专利名称：用于小球藻培养的微生物燃料电池反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于小球藻培养的微生物燃料电池反应器，属于环境工程技术领域。
背景技术：
随着经济的发展、社会的进步和人口的不断增长，人类对能源的需求越来越大，全球性的能源危机日趋突出。小球藻是一种高效的光合植物，其体内富含油脂，可以生产生物柴油。因此现有技术涉及了各种培养小球藻的方法，而其中二氧化碳的提供是一个关键技术。特别在高密度的培养藻类的敞开式反应器中，低的二氧化碳含量导致低的小球藻生长速率，因此如何高效廉价的提供二氧化碳被认为是小球藻培养的关键技术之一。目前，水体沉积物有机质(底泥)含量明显升高，其原因一方面是水域初级生产力的提高，造成了内源有机质输入大量增加；另一方面是大量的有机物通过工业废水和生活污水的直接排放以及农用化学品的土壤渗漏、地表径流和大气沉降进入到水体中，加速了湖泊沉积物中有机质的富集。而有机质的富集是湖泊富营养化的重要促进因素，并在适宜的气象、水文条件下，产生生化反应，释放硫化物、甲烷和二甲基三硫等硫醚类物质，形成 “湖泛”，从而导致水体水质迅速恶化、生态系统受到严重破坏的现象。因此，在污染湖泊的治理和修复中，有效降低底泥中的有机质含量与减少和控制氮、磷营养盐的浓度具有同等重要的地位。现有技术采用疏浚的方法来去除的沉积物表面的0 10cm，使得每年全世界数以亿吨的沉积物被疏浚出，而这些疏浚出的沉积物会对环境造成二次污染，更重要的是这些疏浚出的沉积物中大量有机物没有得以利用。如果能利用富含有机物的沉积物来培养小球藻，将达到一举两得的目的。本发明的目的就是为小球藻的培养提供一种新的方法。
发明内容
针对现有技术的不足和缺陷，本发明的技术目的在于提出一种用于小球藻培养的微生物燃料电池反应器，以及利用该微生物燃料电池反应器来培养小球藻的方法。该装置及其方法既可达到生态修复的目的，又可高效廉价的培养小球藻。为实现本发明的技术目的，本发明的技术方案如下。一、一种用于小球藻培养的微生物燃料电池反应器，主要由装盛有水体沉积物的反应室、阴极、阳极、导线、电阻组成；其中反应室为顶部敞开其他面封闭的容器，且反应室里的水体分层为位于反应室下部的沉积物层和位于反应室上部的水体层；阴极设置于水体层中，阳极设置于沉积物层中，并通过导线将阴极、阳极以及电阻串联起来，且电阻介于阴极和阳极之间。进一步地，所述的反应室包括但不限于立方体容器、圆柱体容器。所述的阴极包括但不限于石墨、炭毡或者炭布。所述的阳极包括但不限于石墨、炭毡或者炭布。所述的电阻是可调电阻器。
所述的可调电阻器的电阻范围值10 1000欧姆。二、利用本发明所述的用于小球藻培养的微生物燃料电池反应器培养小球藻的方法，其包括以下步骤。A、微生物燃料电池反应器的安装设置
将水体沉积物盛入反应室中，静置后待水体层和沉积物层分层清晰后，将阳极置于沉积物层中，阴极置于水体层中；将阴极、阳极和电阻用导线串联连接，且电阻介于阴极和阳极之间。B、微生物燃料电池反应器的运行
将电阻值设定在10 1000欧姆之间，即自然开始反应器的运行，并控制反应器工作温度25 30°C范围值；5 7天阳极挂上生物膜后，测定水体层中二氧化碳的含量。其中，所述的水体中的二氧化碳的含量的测定方法是气相色谱法。C、加入小球藻培养
当水体层中有稳定的二氧化碳产生速率后，再加入小球藻，用微生物燃料电池氧化沉积物中的有机物到二氧化碳，从而用于小球藻的培养。其中，所述的小球藻的加入量是80 100 mg/L。所述的小球藻的培养条件是温度在25 30°C之间，培养时间15 20天，光暗周期16h:8h，光照强度2500 3000 ALUX0本发明的有益效果在于
(1)本发明与现有技术的不同及优势在于本发明主要是利用微生物燃料电池氧化沉积物中有机物产生的二氧化碳来培养小球藻，相比现有技术，水体中的二氧化碳浓度高，并且容易获得，并且在培养的过程中同时可以达到生态修复的作用。(2)本发明所述的微生物燃料装置结构简单，不需要太多的维护，建造和运行成本低；
(3)本发明所述的用于小球藻培养的微生物燃料电池反应器，其中电极作为微生物的电子受体来传递氧化有机物过程中产生的电子，从而加速了底物中有机物的去除。相比较传统的原位生物修复，其不需要投加电子受体或供氧剂，而是以电极作为电子受体，会抑制产甲烷微生物的活性，使得沉积物中的有机物在阳极产电菌的作用下被氧化成二氧化碳， 并释放到水体中。而位于水体中的小球藻可以利用此二氧化碳，达到培养扩增的目的。
图1本发明的结构示意图。其中，1-阳极；2-阴极；3-小球藻；4-电阻；5-导线；6-反应室。图2微生物燃料电池运行过程中电流随时间的变化情况。图3反应器中小球藻的生物量测定图。
具体实施例方式下面通过具体的实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。实施例1
本实施例说明本发明所述的用于小球藻培养的微生物燃料电池反应器的具体结构构造以及工作原理。参照附图1，本发明所述的用于小球藻培养的微生物燃料电池，主要由装盛有水体沉积物的反应室6、阴极2、阳极1、导线5、电阻4组成；其中反应室6为顶部敞开其他面封闭的容器，且反应室6里的水体分层为位于反应室下部的沉积物层和位于反应室上部的水体层；阴极2设置于水体层中，阳极1设置于沉积物层中，并通过导线5将阴极2、阳极1以及电阻4串联起来，且电阻4介于阴极2和阳极1之间。由于水中溶解氧浓度由浅至深，在阳极1附近形成厌氧区，沉积物层中含有多种厌氧细菌，可以将沉积物中的有机物分解，生成氢离子和电子，电子从阳极1经导线5流向阴极2，氢离子通过水体传递到阴极2。在阴极2附近氧气能和电子、氢离子生成水，在此过程中形成电流，同时沉积物中的有机物不断被氧化去除，并产生大量的二氧化碳，从而用于上层小球藻3的培养。并且阳极1和阴极2之间连接有电阻4，调节负载电阻，用于优化二氧化碳产生的速率，到达调控小球藻生长的作用。进一步地，所述的反应室包括但不限于立方体容器、圆柱体容器。所述的阴极包括但不限于石墨、炭毡、炭布。所述的阳极包括但不限于石墨、炭毡、炭布。所述的电阻是可调电阻器。所述的可调电阻器的电阻范围值10 1000欧姆。实施例2
本实施例说明利用本发明的微生物燃料电池反应器用于小球藻的培养方法。A、微生物燃料电池反应器的安装设置
将700 g水体沉积物(取自南京金川河)盛入反应室中，静置后待水体层和沉积物层分层清晰后，将阳极置于沉积物层中，阴极置于水体层中；将阴极、阳极和电阻用导线串联连接，且电阻介于阴极和阳极之间。B、微生物燃料电池反应器的运行
将电阻值设定在10 1000欧姆之间，即自然开始反应器的运行，并控制反应器工作温度25°C 30°C ；5 7天阳极挂上生物膜后，测定水体层中二氧化碳的含量。其中，所述的水体中的二氧化碳的含量的测定方法是气相色谱进行测定。C、加入小球藻培养
当水体层中有稳定的二氧化碳产生速率后，再加入小球藻，用微生物燃料电池氧化沉积物中的有机物到二氧化碳，从而用于小球藻的培养。其中，所述的小球藻的加入量是80 100 mg/L。所述的小球藻的培养条件是温度在25 30°C之间，培养时间在15 20天左右， 光暗周期16h:8h，光照强度2500 3000 ALUX0实施例3
本实施例运行两个反应器1和2，其中反应器1的阴极使用炭毡，阳极使用炭毡；反应器2的阴极使用炭毡，阳极使用炭毡。其中反应器2外接电阻为10欧姆，而反应器1为开路状态(不接电阻)作为对照。在25°C的工作环境中运行，经过7天的阳极挂膜后(图2)，测定出反应器2其输出电流稳定在30 mA/m2。在此过程中监测其产生的二氧化碳为5 mM，并且持续稳定。之后，在反应器1和反应器2中加入小球藻，光暗周期Wh:8h，光照强度3000ALUX，并继续运行15天后，测定各反应器小球藻的生物量并与其初始藻含量(80 mg/L)进行比较(图3)，发现反应器1的小球藻量增加不多，只有110 mg/L，而反应器2的小球藻量显著增加，达到了 370 mg/L。进一步说明了微生物燃料电池的加入，可以加速氧化沉积物中的有机物成为二氧化碳，从而有利于小球藻的生长。实施例4
本实施例的方法同实施例3，且反应器的阴极使用炭布，阳极使用石墨。仅改变条件如下。反应器2外接电阻为100欧姆。在30°C的工作环境中运行，经过5天的阳极挂膜后，测定出反应器2其输出电流稳定在18 mA/m2。在此过程中监测其产生的二氧化碳为4 mM,并且持续稳定。之后，在反应器2加入小球藻100 mg/L,光暗周期1 8h,光照强度2500 ALUX，并继续运行17天后，小球藻达到了 310 mg/L。实施例5
本实施例的方法同实施例3，且反应器的阴极使用石墨，阳极使用炭布。仅改变条件如下。反应器2外接电阻为1000欧姆。在的工作环境中运行，经过6天的阳极挂膜后，测定出反应器2其输出电流稳定在6 mA/m2。在此过程中监测其产生的二氧化碳为 2 mM，并且持续稳定。之后，在反应器2中加入小球藻90 mg/L，光暗周期16h: !，光照强度 2800 ALUX，并继续运行20天后，小球藻达到了 200 mg/L。
权利要求
1.一种用于小球藻培养的微生物燃料电池反应器，其特征在于主要由装盛有水体沉积物的反应室、阴极、阳极、导线、电阻组成；其中反应室为顶部敞开其他面封闭的容器，且反应室里的水体分层为位于反应室下部的沉积物层和位于反应室上部的水体层；阴极设置于水体层中，阳极设置于沉积物层中，并通过导线将阴极、阳极以及电阻串联起来，且电阻介于阴极和阳极之间。
2.根据权利要求1所述的用于小球藻培养的微生物燃料电池反应器，其特征在于所述的反应室选自立方体容器、圆柱体容器。
3.根据权利要求1所述的用于小球藻培养的微生物燃料电池反应器，其特征在于所述的阴极是石墨、炭毡或者炭布。
4.根据权利要求1所述的用于小球藻培养的微生物燃料电池反应器，其特征在于所述的阳极是石墨、炭毡或者炭布。
5.根据权利要求1所述的用于小球藻培养的微生物燃料电池反应器，其特征在于所述的电阻是可调电阻器。
6.根据权利要求5所述的用于小球藻培养的微生物燃料电池反应器，其特征在于所述的可调电阻器的电阻范围值10 1000欧姆。
7.利用权利要求1所述的用于小球藻培养的微生物燃料电池反应器培养小球藻的方法，其特征在于其包括以下步骤A、微生物燃料电池反应器的安装设置将水体沉积物盛入反应室中，静置后待水体层和沉积物层分层清晰后，将阳极置于沉积物层中，阴极置于水体层中；将阴极、阳极和电阻用导线串联连接，且电阻介于阴极和阳极之间；B、微生物燃料电池反应器的运行将电阻值设定在10 1000欧姆之间，即自然开始反应器的运行，并控制反应器工作温度25 30°C范围值；5 7天阳极挂上生物膜后，测定水体层中二氧化碳的含量；C、加入小球藻培养当水体层中有稳定的二氧化碳产生速率后，再加入小球藻，用微生物燃料电池氧化沉积物中的有机物到二氧化碳，从而用于小球藻的培养。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述的步骤B的水体中的二氧化碳的含量的测定方法是气相色谱法。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述的步骤C中小球藻的加入量是80 100 mg/L。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述的步骤C中小球藻的培养条件是温度在25 30°C之间，培养时间15 20天，光暗周期16h:8h，光照强度2500 3000 ALUX0
全文摘要
本发明涉及一种用于小球藻培养的微生物燃料电池反应器，属于环境工程技术领域。本发明的反应器主要由装盛有水体沉积物的反应室、阴极、阳极、导线、电阻组成；其中反应室为顶部敞开其他面封闭的容器，且反应室里的水体分层为位于反应室下部的沉积物层和位于反应室上部的水体层；阴极设置于水体层中，阳极设置于沉积物层中，并通过导线将阴极、阳极以及电阻串联起来，且电阻介于阴极和阳极之间。采用本发明的装置，可以在氧化水体沉积物中有机物的同时，制造可作为生产生物柴油基础材料的小球藻，达到能源和生产生物资源的双重效果，具有较大的社会价值和经济价值。
文档编号H01M8/02GK102437361SQ20111037482
公开日2012年5月2日 申请日期2011年11月23日 优先权日2011年11月23日
发明者吴夏芫, 周楚新, 宋天顺 申请人:南京工业大学