一种从废弃物和废水中提取还原能的生物电化学装置及方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103811791 A (43)申请公布日 2014.05.21 CN 103811791 A (21)申请号 201410042586.8 (22)申请日 2014.01.29 H01M 8/16(2006.01) C02F 3/28(2006.01) C02F 3/34(2006.01) (71)申请人 中国科学院成都生物研究所 地址 610041 四川省成都市武侯区人民南路 四段九号中国科学院成都生物研究所 (72)发明人 李大平 何晓红 (54) 发明名称 一种从废弃物和废水中提取还原能的生物电 化学装置及方法 (57) 摘要 本发明涉及一种从废弃物和废水中提。

2、取还原 能的生物电化学装置及方法。该装置包括作为反 应器的阳极室， 导电器壁、 隔膜、 阳极、 外电路， 以 及负载或外加电源， 导电器壁是反应器的阴极， 阴 极作为反应器主体结构或者作为独立阴极嵌入到 阳极室中。多个该装置可以并联或者串联做成集 成装置， 增加处理能力。 该装置可以工作在生物燃 料电池或生物电解池模式下， 或者两种方式交替 运行， 工作过程控制废水的 pH 值在 4 到 9 之间。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书6页 附图2页 (10)申请公布号 CN。

3、 103811791 A CN 103811791 A 1/1 页 2 1. 一种从废弃物和废水中提取还原能的生物电化学装置， 其特征在于， 所述装置包括 作为反应器的阳极室 （1） ， 导电器壁 （2） 、 隔膜 （3） 、 阳极 （5） 、 外电路， 以及负载 （6） 或外加电 源 （7） ； 所述导电器壁 （2） 是反应器的阴极， 阴极作为反应器主体结构或者作为独立阴极嵌 入到阳极室中。 2. 根据权利要求 1 所述的装置， 其特征在于， 当阴极作为反应器主体结构时， 形成密封 阳极室， 阴极外侧与外界环境空气接触， 阴极内侧与隔膜和阳极紧贴 ； 当阴极作为独立结构 嵌入到阳极室中时， 。

4、阴极内侧与流通的环境空气相通， 阴极外侧与隔膜和阳极紧贴， 整个阳 极室处于密封状态。 3. 根据权利要求 1 所述的装置， 其特征在于， 阳极室 （1） 设进水口 （9） 、 出水口 （10） 、 出 气口， 及与出气口连接的气体储罐 （8） 。 4. 根据权利要求 1 至 3 任一所述的装置， 其特征在于， 阴极采用导电的不锈钢、 铁、 铝、 铜、 铅金属导电材料或导电陶瓷制作 ; 其阳极 （5） 采用碳毡、 碳纸、 碳布、 无定型碳纤维或活 性炭制作。 5. 根据权利要求 1 至 3 任一所述的装置， 其特征在于， 阳极室 （1） 内填充活性炭颗粒、 无定型碳纤维、 不锈钢、 钛等金属丝。

5、网的一种或者多种填料构建三维阳极。 6. 根据权利要求 1 至 3 任一所述的装置， 其特征在于， 隔膜 （3） 采用无纺布或石棉纤维 或离子交换膜或合成纤维材料制作。 7. 根据权利要求 1 至 3 任一所述的装置， 其特征在于， 外加电源 （7） 采用稳压电源或恒 电位仪。 8. 根据权利要求 1 所述的装置， 其特征在于， 在外加电源 （7） 构成生物电解池模式下运 行时， 阴极外侧用绝缘材料与空气隔绝。 9. 一种从废弃物和废水中提取还原能的生物电化学集成装置， 其特征是包含两个或者 两个以上的权利要求 1 到 3 任一所述的装置， 并且多个装置之间是并联或者串联连接。 10. 根据权。

6、利要求 9 述的集成装置， 其特征在于， 所述导电器壁构建的反应器作为独立 阳极室， 共享一个与环境空气相通的开放阴极室。 11. 据权利要求 9 述的集成装置， 其特征在于， 与环境空气相通的嵌入式独立阴极室共 享一个阳极室。 12. 一种从废弃物和废水中提取还原能的生物电化学方法， 其特征在于， 利用权利要求 1、 2、 3、 9、 10、 11 任一种装置， 根据废弃物和废水的还原性物质组成不同， 首先在阳极附着相 应的微生物菌群， 然后， 装置在生物燃料电池或生物电解池模式下独立运行， 或者两种方式 交替运行， 其还原能来源于微生物参与废弃物和废水厌氧呼吸代谢。 13. 根据权利要求 。

7、12 所述的一种从废弃物和废水中提取还原能的生物电化学方法， 其 特征为在整个厌氧氧化过程中 pH 值控制在 4 到 9 之间。 14. 根据权利要求 12 所述的一种从废弃物和废水中提取还原能的生物电化学方 法， 其特征为在生物电解池模式下， 用稳压电源外加电势时， 阳极与阴极间的电势在 100mv-2000mv 之间 ； 采用恒电位仪外加电势时， 控制阳极电势在 -400mv+1200mv （VS.Ag/ AgCl） 之间。 权 利 要 求 书 CN 103811791 A 2 1/6 页 3 一种从废弃物和废水中提取还原能的生物电化学装置及方法 技术领域 0001 本发明属于废水资源化以。

8、及能源化利用技术领域， 具体涉及一种通过将废弃物和 废水厌氧氧化， 并将还原能用于产生负氧离子、 氢气和甲烷的生物电化学装置及方法。 技术背景 0002 工农业生产以及人民生活过程中， 都会排放大量的含各种有机、 无机还原性污染 物的废弃物和废水。这些废弃物与废水中都蕴藏大量的以还原态物质形式的还原能， 如来 自自然界的纤维素、 糖类、 脂类、 蛋白质、 以及工业加工过程的石油、 制药、 化工、 食品加工等 排放的各类有机污染物、 还包括氨氮、 硫化物等无机污染物。 这些废弃物、 废水中的还原能， 仅有部分生物质废弃物以及高浓度有机废水通过发酵产甲烷等生物质能源的形式回收。 绝 大多数废弃物、。

9、 废水主要通过终端处理手段， 即通过好氧氧化为二氧化碳、 水或无毒的氧化 态物质。 这些处理方法需要鼓风曝气、 生物转盘等提供大量氧气作为电子受体， 氧化废水中 的还原性物质， 供氧费用占到废水生物处理成本的一大半。 0003 随着能源的短缺， 以微生物燃料电池、 生物电解池为代表的生物电化学系统成为 了国际生物能源领域研究的热点。它可以通过微生物催化， 分解废弃物、 废水将电子传递 给电极， 以产电、 产氢、 有机物合成等方式回收其中的还原能。目前， 在产电微生物、 胞外电 子传递、 电池结构、 电极材料等研究领域已获得重大进展， 有机碳的电子回收率高达 96.8% （AEM， 2003， 。

10、69， 15481555） 。为了进一步减少能耗、 优化反应器结构， 以空气阴极为主 的单室生物燃料电池得到了学者们的重视， 中国公开专利 （200910153236.8） 描述了无金 属催化剂的空气阴极的制作方法， 可降低电池成本。中国公开专利 （200510079759.4） 与 （200810063876.5） 分别描述了空气阴极燃料电池结构及其在处理废水以及产电等方面的 应用。 但是空气阴极大多制作复杂、 需要载铂等贵金属催化剂以及质子交换膜等材料， 难于 制作大型电池结构。 0004 生物电解池已经大量被研究者用来进行电辅助生物产氢研究， 在阴极材料 研究方面， 在外加电势 0.6V。

11、 条件下， 不锈钢阴极产氢可以达到 1.7m3/m3.d（电流密度 188A/m3） （Environ.Sci.Technol.2009,43,21792183） 。 在 传 统 双 室 MEC 基 础 上， 单室无膜 MEC 产氢研究也取得大的进展， 在外加电势 0.8V 条件下， 单室无膜 MEC 产 氢速率达到 3.12m3/m3.d（电流密度达到 292A/m3） ， 电子回收率已达到 98%（Environ. Sci.Technol.2008,42,34013406） 。利用钛 / 钌合金的网板电极用于剩余活性污 泥生物电解， 在 1.4 和 1.8V 的外加电势下， 氢和甲烷的产率。

12、比未加电势的厌氧发酵 分 别 高 出 1.7-5.2 倍、 11.4-13.6 倍 （International Journal of Hydrogen Energy， 2013,38,1342-1347） 。 利用生物阴极的生物电化学系统还原二氧化碳来生产甲烷的研究已 有报道 （WO2009/155587A2） 。 该方法使用生物阴极作为催化剂， 无需氢气及有机物的添加便 可以合成甲烷。通过生物阳极与生物阴极偶联， 已经成功利用废水中硫化物的还原能来合 成乙酸 （EST， 2013,47,568-573） 。 0005 目前， 有关生物电解与生物电合成的研究大多停留在数毫升数百毫升的实验室 。

13、说 明 书 CN 103811791 A 3 2/6 页 4 规模。主要原因在于生物电化学系统基于传统的双室生物电解池的基本结构， 尽管近年来 在电池结构优化、 离子交换膜、 载铂电极催化等领域取得大的进展， 但由于膜的气体、 离子 渗透等缺陷， 致使生物电化学系统阴阳极室之间的反应过程受到相互干扰。 此外， 受制于离 子交换膜、 电极材料成本、 反应器结构强度、 以及能量转化效率的限制， 无论是 MFC 还是以 MEC 为基础的生物电化学系统都难于放大和规模化应用。 发明内容 0006 为了利用废弃物和废水中的还原能， 解决现有生物电化学装置由于结构、 材料限 制难于放大等问题， 本发明要解。

14、决的技术问题是提供一种提取废弃物、 废水还原能的生物 电化学装置， 通过该装置可将废弃物、 废水的厌氧氧化产生的还原能用于负氧离子、 氢气、 甲烷的合成， 实现废弃物、 废水的资源化与能源化利用。本发明可广泛应用于各类工业废 水、 生活废水、 重金属废水、 以及剩余污泥以及其他农业、 工业废弃物处理领域。 0007 为解决上述技术问题， 本发明采取了如下技术方案 ： 0008 本发明提供一种从废弃物和废水中提取还原能的生物电化学装置， 其特征在于， 所述装置包括作为反应器的阳极室 （1） ， 导电器壁 （2） 、 隔膜 （3） 、 阳极 （5） 、 外电路， 以及负 载 （6） 或外加电源 （。

15、7） ； 导电器壁 （2） 是反应器的阴极， 阴极作为反应器主体结构或者作为 独立阴极嵌入到阳极室中。 0009 进一步的， 作为导电器壁的阴极作为反应器主体结构时， 形成密封阳极室， 阴极外 侧与外界环境空气接触， 阴极内侧与隔膜和阳极紧贴 ； 当阴极作为独立结构嵌入到阳极室 （1） 中， 阴极内侧与流通的环境空气相通， 阴极外侧与隔膜和阳极紧贴， 整个阳极室处于密 封状态。阳极室 （1） 既可是圆柱形结构也可是矩形结构或任意构型， 独立结构的阴极可以 是管道或矩形结构或任意构型。 0010 进一步的， 可在阳极室 （1） 设进水口 （9） 、 出水口 （10） 和出气口， 及与出气口连接 。

16、的气体储罐 （8） 。 0011 进一步的， 可在隔膜 （3） 和阳极 （5） 之间设有阳极集流网 （4） , 采用但不限于不锈 钢、 钛、 合金等金属导电丝网材料。 0012 进一步的， 反应器的阴极， 采用但不限于导电的不锈钢、 铁、 铝、 铜、 铅等金属导电 材料、 导电陶瓷等导电材料制作 ； 其阳极 （5） 采用但不限于碳毡、 碳纸、 碳布、 无定型碳纤 维、 活性炭等碳素材料制作。 0013 进一步的， 其阳极室 （1） 内可填充但不限于活性炭颗粒、 无定型碳纤维、 不锈钢、 钛 等金属丝、 网等填料构建三维阳极。 0014 进一步的， 隔膜 （3） 采用但不限于无纺布、 石棉纤维、。

17、 离子交换膜、 合成纤维等材料 制作。 0015 进一步的， 外加电源 （7） 采用稳压电源或恒电位仪。 0016 进一步的， 在外加电源 （7） 构成生物电解池模式下运行时， 阴极外侧用绝缘材料与 空气隔绝。 0017 进一步的， 根据生物电化学装置的有效体积以及废弃物和废水的处理负荷， 1 个处 理工程可由两个到数百个生物电化学反应器串联或并联组合而成。 0018 进一步的， 两个到数百个生物电化学反应器串联或并联组合时， 导电器壁构建的 说 明 书 CN 103811791 A 4 3/6 页 5 反应器既可做独立阳极室， 共享一个与环境空气接触的阴极室 （参见附图 3） 。 0019 。

18、进一步的， 导电器壁构建的反应器也可作为独立阴极室， 其他材料构建的整体反 应器作为一个共享阳极室 （参见附图 4） 。 0020 本发明所述的生物电化学装置， 一台稳压电源或恒电位仪可为一个生物电化学反 应器外加电势， 也可通过并联连接方式为两个到数百个生物电化学反应器外加电势。 0021 本发明所述的生物电化学装置， 可通过搅拌器、 循环泵等设施对装置内进行循环 和搅拌。 0022 本发明所述的生物电化学装置的工作原理如下 ： 0023 装置在外电路连接负载 （6） 时， 运行在燃料电池模式下， 废水进入厌氧氧化反应 器 （阳极室） ， 阳极生物膜把废弃物和废水还原性污染物厌氧氧化分解产生。

19、的电子传递到阳 极， 并通过外电路把电子传递到导电器壁 （阴极） 外的环境空气中合成负氧离子。废弃物、 废 水中的还原性污染物经氧化后排出。 0024 装置在外电路连接外加电源 （7） 时， 运行在生物电解池模式下， 废水通过进水口进 入厌氧氧化反应器 （阳极室） ， 阳极生物膜菌群把废弃物和废水中的还原性污染物厌氧氧化 产生的电子传递到阳极， 一部分电子通过外电路把电子传递到导电器壁 （阴极） 外侧的环境 空气中合成负氧离子， 另一部分电子通过外电路以及导电器壁 （阴极） 传递到溶液中， 将阳 极迁移而来的质子还原为氢气、 或通过产甲烷菌群， 将电子 / 质子、 氢气、 CO2进一步合成为 。

20、甲烷， 气体储罐 （8） 可以用来储存产生的氢气或甲烷。废弃物、 废水中的还原性污染物经氧 化后排出。 0025 本发明还涉及一种从废弃物和废水中提取还原能的生物电化学方法， 其特征在 于， 利用上述本发明的装置将废弃物和废水厌氧氧化， 并将还原能用于产生负氧离子、 氢气 和甲烷的方法。根据废弃物和废水的还原性物质组成， 阳极室中阳极附着的厌氧氧化的微 生物菌群也不同， 微生物菌群包括但不限于异养微生物菌群、 自养微生物菌群等。 可以在生 物燃料电池或生物电解池模式下独立运行， 或者两种方式交替运行， 其还原能来源于微生 物参与废弃物和废水厌氧呼吸代谢。 0026 本 发 明 所 述 的 异 。

21、养 微 生 物 菌 群 包 括 但 不 限 于 Pseudomonas， klebsiella,Alcaligenes,Bacillus，Bacillus brevis，Aeromonas,Comamonas， Geobacter， Shewanella 等的一种或以上种类的任意组合。 0027 本发明所述的自养微生物菌群包括但不限于氨氧化菌群 Nitrosomonas, Nitrosococcus,Nitrosospira,Nitrosolobus,Nitrobacter,Nitrospira 中的细 菌 等 ； 自 养 硫 杆 菌 群 如 硫 杆 菌 属 的 Thiobacillus fe。

22、rrooxidans， Thiobacillus thiooxidans， Thiobacillusdenitrificans 等 ； 以 及 一 些 兼 性 自 养 的 微 生 物 菌 群 如 Pseudomonas,Sulfolobus 等中的一种或以上种类的任意组合。 0028 本 发 明 合 成 甲 烷 的 微 生 物 菌 群 包 括 但 不 限 于 Methanobacterium， Methanocorpusculum， Methanococcus， Geobacter， Methanobrevibacter， Methanosphaera， Methanomicrobium， M。

23、ethanoculleus， Methanosarcina 和 Methanococcoides 等中的一种或 以上种类的任意组合。 0029 进一步的， 阳极室废弃物和废水厌氧氧化过程中， 控制 pH 值在 4 到 9 之间。 0030 进一步的 , 用稳压电源外加电势时， 阳极与阴极间的电势在 100mv-2000mv 之间 ； 说 明 书 CN 103811791 A 5 4/6 页 6 采用恒电位仪外加电势时， 控制阳极电势在 -400mv+1200mv（VS.Ag/AgCl） 之间。一台稳 压电源或恒电位仪可为一个生物电合成反应器外加电势， 也可通过并联连接方式为两个至 数百个生物电。

24、合成反应器外加电势。 0031 与传统废水处理以及生物燃料电池、 生物电解池相比， 本发明具有如下优点 ： 0032 （1） 本发明提供的生物电化学反应器可将废弃物和废水中的还原能通过厌氧氧化 与电子传递等方式用于负氧离子、 氢气与甲烷的合成避免了还原能被氧气消耗， 实现了废 弃物、 废水还原能的资源化和能源化。 0033 （2） 本发明提供的生物电化学装置， 可有效解决中低浓度污染废水的还原能提取 难题， 在合成化学品的同时， 实现了废水的终端处理。 0034 （3） 本发明通过导电器壁 （阴极） 、 隔膜与阳极 （或阳极集流网） 构成一个生物电化 学反应器， 可保证阴极室的负氧离子合成不影。

25、响阳极室厌氧氧化过程。 0035 （4） 本发明在生物电解池模式下运行时， 可将阳极室内废弃物和废水厌氧氧化积 累的质子在阴极低于产氢电势下合成氢气和甲烷， 可有效改善传统生物电化学反应器阳极 室的质子积累以及低 pH 对微生物活性带来的抑制。 0036 （5） 本发明的生物电化学反应器阴极通过隔膜与阳极紧紧贴合在一起， 较现有生 物电解池具有更小的极距， 隔膜可采用价廉的无纺布、 石棉纤维等， 可大幅降低因使用离子 交换膜带来的材料费用。反应器主体结构由不锈钢等导电材料制作， 其结构强度可保证有 效放大。 附图说明 ： 0037 附图 1 ： 阴极作为反应器主体结构时的装置结构图 0038 。

26、附图 2 ： 阴极作为独立阴极嵌入阳极室中的装置结构图 0039 附图 3 ： 共享阴极室的多个装置串联或并联构成集成装置的结构图 0040 附图 4 ： 共享阴极室的多个装置串联或并联构成集成装置的结构图 0041 其中 ：（1） 阳极室 ；（2） 导电器壁 ；（3） 隔膜 ；（4） 阳极集流网 ；（5） 阳极 ；（6） 负载 ； （7） 外加电源，（8） 气体储罐，（9） 进水口，（10） 出水口。 具体实施方式 0042 下面结合实施例对本发明作进一步描述， 但不限于下列实施例。 0043 实施例 1 ： 阴极作为主体结构合成负氧离子、 氢气和甲烷的生物电化学装置 0044 以阴极作为主。

27、体结构， 构建提取废弃物和废水还原能用于合成负氧离子、 氢气和 甲烷的生物电化学装置， 它包括作为反应器的阳极室 1， 导电器壁 2、 隔膜 3、 阳极集流网 4 和阳极 5、 外加电源 7 或负载 6 以及外电路。阳极室 1 设进水口 9、 出水口 10 及出气口连接 的气体储罐 8。阳极室 1 密封， 用于废弃物和废水的厌氧氧化。阳极室由圆筒状的不锈钢 构建， 不锈钢器壁同时作为阴极， 阴极外侧与环境空气接触， 没有独立的阴极室。阴极内侧 与隔膜、 阳极集流网和阳极紧贴。阳极 5 采用碳毡构建， 阳极与阴极之间的隔膜 3 为无纺 布， 为了降低电阻， 采用不锈钢网作为阳极集流网 4， 当电。

28、化学装置以生物燃料电池模式运 行时， 采用负载 （6） ， 而以生物电解池模式运行时， 采用稳压电源或恒电位仪作为外加电源 （7） 。电源的选用依据废弃物和废水的水质特征与还原污染物的氧化还原电位。 （参见说明 说 明 书 CN 103811791 A 6 5/6 页 7 书附图 1） 0045 实施例 2 ： 独立阴极合成负氧离子、 氢气和甲烷生物电化学装置构建 0046 利用独立阴极来构建合成负氧离子、 氢气和甲烷的电化学装置， 包括作为反应器 的阳极室 1， 导电器壁 2、 隔膜 3、 阳极集流网 4 和阳极 5、 外加电源 7 或负载 6 以及外电路。 阳极室 1 设进水口 9、 出水。

29、口 10 及出气口连接的气体储罐 8。 （参见说明书附图 2） 0047 阳极室 1 采用工程塑料构建并密封。由不锈钢管制作的导电器壁 2 即阴极， 形成 独立的阴极室11。 阴极作为独立结构嵌入到阳极室中， 阴极内侧与流通的环境空气相通， 阴 极外侧与隔膜、 阳极集流网和阳极紧贴。阳极 5 采用碳毡， 阳极与阴极之间的隔膜 3 采用无 纺布， 为了降低电阻， 采用不锈钢网作为阳极集流网 4， 当电化学装置以生物燃料电池模式 运行时， 采用负载 （6） ， 而以生物电解池模式运行时， 采用稳压电源或恒电位仪作为外加电 源 （7） 。电源的选用依据废弃物和废水的水质特征与还原污染物的氧化还原电位。

30、。 0048 实施例 3 ： 共享阴极室的多个装置串联或并联构成集成装置 0049 如实施例1所述的装置， 将多个 （至少两个） 串联或并联组合， 不锈钢导电器壁构建 的反应器可做独立阳极室， 共享一个与环境空气相通的开放阴极室。 （参见说明书附图 3） 0050 实施例 4 ： 共享阳极室的多个装置串联或并联构成集成装置 0051 如实施例 2 所述的装置， 将多个 （至少两个） 与环境空气相通的独立阴极室嵌入阳 极室， 共享一个阳极室。 （参见说明书附图 4） 0052 实施例 5 ： 生物燃料电池模式下运行合成负氧离子 0053 （1） 装置的构建 0054 本实施例构建的生物电化学装置。

31、如说明书附图 1 所示， 主要包括一个废水厌氧氧 化反应器 （阳极室） 1， 该反应器为圆柱形反应器， 高 100mm、 外径 76mm、 壁厚 1mm， 总容积为 400mL， 阳极为碳毡 （筒状， 周长 19.5cm， 高 7cm， 表面积 136.5cm2） ； 阴阳极之间由无纺布隔 开， 采用钛丝连接阴极和阳极， 外电路连接电阻为100。 反应器上部由橡胶塞密封， 并设置 进水口、 出水口、 出气口 （带单向阀） ， 厌氧氧化反应器 （阳极室） 有效容积 300mL。采用蠕动 泵对厌氧氧化反应器内的溶液进行循环。 0055 （2） 电极生物膜驯化 0056 将装置中阳极碳毡放入一个独立。

32、运行的双室生物燃料电池阳极室中， 接种厌氧污 泥。阴极室内使用氧气作为最终电子受体。运行三天后， 配制合成有机废水 （1L 废水中含 有 ： 氯化铵 0.25g、 氯化钾 0.1g、 矿质元素溶液 10mL、 维生素溶液 10mL、 无水乙酸钠 1g、 二水 合磷酸二氢钠 3.04g、 十二水合磷酸氢二钠 10.92g） ， 加入阳极室内连续运行， 直到阳极电 势稳定维持在 -450 -480mV （vs.Ag/AgCl） ， 说明产电微生物菌群已经形成， 阳极碳毡生物 膜驯化成功， 再将碳毡置入图 1 的生物电化学装置中。 0057 （3） 装置的启动与运行 0058 将 300mL 上述配。

33、制有机废水充入图 1 的生物电化学装置厌氧氧化反应器 （阳极室） 1 内， 然后密封进水口， 阳极室控制 pH4-9 之间。定时采集水样分析废水 COD 降解情况， 视 COD降解情况定时更换新鲜废水， 厌氧氧化有机废水COD负荷达到0.2-0.4g COD/L.d后， 装 置启动完成。通过蠕动泵流速控制反应器进水容积负荷在 0.4-0.6gCOD/L.d 之间， 定时检 测出水 COD 含量， 装置稳定运行 60 天， 在此期间， 检测出水 COD 浓度在 30-60mg/L 之间。 0059 （4） 负氧离子的检测 说 明 书 CN 103811791 A 7 6/6 页 8 0060 负。

34、氧离子的检测在反应器批次运行环境下进行， 将加入 300ml 废水的生物电化学 装置置入到一个 29.8mm248mm428mm， 总容积 31L 的有机玻璃箱内。实验开始前采用 AIC-1000 空气离子计数器检测有机玻璃柜内的负氧离子， 通过曝气泵从进气口通气的方 式， 在出气口检测负氧离子， 然后密封进出气孔。 24h后从进气口通入新鲜空气， 检测出气口 空气中的负氧离子， 以出气口的初始检测数据作为有机玻璃柜内的负氧离子数据。 0061 结果表明， 在实验室空气相对湿度 50% 环境下， 室内空气负氧离子在 60-380 个 / cm3之间， 经过 24h 的反应器运行， 有机玻璃柜内。

35、空气负氧离子达到 2300-4800 个 /cm3。 0062 实施例 6 ： 生物电解池模式下运行合成氢气、 甲烷和负氧离子 0063 本实施例构建的生物电化学装置及方法流程、 配制有机废水与实施例 5 基本相 同， 不同的是将外电路连接的负载 （电阻） 换成稳压电源， 其中稳压电源正极接入生物电化 学装置厌氧反应器 （阳极室） 的阳极， 负极与反应器的导电不锈钢器壁连接， 反应器出气口 连接一个气体储罐。 0064 装置启动方式与实施例 5 完全相同， 结果表明， 在外加 400mv 的电势下， 生物电化 学装置 COD 降解负荷大幅上升。采用批次运行， 其 COD 降解负荷可达到 0.8。

36、-1.0g/L.d。按 照实施例 5 的方式进行负氧离子的检测， 在实验室空气相对湿度 50% 环境下， 室内空气负 氧离子在 80-420 个 /cm3之间， 经过 24h 的反应器运行， 有机玻璃柜内空气负氧离子达到 8000-20000 个 /cm3。 0065 从气体储罐内采集气体样品进行分析， 在运行前期， 气体样品中氢气浓度显著上 升， 体积分数占总体积的30%。 随着运行时间的增加， 甲烷浓度显著上升， 氢气浓度减少至完 全消失。在稳定运行期间， 每天收集含甲烷的发酵气体 80-100ml， 甲烷含量达到 60%。 0066 实施例 7 ： 生物电解池模式下运行合成甲烷 0067。

37、 本实施例构建的生物电化学装置及方法流程、 配制有机废水以及启动方式与实 施例 6 基本相同， 不同的是不锈钢阴极外侧包裹绝缘胶带与空气隔绝。结果表明， 在外加 400mv 电势下， COD 降解负荷达到 0.8-1.2g/L.d。稳定运行期间， 每天收集含甲烷的发酵气 体约 100-120ml， 甲烷含量达到 70%。 0068 本发明的一种从废弃物和废水中提取还原能的生物电化学装置和方法， 已经通过 具体的实例进行了描述， 本领域技术人员可借鉴本发明内容， 适当改变原料、 工艺条件等环 节来实现相应的其它目的， 其相关改变都没有脱离本发明的内容， 所有类似的替换和改动 对于本领域技术人员来说是显而易见的， 都被视为包括在本发明的范围之内。 说 明 书 CN 103811791 A 8 1/2 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103811791 A 9 2/2 页 10 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103811791 A 10 。