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基本信息

項(xiàng)目名稱：
單室型無(wú)質(zhì)子交換膜微生物燃料電池污水處理系統(tǒng)的構(gòu)建
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
，本作品利用微生物燃料電池（Microbial fuel cells，MFCs）技術(shù)，構(gòu)建單室型無(wú)質(zhì)子交換膜的MFCs污水處理系統(tǒng)，通過(guò)污水中還原性有機(jī)污染物在陽(yáng)極被氧化，產(chǎn)生的質(zhì)子、電子傳給陰極促進(jìn)硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮反硝化和厭氧氨氧化脫氮，巧妙的耦合了陽(yáng)極氧化作用和陰極還原作用，實(shí)現(xiàn)同時(shí)去除污水中COD和含氮污染物。 該技術(shù)開發(fā)成功后，可運(yùn)用于賓館、居民小區(qū)等場(chǎng)所污水的高效、深度處理
詳細(xì)介紹：
目前，污水處理廠數(shù)量不斷增加，污水處理率也不斷提高，但水體“富營(yíng)養(yǎng)化”問(wèn)題并沒有得到很好的解決，如近年來(lái)我國(guó)太湖、滇池每年均會(huì)出現(xiàn)藍(lán)藻大規(guī)模爆發(fā)現(xiàn)象。這主要是由于現(xiàn)有的生物脫氮技術(shù)能耗大、效率低，總氮的去除較低, 相當(dāng)一部分的氨氮（NH4+-N）只是轉(zhuǎn)化成硝酸鹽氮（NO3--N），而并沒有從根本上去除。因此，研究開發(fā)高效、低能耗的生物脫氮新工藝和技術(shù)是非常有意義的工作。 基于MFCs技術(shù)的原理，構(gòu)建單室型無(wú)質(zhì)子交換膜的MFCs污水處理系統(tǒng)，以80目不銹鋼網(wǎng)為電極，通過(guò)污水中還原性有機(jī)污染物在陽(yáng)極被氧化，產(chǎn)生的質(zhì)子、電子傳給陰極促進(jìn)硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮反硝化和厭氧氨氧化脫氮，實(shí)現(xiàn)污水中COD和含氮污染物的去除率均達(dá)到80%以上。

作品圖片

  • 單室型無(wú)質(zhì)子交換膜微生物燃料電池污水處理系統(tǒng)的構(gòu)建
  • 單室型無(wú)質(zhì)子交換膜微生物燃料電池污水處理系統(tǒng)的構(gòu)建

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

城市污水中同時(shí)含有還原性有機(jī)污染物（以COD表示）和氧化性污染物（如硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮）。目前，在城市污水處理中普遍將去除COD和含氮污染物作為兩個(gè)分開的處理單元，使得污水的處理成本增加，而總氮的去除率較低，未從根本上被去除。因此，如何同時(shí)、高效去除城市污水中還原性污染物和含氮污染物一直是環(huán)境程研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。本作品利用微生物燃料電（Microbial fuel cells，MFCs）技術(shù)，先對(duì)城市污水進(jìn)行部分硝化處理，構(gòu)建單室型無(wú)質(zhì)子交換膜的MFCs污水處理系統(tǒng)，分別在陽(yáng)極附著去除還原性有機(jī)污染物的厭氧消化菌組成生物陽(yáng)極，陰極附著厭氧氨氧化菌和反硝化菌組成生物陰極，耦合陽(yáng)極氧化作用和陰極還原作用，通過(guò)污水中還原性有機(jī)污染物污染物在陽(yáng)極被氧化，產(chǎn)生的質(zhì)子、電子傳給陰極促進(jìn)硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮反硝化和厭氧氨氧化脫氮，實(shí)現(xiàn)污水中COD和含氮污染物同時(shí)、高效去除。

科學(xué)性、先進(jìn)性

微生物燃料電池（MFCs）是利用微生物作為催化劑氧化有機(jī)物或無(wú)機(jī)物產(chǎn)生電能的裝置, 在陽(yáng)極區(qū)由基質(zhì)氧化產(chǎn)生的電子傳遞給陽(yáng)極，經(jīng)連接有電阻或負(fù)載的導(dǎo)線流到陰極，再傳遞給陰極區(qū)的電子受體。目前，MFCs的研究主要集中在單一利用陽(yáng)極的氧化作用，并使用價(jià)格昂貴的質(zhì)子交換膜分割兩極。 相對(duì)于MFCs的產(chǎn)電能力，筆者認(rèn)為MFCs技術(shù)因具有反應(yīng)條件溫和、底物廣泛、清潔高效等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此在污水處理方面的運(yùn)用更值得深入研究。目前，MFCs技術(shù)在水處理上運(yùn)用仍主要集中在單獨(dú)利用某一極的氧化還原作用去除一種污染物，且采用質(zhì)子交換膜分隔陽(yáng)極室和陰極室，不僅增加了MFCs的使用成本，降低電池的產(chǎn)電能力和污水處理能力。 單室型結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極和陰極同處于一室，降低電池內(nèi)阻和傳質(zhì)阻力，產(chǎn)電性能明顯高于兩室型結(jié)構(gòu)的MFCs系統(tǒng)。因此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了單室型無(wú)質(zhì)子交換膜的MFCs污水處理系統(tǒng)，采用80目的不銹鋼網(wǎng)作為電極，通過(guò)馴化、培養(yǎng)厭氧消化菌和反硝化菌，耦合陽(yáng)極氧化和陰極還原過(guò)程，實(shí)現(xiàn)城市污水的協(xié)同、深度、高效處理。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

“無(wú)質(zhì)子交換膜微生物燃料電池污水處理系統(tǒng)的構(gòu)建”獲得大連民族學(xué)院2009-2010學(xué)年集中實(shí)踐環(huán)節(jié)優(yōu)秀學(xué)生作品三等獎(jiǎng)。

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無(wú)

作品可展示的形式

■實(shí)物、產(chǎn)品

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

該污水處理系統(tǒng)主要分以下幾個(gè)操作單元。 1、厭氧消化污泥和反硝化污泥的馴化、培養(yǎng) 2單室型無(wú)質(zhì)子交換膜的MFCs污水處理系統(tǒng)的構(gòu)建 3、污水處理效果的分析、考察 該污水處理技術(shù)與傳統(tǒng)污水處理技術(shù)相比具有工藝流程簡(jiǎn)單、所需設(shè)備較少、能耗成本低和污染物去除效率高等顯著優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)開發(fā)成功后，可用于賓館、居民小區(qū)等有機(jī)污染物和含氮污染物濃度相對(duì)較高，而廢水排放量相對(duì)較小場(chǎng)所污水的高效、深度處理。

同類課題研究水平概述

微生物燃料電池（MFCs）利用微生物作為催化劑氧化有機(jī)物或無(wú)機(jī)物產(chǎn)生電流的裝置, 在陽(yáng)極區(qū)由基質(zhì)氧化產(chǎn)生的電子傳遞給陽(yáng)極，經(jīng)連接有電阻或負(fù)載的導(dǎo)線流到陰極，再傳遞給陰極區(qū)的電子受體。 目前，對(duì)陽(yáng)極材料和產(chǎn)電微生物對(duì)電池性能的影響一直是MFCs技術(shù)的研究重點(diǎn)。在陰極大多采用高氧化還原電勢(shì)的化合物做為電子受體，使整個(gè)電池系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)完整的通路。MFCs可分為兩室型和一室型兩種。兩室型結(jié)構(gòu)MFCs大多類似H型，采用質(zhì)子交換膜（PEM）分隔兩極，在陰極室常采用氧氣、三氯化鐵或高錳酸鹽作為電子受體，由于陽(yáng)極和陰極間的距離較遠(yuǎn)，使得電池內(nèi)阻較大，降低了電池的產(chǎn)電性能；單室型結(jié)構(gòu)降低了電池內(nèi)阻和質(zhì)子傳遞阻力，產(chǎn)電性能明顯高于兩室型結(jié)構(gòu)的MFCs系統(tǒng)。 相對(duì)于MFCs的產(chǎn)電能力,其在污水處理上的應(yīng)用價(jià)值更值得深入研究?；贛FCs的特點(diǎn)和原理，對(duì)其在污水處理上的運(yùn)用開展了一系列的研究工作。顧荷炎等采用PEM分隔的雙室型MFCs系統(tǒng),以碳纖維氈為電極，分別以氮?dú)夂涂諝鈱?duì)陽(yáng)極和陰極室進(jìn)行曝氣，乙酸鈉作為為陽(yáng)極的被氧化底物，氯酚作為陰極被還原的底物，發(fā)現(xiàn)對(duì)氯酚具有良好的去除效果。梁鵬等構(gòu)建了質(zhì)子交換膜分隔的雙筒型MFCs系統(tǒng)，陽(yáng)極以醋酸鈉為電子供體，陰極以硝酸鈉為電子受體，研究結(jié)果表明該系統(tǒng)陰極具有明顯的反硝化脫氮能力。 上述的研究結(jié)果表明目前MFCs技術(shù)在水處理上運(yùn)用仍主要集中在單獨(dú)利用某一極的氧化還原作用去除一種污染物；且采用質(zhì)子交換膜分隔陽(yáng)極室和陰極室，不僅增加了MFCs的使用成本，還降低電池的產(chǎn)電能力。由于現(xiàn)有MFCs的電極運(yùn)用形式和效率單一，且使用價(jià)格昂貴的質(zhì)子交換膜分割陽(yáng)極室和陰極室，使MFCs的使用成本較高，其在污水處理上的運(yùn)用大受限制。 城市污水中既含有還原性污染物（COD類污染物和氨氮污染物），也含有氧化性污染物（硝酸鹽氮污染物），能否基于MFCs的原理，耦合陽(yáng)極氧化和陰極還原過(guò)程，構(gòu)建無(wú)質(zhì)子交換膜的MFCs污水處理系統(tǒng)，同時(shí)、高效、深度處理城市污水，是值得深入研究的科學(xué)問(wèn)題。因此，本作品設(shè)計(jì)了單室型無(wú)質(zhì)子交換膜的MFCs污水處理系統(tǒng)，采用80目的不銹鋼網(wǎng)作為電極，通過(guò)馴化、培養(yǎng)厭氧消化菌和反硝化菌，陽(yáng)極附著厭氧消化污泥、陰極附著反硝化污泥和厭氧氨氧化污泥，耦合陽(yáng)極氧化和陰極還原過(guò)程，實(shí)現(xiàn)城市污水的協(xié)同、深度、高效處理。
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