍：
- 目前，污水处理厂数量不断增加，污水处理率也不断提高，但水体“富营养化”问题并没有得到很好的解决，如近年来我国太湖、滇池每年均会出现蓝藻大规模爆发现象。这主要是由于现有的生物脱氮技术能耗大、效率低，总氮的去除较低, 相当一部分的氨氮（NH4+-N）只是转化成硝酸盐氮（NO3--N），而并没有从根本上去除。因此，研究开发高效、低能耗的生物脱氮新工艺和技术是非常有意义的工作。 基于MFCs技术的原理，构建单室型无质子交换膜的MFCs污水处理系统，以80目不锈钢网为电极，通过污水中还原性有机污染物在阳极被氧化，产生的质子、电子传给阴极促进硝酸盐氮和亚硝酸盐氮反硝化和厌氧氨氧化脱氮，实现污水中COD和含氮污染物的去除率均达到80%以上。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 城市污水中同时含有还原性有机污染物（以COD表示）和氧化性污染物（如硝酸盐氮和亚硝酸盐氮）。目前，在城市污水处理中普遍将去除COD和含氮污染物作为两个分开的处理单元，使得污水的处理成本增加，而总氮的去除率较低，未从根本上被去除。因此，如何同时、高效去除城市污水中还原性污染物和含氮污染物一直是环境程研究的热点问题。本作品利用微生物燃料电（Microbial fuel cells，MFCs）技术，先对城市污水进行部分硝化处理，构建单室型无质子交换膜的MFCs污水处理系统，分别在阳极附着去除还原性有机污染物的厌氧消化菌组成生物阳极，阴极附着厌氧氨氧化菌和反硝化菌组成生物阴极，耦合阳极氧化作用和阴极还原作用，通过污水中还原性有机污染物污染物在阳极被氧化，产生的质子、电子传给阴极促进硝酸盐氮和亚硝酸盐氮反硝化和厌氧氨氧化脱氮，实现污水中COD和含氮污染物同时、高效去除。
科学性、先进性
- 微生物燃料电池（MFCs）是利用微生物作为催化剂氧化有机物或无机物产生电能的装置, 在阳极区由基质氧化产生的电子传递给阳极，经连接有电阻或负载的导线流到阴极，再传递给阴极区的电子受体。目前，MFCs的研究主要集中在单一利用阳极的氧化作用，并使用价格昂贵的质子交换膜分割两极。 相对于MFCs的产电能力，笔者认为MFCs技术因具有反应条件温和、底物广泛、清洁高效等显著优点，因此在污水处理方面的运用更值得深入研究。目前，MFCs技术在水处理上运用仍主要集中在单独利用某一极的氧化还原作用去除一种污染物，且采用质子交换膜分隔阳极室和阴极室，不仅增加了MFCs的使用成本，降低电池的产电能力和污水处理能力。 单室型结构的阳极和阴极同处于一室，降低电池内阻和传质阻力，产电性能明显高于两室型结构的MFCs系统。因此，本项目设计了单室型无质子交换膜的MFCs污水处理系统，采用80目的不锈钢网作为电极，通过驯化、培养厌氧消化菌和反硝化菌，耦合阳极氧化和阴极还原过程，实现城市污水的协同、深度、高效处理。
获奖情况及鉴定结果
- “无质子交换膜微生物燃料电池污水处理系统的构建”获得大连民族学院2009-2010学年集中实践环节优秀学生作品三等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- ■实物、产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该污水处理系统主要分以下几个操作单元。 1、厌氧消化污泥和反硝化污泥的驯化、培养 2单室型无质子交换膜的MFCs污水处理系统的构建 3、污水处理效果的分析、考察 该污水处理技术与传统污水处理技术相比具有工艺流程简单、所需设备较少、能耗成本低和污染物去除效率高等显著优点。该技术开发成功后，可用于宾馆、居民小区等有机污染物和含氮污染物浓度相对较高，而废水排放量相对较小场所污水的高效、深度处理。
同类课题研究水平概述
- 微生物燃料电池（MFCs）利用微生物作为催化剂氧化有机物或无机物产生电流的装置, 在阳极区由基质氧化产生的电子传递给阳极，经连接有电阻或负载的导线流到阴极，再传递给阴极区的电子受体。 目前，对阳极材料和产电微生物对电池性能的影响一直是MFCs技术的研究重点。在阴极大多采用高氧化还原电势的化合物做为电子受体，使整个电池系统构成一个完整的通路。MFCs可分为两室型和一室型两种。两室型结构MFCs大多类似H型，采用质子交换膜（PEM）分隔两极，在阴极室常采用氧气、三氯化铁或高锰酸盐作为电子受体，由于阳极和阴极间的距离较远，使得电池内阻较大，降低了电池的产电性能；单室型结构降低了电池内阻和质子传递阻力，产电性能明显高于两室型结构的MFCs系统。 相对于MFCs的产电能力,其在污水处理上的应用价值更值得深入研究。基于MFCs的特点和原理，对其在污水处理上的运用开展了一系列的研究工作。顾荷炎等采用PEM分隔的双室型MFCs系统,以碳纤维毡为电极，分别以氮气和空气对阳极和阴极室进行曝气，乙酸钠作为为阳极的被氧化底物，氯酚作为阴极被还原的底物，发现对氯酚具有良好的去除效果。梁鹏等构建了质子交换膜分隔的双筒型MFCs系统，阳极以醋酸钠为电子供体，阴极以硝酸钠为电子受体，研究结果表明该系统阴极具有明显的反硝化脱氮能力。 上述的研究结果表明目前MFCs技术在水处理上运用仍主要集中在单独利用某一极的氧化还原作用去除一种污染物；且采用质子交换膜分隔阳极室和阴极室，不仅增加了MFCs的使用成本，还降低电池的产电能力。由于现有MFCs的电极运用形式和效率单一，且使用价格昂贵的质子交换膜分割阳极室和阴极室，使MFCs的使用成本较高，其在污水处理上的运用大受限制。 城市污水中既含有还原性污染物（COD类污染物和氨氮污染物），也含有氧化性污染物（硝酸盐氮污染物），能否基于MFCs的原理，耦合阳极氧化和阴极还原过程，构建无质子交换膜的MFCs污水处理系统，同时、高效、深度处理城市污水，是值得深入研究的科学问题。因此，本作品设计了单室型无质子交换膜的MFCs污水处理系统，采用80目的不锈钢网作为电极，通过驯化、培养厌氧消化菌和反硝化菌，阳极附着厌氧消化污泥、阴极附着反硝化污泥和厌氧氨氧化污泥，耦合阳极氧化和阴极还原过程，实现城市污水的协同、深度、高效处理。
