专利名称：一种微生物燃料电池与微藻培养相结合处理有机废水的方法及其专用装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种废水处理技术，具体的说一种微生物燃料电池与微藻培养相结合处理有机废水的方法及其专用装置。
背景技术：
全球每年产生大量的有机废水，传统的废水生物处理过程不仅需要消耗大量的能量，而且产生大量的污泥，而对污泥的处理费用也很高。因而需要开发效率高和成本低的替代技术。与此同时，能源短缺也是制约21世纪人类发展的主要瓶颈。因此开发经济、高效的新型能源势在必行，其中生物新能源是主要研究热点之一。微生物燃料电池(Microbialfuel ce 11, MFC)是以微生物为催化剂氧化有机物并产生电流的装置。MFC克服了传统废水生物处理过程的缺点，是一种新兴的废水处理和同步产电的废水生物处理新技术。MFC技术相对传统的废水生物处理工艺有许多优点，其中最大的优势是在处理废水的同时可以获得 电能，从而可抵消废水处理厂的部分运行成本。此外，微生物燃料电池能使活性污泥法处理废水过程中因曝气而消耗的电量减半，并使产生的污泥量减小50-90%。目前，MFC已应用于各种废水的处理同时产电，包括生活废水和工业废水。MFC对废水中的有机物(浓度以化学需氧量Chemical Oxygen Demand表示,COD)具有很好的去除效果,利用MFC可以将废水中80-99%的有机物去除。虽然MFC对废水中的COD具有很好的去除效果，但是对氮及磷的去除效果却不佳。为了提高氮的去除率，将MFC与其它除氮方法相结合开发了许多联合系统。虽然这些系统可以提高氮的去除率，但存在氮去除不完全或系统过于复杂不易于放大等不足，且不关注磷的去除。MFC处理后的废水中含有许多的氮、磷及其它营养成分，不能满足相关排放标准。与此同时，许多研究表明微藻对污水处理厂二沉溢流污水中的氮和磷具有很好的去除效果，并可获得生物质。但目前微藻还无法直接利用生活污水。因为生活污水中的固体颗粒物和固体悬浮物较多，致使污水的透光率很低。因此在使用之前必须通过过滤等方法去除污水中的固体颗粒物和固体悬浮物以提高透光率，这一过程不仅耗能且效率低。同时生活污水中存在的有机物浓度较高，有利于细菌的生长，而细菌的大量生长繁殖又不利于、甚至抑制微藻生长。
发明内容
本发明目的在于一种微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的方法及其专
田悲晉
/Tl 目.ο为实现上述目的，本发明采用的技术方案—种微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的方法，废水先经微生物燃料电池去除有机物、氮及磷的同时产生电能，然后将微生物燃料电池处理后的废水引入光生物反应器中培养微藻，利用微藻进一步连续处理，直至处理后废水符合排放标准。
所述微生物燃料电池与微藻培养相结合处理有机废水可采用分体式结构或一体式结构。所述微生物燃料电池与微藻培养相结合处理有机废水采用微生物燃料电池与光生物反应器两个独立反应器相互耦合形成分体式结构，废水经微生物燃料电池的经阳极室后直接流入阴极室并连续转入光生物反应器内直至将废水处理到符合达标。所述微生物燃料电池与微藻培养相结合处理有机废水将微生物燃料电池的阴极作为光生物反应，使废水经微生物燃料电池阳极室后直接流入作为光生物反应的阴极室连续直至将废水处理到符合达标。所述微生物燃料电池的阳极和阴极电极可采用碳布、颗粒石墨、网状玻璃碳、颗粒活性炭、碳纤维刷、钼或不锈钢。所述处理的废水为生活污水、食品加工废水、淀粉加工废水或啤酒废水 微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的专用装置，专用装置包括阴极室和阳极室，所述阴极室与阳极室之间设有交换膜，所述阴极室为光反应器或通过出水口外接光反应器。所述阳极室同轴设于阴极室内。所述阳极室同轴设于阴极室底部。所述交换膜可为玻璃棉层与玻璃珠层组合的交换膜或离子交换膜。本发明微生物燃料电池包括交换膜、阳极室和阴极室和外电路四部分，其各部分的连接方式可按照现有技术常规的方式连接；进而得到本发明微生物燃料电池与光反应器两个单独单元通过连接有泵的管道耦合连接，或是将微生物燃料电池与光反应器的阴极室作为光反应器一体式结构进行连续处理废水；微生物燃料电池阳极室内添加有现有技术中能够降解废水的电化学活性微生物，光反应器添加有微藻；微生物燃料电池中的交换膜可采用阳离子交换膜、阴离子交换膜、微滤膜、纳滤膜或双极膜将阳极室与阴极室隔开，阳极室内添加的电化学活性微生物能够代谢利用污水中的有机物产生二氧化碳、质子和电子，而产生的质子和电子迁移到阴极后与氧结合生成水，并产生电流，从而达到去除有机污染物和产电的目的；光反应器添加的微藻为普生小球藻、莱茵衣藻、斜生栅藻、小球藻Chlorella fusca、蛋白核小球藻或卵配衣藻，在光照的情况下微藻利用污水中氮和磷合成新的微藻生物质，从而达到去除污水中氮和磷的目的。本发明作用原理首先，将污水输入到微生物的阳极室，阳极室中的电化学微生物代谢利用污水中的有机物产生二氧化碳、质子和电子，而产生的质子和电子迁移到阴极后与氧结合生成水，并产生电流，从而达到去除有机污染物和产电的目的。同时微生物燃料电池阳极室的其它微生物会利用污水中的有机物、氮和磷等营养物质合成新的细胞生物质，从而能去除污水中的部分氮和磷。然后，将阳极室出水直接作为好氧阴极室的底物，可以利用阴极室内生长的异养微生物将污水中生物降解慢的有机物进一步水解和氧化，从而可以提高COD的去除率。此外，还可以利用阴极室中的硝化细菌将NH4+-N氧化为硝酸盐，同时在阴极室生长的微生物可以利用氮磷和其它营养物质合成新的生物质，从而提高氮和磷的去除率。最后，再将微生物燃料电池阴极室出水(或微生物燃料电池阳极室出水)连续不断地用泵输入到柱状光合生物反应器中培养微藻，在光照的情况下微藻利用污水中氮和磷合成新的微藻生物质，进一步去除微生物燃料电池处理后的污水中残留的氮和磷，在提高废水处理效果的同时获得微藻生物质。
本发明所具有的优点
I.本发明采用的阳、阴极室连续流结构的MFC不仅增加了质子的传递速率，同时可以形成生物催化阴极，从而提高了电池的功率输出。此外，由于阳、阴极连续流型微生物燃料电池的阴极过程作为一个额外的好氧处理步骤，进一步提高了污染物的去除率；2.本发明光反应器单元中的微藻可以进一步去除MFC处理后的废水中残留的磷和氮，提高了废水处理效果，同时可以获得生物质。3.本发明处理方法不仅提高了废水处理效果，而且获得的电能和生物质能可以补偿废水处理的成本，实现了废物资源化，为有效处理有机废水提供了新途径，对节能减排和保护环境都具有重要的意义。4.经本发明方法处理后废水中C0D、氨态氮和总磷浓度分别小于50mg/L、0. 45mg/L及O. 34mg/L,其浓度都达到了国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中COD、氨态氮和总磷的一级排放标准。
图I为本发明实施例I提供的微生物燃料电池与光生物反应器分体式耦合系统结构纵向剖面示意图。图2为本发明实施例I提供的在耦合系统各个处理环节中待处理废水的C0D、总磷及氨态氮的浓度效果图。图3为本发明实施例I提供的在耦合系统各个处理环节中待处理废水的C0D、总磷及氨态氮的去除率的效果图。图4为本发明实施例2提供的微生物燃料电池与光生物反应器一体耦合系统结构示意图。图5为本发明实施例3提供的微生物燃料电池与光生物反应器一体耦合系统结构纵向剖面示意图。
具体实施例方式微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的方式I)设计并优化微生物燃料电池结构。传统的微生物燃料电池只有阳极室对废水起处理作用，废水处理效果差，且受质子传递速率的影响功率输出低。为提高质子传递速率及废水处理效果，需对微生物燃料电池的结构进行优化设计。2)利用设计好的微生物燃料电池对有机废水进行处理。有机废水经氮气曝气除氧或在密闭容器中停留一段时间后，注入到MFC的阳极室，同时阴极室鼓空气曝气。MFC能将废水中绝大部分有机物、部分磷及氮去除的同时获得电能，同时去除废水中绝大部分的固体悬浮物，提高了废水的透光率；3)利用微生物燃料电池的出水培养微藻。将MFC处理后的废水连续不断地通过泵引入到光生物反应器中，并加入从废水处理厂获得的微藻藻种，通入二氧化碳(气体组成为CO2与N2)进行培养。4)生物质回收。通过离心方式回收生物质，同时可以防止微藻沉淀后释放其吸收的氮和磷；实施例I
微生物燃料电池与光生物反应器分体式耦合系统结构本发明微生物燃料电池使用阳、阴极室连续流双筒型结构(参见图I)，主要包括泵I、阳极室进水口 2、圆形曝气管3、圆筒型阳极室4、阳极电极5、不锈钢圆筒6、阳离子交换膜7、阴极电极8、圆筒型阴极室9、盖子10和电阻11。微生物燃料电池与光生物反应器分体式耦合系统结构所述圆筒型阳极室4同轴设于圆筒型阴极室9内，圆筒型阳极室4和圆筒型阴极室9通过阳离子交换膜7分隔，圆筒型阳极室4内设置有阳极电极5，圆筒型阴极室9内设置有阴极电极8，圆筒型阳极室4外设计的圆筒型阴极室9内4个阴极电极8与阳极电极5透过盖子10上的空洞通过导线与设置在阴极室9外部的外电阻11相连，圆筒型阳极室4底部设有进水口 2并通过管路与泵I相通，圆筒型阴极室8底部设有多个曝气管3，并在圆筒型阴极室9侧壁下部设有出水口并通过管路与光反应器13近水口相通，光反应器13与圆筒型阴极室9侧壁的出水口间设有第一泵12。所述盖子10上分别开有直径为12mm和6mm的圆孔。双筒型MFC是
由内径为8. 0cm、长为55cm的圆筒形聚甲基丙烯酸甲酯管的一端密封而成。不锈钢圆筒4 (03.8cmx5Ocm),其壁上均匀钻03mm的圆孔，孔间距为2mm，两端由顶盖和底座密
封，并留有进出水口。阳离子交换膜7用环氧树脂粘结成一个圆柱形结构，紧套在不锈钢圆筒6外壁，并将圆柱形反应器分为圆筒型阳极室4和圆筒型阴极室9两部分。阳极电极和阴极电极都为碳纤维刷。阳极电极5 ( 03.5cmx4.8cm )被放置在反应器的中心。4个阴极
电极8 ( 02.Ocm><5Ocm )以同心状均匀分布在阳极室的四周，以减小阴、阳极电极间的间距和内阻(参见图I)。微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的方法阳极室内添加有污水、水底沉积物、污水处理厂的活性污泥或厌氧污泥，光生物反应器内径7cm、高40cm、有效液体体积为850mL的有机玻璃圆柱，并加入普生小球藻、莱茵衣藻、斜生栅藻、小球藻chlorella fusca、蛋白核小球藻或卵配衣藻进行培养。培养微藻藻种的培养温度为25°C、光照强度为136. 6 μ mo I IrT2s'通气速率为O. lvvm、24h连续光照和通气。废水处理过程将生活污水(COD 321mg/L,总磷4. 28mg/L,氨态氮53. 2mg/L)以
O.29mL/min的流量通过进水口泵入微生物燃料电池的阳极室内，经氮气曝气除氧后，同时阴极室以90mL/min的流量鼓空气。微生物燃料电池产生的最大功率密度为20. 34W/m3(相对阳极室体积)。微生物燃料电池和光反应器耦合系统连续处理废水分过程如下首先，将需处理的污水由泵输入到微生物燃料电池的圆筒型阳极室4，圆筒型阳极室4中的电化学微生物代谢利用污水中的有机物产生二氧化碳、质子和电子，而产生的质子和电子迁移到阴极后与氧结合生成水，并产生电流，从而达到去除绝大部分有机污染物和产电的目的。同时微生物燃料电池圆筒型阳极室4中的其它微生物会利用污水中的有机物、氮和磷等营养物质合成新的细胞生物质，从而能去除污水中的部分氮和磷。然后，将圆筒型阳极室4的出水直接输入到好氧圆筒型阴极室9，可以利用圆筒型阴极室9内生长的异养微生物将污水中生物降解慢的有机物进一步水解和氧化，从而进一步去除有机污染物。此外，还可以利用圆筒型阴极室9中的硝化细菌将NH4+-N氧化为硝酸盐，同时在圆筒型阴极室9生长的微生物可以利用氮磷和其它营养物质合成新的生物质，从而进一步去除氮和磷。最后，再将微生物燃料电池圆筒型阴极室9的出水(或微生物燃料电池阳极室出水)连续不断地用泵12输入到柱状光合生物反应器13中培养微藻，在光照的情况下微藻利用污水中氮和磷合成新的微藻生物质，进一步去除微生物燃料电池处理后的污水中残留的氮和磷，在提高废水处理效果的同时获得微藻生物质。由图2，待测废水C0D、总磷及氨态氮在微生物燃料电池阳极室的去除率分别为74. 8 ± I. 7 %、53. 5 ± I. I %及61. 8 ±O. 6 %。污水经微生物燃料电池阴极室进一步处理后，C0D、总磷及氨态氮的总去除率分别为84. 6 ± I. I %、58. 4± 2. 3 %及90. 8 ±O. 5 %，且COD浓度小于50mg/L(参照图3)，达到了国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中COD的一级排放标准(50mg/L)。如图3，MFC处理后的污水中残留的氨态氮和总磷经微藻处理后其浓度分别由光生物反应器进水中的4. 87mg/L和I. 78mg/L减小到O. 45mg/L和O. 34mg/L,光生物反应器中微藻对氨态氮和总磷的去除分别占污水中氨态氮和总磷总去除率的8. 3%和33. 8%(图2)。污水中氨态氮和总磷经微生物燃料电池和微藻联合处理后，其总去除率分别为99. 2±0. 3%和92. 1±0. 3%，而污水中氨态氮和总磷浓度都达到了国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中氨态氮和总磷的一级排放标准。将上述经光反应器处理后所得生物质通过离心方式回收生物质，同时可以防止微藻沉淀后释放其吸收的氮和磷。实施例2与实施例I不同之处在于，所述微生物燃料电池与光生物反应器为一体耦合系统结构即将上述微生物燃料电池的圆筒型阴极室9直接作为光生物反应器，使微生物燃料电池和光生物反应器成为一体(如图4所示)。污水由泵I从阳极室进水口 2的输入，经由圆筒型阳极室4的顶端流入光生物反应器(阴极室9)，然后再经作为光生物反应器的阴极室9的底部侧面的出水口流出。在微生物燃料电池的运行时，通常需在阴极室鼓空气为阴极反应提供足够的氧化剂(氧气)，而在微藻培养时需通CO2为微藻的生长提供足够的碳源，两者都需要消耗能源，且两种气体的利用率都较低。将微生物燃料电池的阴极室直接作为光生物反应器后，微生物燃料电池阳极微生物代谢有机物产生的CO2进入阴极室(又是光生物反应器)后可直接作为微藻生长的碳源，而微藻通过光合作用产生的氧气(此时氧的浓度比鼓空气时氧的浓度高的多)可直接作为微生物燃料电池的阴极反应的氧化剂。从而可实现0)2和02的内部循环，既降低了整个系统运行时的能耗、提高了微生物燃料电池的电能输出，又促进微藻的生长，进而提高生物量。实施例3 与实施例I不同之处在于，所述上流型无膜微生物燃料电池与光生物反应器为一体耦合系统结构本发明中使用的阳-阴极室连续流上流型微生物燃料电池主要由有机玻璃(PMMA)加工而成(如图5所示)，主要包括泵I、阳极室进水口 2、圆筒型阳极室4、阳极电极5、穿孔有机玻璃板14、玻璃棉15、玻璃珠层16、圆形曝气管3、阴极电极8、圆筒型阴极室9(光生物反应器)、负载11、阳极室取样口 13。上流型无膜微生物燃料电池是由内径为8. 0cm、长为65cm的圆筒形PMMA管的一端密封而成，燃料电池阴极室(高31cm)与阳极室(高24cm)之间由下至上依次为穿孔有机玻璃板14、玻璃棉层15和玻璃珠层16,阳极室同轴设于阴极室底部,并将阴极室作为光反应器。玻璃棉层15 (厚4cm)和玻璃珠层16 (厚4cm)依次被放置在圆筒型阳极室3的顶部，并由穿孔有机玻璃板5支撑。圆筒型阳极室底部设有一个进水口，靠近阳极室顶部的侧壁设有取样口。在靠近圆筒型阴极室顶部的侧壁设有出水口。阴极室底部放置一圆形曝气管。阳极电极和阴极电极都为碳纤维刷，其制备和预处理同实施例I。4个碳纤维刷阳极
(03.0 cmx22 cm)均勻固定在阳极室底部。4个碳纤维刷阴极(03.0 cm><24 cm)均匀
放置在阴极室。阳极电极顶端与阴极电极底端之间的间距为10. 5cm。两个电极之间用铜导线连接一个100 Ω的负载11。将上述上流型无膜微生物燃料电池的圆筒型阴极室直接作为光生物反应器，使微 生物燃料电池和光生物反应器成为一体(如图5所示)。污水由泵从阳极室的底部的进水口输入，经由阳极室的顶端流入光生物反应器(阴极室)，然后再经光生物反应器侧面的出水口流出。微生物燃料电池阳极微生物代谢有机物产生的CO2经玻璃棉层和玻璃珠层直接进入阴极室(又是光生物反应器)后可直接作为微藻生长的碳源，而微藻通过光合作用产生的氧气(此时氧的浓度比鼓空气时氧的浓度高的多)可直接作为微生物燃料电池的阴极反应的氧化剂。从而可实现CO2和O2的内部循环，既降低了整个系统运行时的能耗、提高了微生物燃料电池的电能输出，又促进微藻的生长，进而提高生物量。
权利要求
1.一种微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的方法，其特征在于废水先经微生物燃料电池去除有机物、氮及磷的同时产生电能，然后将微生物燃料电池处理后的废水引入光生物反应器中培养微藻，利用微藻进一步连续处理，直至处理后废水符合排放标准。
2.按权利要求I所述的微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的方法，其特征在于所述微生物燃料电池与微藻培养相结合处理有机废水可采用分体式结构或一体式结构。
3.按权利要求2所述的微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的方法，其特征在于所述微生物燃料电池与微藻培养相结合处理有机废水采用微生物燃料电池与光生物反应器两个独立反应器相互耦合形成分体式结构，废水经微生物燃料电池的经阳极室后直接流入阴极室并连续转入光生物反应器内直至将废水处理到符合达标。
4.按权利要求2所述的微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的方法，其特征在于所述微生物燃料电池与微藻培养相结合处理有机废水将微生物燃料电池的阴极作为光生物反应，使废水经微生物燃料电池阳极室后直接流入作为光生物反应的阴极室连续直至将废水处理到符合达标。
5.按权利要求I所述的微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的方法，其特征在于所述微生物燃料电池的阳极和阴极电极可采用碳布、颗粒石墨、网状玻璃碳、颗粒活性炭、碳纤维刷、钼或不锈钢。
6.按权利要求I所述的微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的方法，其特征在于所述处理的废水为生活污水、食品加工废水、淀粉加工废水或啤酒废水。
7.—种权利要求I所述的微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的专用装置，其特征在于专用装置包括阴极室和阳极室，所述阴极室与阳极室之间设有交换膜，所述阴极室为光反应器或通过出水口外接光反应器。
8.按权利要求7所述的微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的专用装置，其特征在于所述阳极室同轴设于阴极室内。
9.按权利要求7所述的微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的专用装置，其特征在于所述阳极室同轴设于阴极室底部。
10.按权利要求7所述的微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的专用装置，其特征在于所述交换膜可为玻璃棉层与玻璃珠层组合的交换膜或离子交换膜。
全文摘要
本发明涉及一种废水处理技术，具体的说一种微生物燃料电池与微藻培养相结合处理有机废水的方法。废水先经微生物燃料电池去除有机物、氮及磷的同时产生电能，然后将微生物燃料电池处理后的废水引入光生物反应器中培养微藻，利用微藻进一步连续处理，直至处理后废水符合排放标准。本发明可广泛用于有机废水的处理，不仅提高了废水的处理效果，而且获得的电能和生物质能可以补偿废水处理的成本，为有效处理有机废水提供了新途径，对节能减排和保护环境都具有重要的意义。
文档编号C02F3/00GK102674529SQ20121013661
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月4日 优先权日2012年5月4日
发明者杨智满, 罗生军, 蒋海明, 郭荣波 申请人:中国科学院青岛生物能源与过程研究所