本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種疊加式微生物燃料電池原位測試系統(tǒng)及其應(yīng)用，所述的系統(tǒng)包括由至少一個陽極反應(yīng)模塊串聯(lián)疊加而成的陽極室、由至少一個陰極反應(yīng)模塊串聯(lián)疊加而成的陰極室、設(shè)置在陽極室與陰極室之間的質(zhì)子交換膜以及分別與陽極室、陰極室相連通的外接硝化反應(yīng)器，陽極室與陰極室一上一下可對調(diào)相對設(shè)置，并且陽極室與陰極室之間還設(shè)有外接可調(diào)電阻電路；本發(fā)明專利技術(shù)系統(tǒng)用于在同一電化學(xué)狀態(tài)下原位測定電極生物膜的特性參數(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明專利技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，將脫碳、硝化、反硝化功能分置為獨立單元，提高污染物去除效率，并易于根據(jù)污染物濃度及實際水量改變，整個系統(tǒng)密封性強，穩(wěn)固性好，運行穩(wěn)定，具有很好的開發(fā)運用前景。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于生物電化學(xué)
，涉及一種疊加式微生物燃料電池原位測試系統(tǒng)及其應(yīng)用。
技術(shù)介紹
微生物燃料電池(MFCs)由于其在污染物處理的同時可持續(xù)回收電能這一經(jīng)濟環(huán)保的特性，而吸引了越來越多的關(guān)注。在MFC中，陽極和陰極通過導(dǎo)電材料相連，有機質(zhì)在陽極室被產(chǎn)電微生物氧化，產(chǎn)生電子，電子被傳遞到陽極電極后通過外電路流至陰極，最終被陰極室中可還原化合物利用。MFC被應(yīng)用于廢水中各類有機物的去除已經(jīng)被廣泛報道。MFC不僅可以將有機物降解轉(zhuǎn)化為電能，而且還能利用如硝酸鹽和硫酸鹽等作為生物陰極的電子受體，進行還原反應(yīng)，這表明MFC具有利用自身產(chǎn)電特性進行污染物去除的可能，從而為低碳氮比污水提供可行的處理辦法。在研究生物陰極微生物電化學(xué)系統(tǒng)時，電極生物膜的參數(shù)及其表現(xiàn)出的電化學(xué)信號對于調(diào)控及優(yōu)化MFC處理實際廢水的性能十分重要。在大部分的研究中，研究者都借助電化學(xué)工作站系統(tǒng)，將配套電極插入MFC系統(tǒng)的電解質(zhì)中進行原位測試，可獲得系統(tǒng)的電化學(xué)數(shù)據(jù)，但都無法直接獲得生物膜內(nèi)部參數(shù)及其變化對系統(tǒng)整體性能的影響，而近年來發(fā)展較快的微電極為電極生物膜的研究提供了一種可以量化的測試方法，可被運用于電化學(xué)系統(tǒng)微生物環(huán)境的研究。但由于傳統(tǒng)的微生物燃料電池為了減少電極平板之間的距離，而將陽極與陰極電極生物膜豎直平行放置，難以將微電極插入生物膜內(nèi)部，而采用上下型電極室形式的微生物燃料電池只能測試上極室內(nèi)生物膜的參數(shù)，難以獲得同一電化學(xué)狀態(tài)下陽極及陰極電極生物膜的參數(shù)，難以將兩電極的測試數(shù)據(jù)進行耦合。目前，研究人員也在一直尋找有效方法，用以提高陰極反硝化生物膜對于陽極產(chǎn)電生物膜所產(chǎn)電子的利用效率，試圖建立不同電極生物膜膜內(nèi)參數(shù)變化的相關(guān)關(guān)系，但電極生物膜的厚度通常在幾十微米到幾毫米左右，普通的電化學(xué)測試手段難以對其內(nèi)外微環(huán)境進行表征和分析，而微電極作為一種微創(chuàng)的測試手段，使在空間上微米級的分析成為可能，而被逐漸運用廣泛。它不但能夠表征生物膜內(nèi)外沿深度與生物膜表面相垂直方向特征參數(shù)的梯度分布情況和膜內(nèi)部某深度上特征參數(shù)的變化情況，而且通過溶解氧電極的使用，可以直接測定生物膜的厚度。此外，由于傳統(tǒng)微生物燃料電池容積固定，無法根據(jù)實驗條件的變化(進水流量、污染物濃度)做出相應(yīng)的調(diào)整，也限制了微生物燃料電池的性能測試及實際應(yīng)用。運用微生物燃料電池處理高氨氮廢水的相關(guān)技術(shù)已有出現(xiàn)。例如，授權(quán)公告號為CN102290590B的中國專利公開了一種生物陰極型微生物燃料電池，包括陽極室和陰極室，所述陰極室包括好氧陰極室和缺氧陰極室；所述陽極室、好氧陰極室和缺氧陰極室內(nèi)均設(shè)有填料，所述填料上均負載產(chǎn)電微生物膜，所述陽極室內(nèi)為厭氧產(chǎn)電微生物膜，所述好氧陰極室內(nèi)為好氧產(chǎn)電微生物膜，所述缺氧陰極室內(nèi)為缺氧產(chǎn)電微生物膜；所述陽極室與所述好氧陰極室之間設(shè)有陽離子交換膜；所述陽極室與所述缺氧陰極室之間設(shè)有陰離子交換膜；所述陽離子交換膜與所述陰離子交換膜的兩側(cè)均設(shè)有集電金屬網(wǎng)；所述集電金屬網(wǎng)的兩端分別通過導(dǎo)線相連通，所述導(dǎo)線上設(shè)有負載；所述好氧陰極室的底部設(shè)有曝氣裝置。上述專利的技術(shù)方案是將陰極分為兩部分，上部分進行好氧硝化作用，下部分進行缺氧反硝化作用，雖能對含氮廢水取得比較好的處理效果，但由于硝化與反硝化并不是獨立分置，因此，污染物去除效率不夠高，而且不易根據(jù)實際工況條件改變陰陽極室的體積，使用范圍有限。另，授權(quán)公告號為CN103326053B的中國專利公開了一種研究微生物電化學(xué)的多電極微生物燃料電池系統(tǒng)，由基質(zhì)儲藏罐、蠕動泵；筒式微生物燃料電池、陽極電極、陰極電極、數(shù)據(jù)采集卡、負載電阻、數(shù)據(jù)記錄和分析儀、三電極系統(tǒng)和電化學(xué)工作站組成；所述筒式微生物燃料電池包括筒式殼體、殼體內(nèi)的陽極室、陰極室及質(zhì)子交換膜；電化學(xué)測試時，直接將陽極電極作為工作電極構(gòu)成三電極體系，利用電化學(xué)工作站進行分析。上述專利的技術(shù)方案側(cè)重于調(diào)整反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，以便于采用三電極系統(tǒng)連接電化學(xué)工作站測試研究電池產(chǎn)電性能，但無法在該構(gòu)型下將微電極插入同一生長狀態(tài)下陽極及陰極生物膜，進行生物膜內(nèi)部性質(zhì)的測試，且該構(gòu)型進行生物樣的取樣分析也具有一定操作難度。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種能利用微電極在同一電化學(xué)狀態(tài)下原位測試陽極和陰極生物膜，同時可以根據(jù)廢水量和污染物濃度變化需求靈活改變陰、陽極室體積的疊加式微生物燃料電池原位測試系統(tǒng)及其應(yīng)用。本專利技術(shù)的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種疊加式微生物燃料電池原位測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括由至少一個陽極反應(yīng)模塊串聯(lián)疊加而成的陽極室、由至少一個陰極反應(yīng)模塊串聯(lián)疊加而成的陰極室、設(shè)置在陽極室與陰極室之間的質(zhì)子交換膜以及分別與陽極室、陰極室相連通的外接硝化反應(yīng)器，所述的陽極室與陰極室一上一下可對調(diào)相對設(shè)置，并且所述的陽極室與陰極室之間還設(shè)有外接可調(diào)電阻電路。所述的陽極反應(yīng)模塊包括陽極反應(yīng)腔室以及水平設(shè)置在陽極反應(yīng)腔室中的陽極生物膜，并且相鄰兩陽極反應(yīng)腔室中的陽極生物膜通過電路串聯(lián)設(shè)置；所述的陰極反應(yīng)模塊包括陰極反應(yīng)腔室以及水平設(shè)置在陰極反應(yīng)腔室中的陰極生物膜，并且相鄰兩陰極反應(yīng)腔室中的陰極生物膜通過電路串聯(lián)設(shè)置。所述的質(zhì)子交換膜兩側(cè)的陽極生物膜與陰極生物膜通過外接可調(diào)電阻電路相連接。所述的陽極生物膜由陽極碳布以及負載在陽極碳布上的厭氧產(chǎn)電微生物構(gòu)成；所述的陰極生物膜由陰極碳布以及負載在陰極碳布上的缺氧產(chǎn)電微生物構(gòu)成。所述的陽極碳布、陰極碳布均作為電極材料使用，其具有穩(wěn)定性好、表面平整，便于進行生物膜膜內(nèi)參數(shù)測試的優(yōu)點。所述的厭氧產(chǎn)電微生物為污水處理廠厭氧池污泥馴化得到，所述的缺氧產(chǎn)電微生物為污水處理廠缺氧池污泥馴化得到。所述的陽極室與陰極室一上一下相對設(shè)置時，所述的陽極室頂端還設(shè)有微電極及參比電極，并且所述的微電極的底端與陽極生物膜相接觸；所述的陰極室與陽極室一上一下相對設(shè)置時，所述的陰極室頂端還設(shè)有微電極及參比電極，并且所述的微電極的底端與陰極生物膜相接觸。所述的陽極室設(shè)有向陽極室注入廢水的第一進水管以及將陽極室的流出液導(dǎo)入外接硝化反應(yīng)器的第一出水管，并且所述的第一出水管上設(shè)有外接蠕動泵；所述的陰極室設(shè)有將外接硝化反應(yīng)器的流出液導(dǎo)入陰極室的第二進水管以及將陰極室處理液排出的第二出水管。所述的陽極室還設(shè)有陽極蠕動泵，所述的廢水通過陽極蠕動泵在陽極室中循環(huán)流動；所述的陰極室還設(shè)有陰極蠕動泵，所述的外接硝化反應(yīng)器的流出液進入陰極...
【技術(shù)保護點】
一種疊加式微生物燃料電池原位測試系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括由至少一個陽極反應(yīng)模塊串聯(lián)疊加而成的陽極室(1)、由至少一個陰極反應(yīng)模塊串聯(lián)疊加而成的陰極室(2)、設(shè)置在陽極室(1)與陰極室(2)之間的質(zhì)子交換膜(3)以及分別與陽極室(1)、陰極室(2)相連通的外接硝化反應(yīng)器(4)，所述的陽極室(1)與陰極室(2)一上一下可對調(diào)相對設(shè)置，并且所述的陽極室(1)與陰極室(2)之間還設(shè)有外接可調(diào)電阻電路(5)。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種疊加式微生物燃料電池原位測試系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括由至
少一個陽極反應(yīng)模塊串聯(lián)疊加而成的陽極室(1)、由至少一個陰極反應(yīng)模塊串聯(lián)疊
加而成的陰極室(2)、設(shè)置在陽極室(1)與陰極室(2)之間的質(zhì)子交換膜(3)
以及分別與陽極室(1)、陰極室(2)相連通的外接硝化反應(yīng)器(4)，所述的陽極
室(1)與陰極室(2)一上一下可對調(diào)相對設(shè)置，并且所述的陽極室(1)與陰極
室(2)之間還設(shè)有外接可調(diào)電阻電路(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種疊加式微生物燃料電池原位測試系統(tǒng)，其特征
在于，
所述的陽極反應(yīng)模塊包括陽極反應(yīng)腔室(11)以及水平設(shè)置在陽極反應(yīng)腔室
(11)中的陽極生物膜(12)，并且相鄰兩陽極反應(yīng)腔室(11)中的陽極生物膜(12)
通過電路串聯(lián)設(shè)置；
所述的陰極反應(yīng)模塊包括陰極反應(yīng)腔室(21)以及水平設(shè)置在陰極反應(yīng)腔室
(21)中的陰極生物膜(22)，并且相鄰兩陰極反應(yīng)腔室(21)中的陰極生物膜(22)
通過電路串聯(lián)設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種疊加式微生物燃料電池原位測試系統(tǒng)，其特征
在于，所述的質(zhì)子交換膜(3)兩側(cè)的陽極生物膜(12)與陰極生物膜(22)通過
外接可調(diào)電阻電路(5)相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種疊加式微生物燃料電池原位測試系統(tǒng)，其特征
在于，
所述的陽極生物膜(12)由陽極碳布以及負載在陽極碳布上的厭氧產(chǎn)電微生物
構(gòu)成；
所述的陰極生物膜(22)由陰極碳布以及負載在陰極碳布上的缺氧產(chǎn)電微生物
構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種疊加式微生物燃料電池原位測試系統(tǒng)，其特征
在于，
所述的陽極室(1)與陰極室(2)一上一下相對設(shè)置時，所述的陽極室(1)
頂端還設(shè)有微電極(6)...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王榮昌，姚佳斌，周欣逸，
申請(專利權(quán))人：同濟大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：上海;31
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