CN101667649A - 将有机废水能源化的微生物燃料电池接种和驯化启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及有机废水的能源化处理，具体地说是一种将有机废水能源化的微生物燃料电池接种和驯化启动方法，用以将有机污染物中化学能以电能形式回收。首先在阳极室中，以混合菌种接种，调整培养条件，在每个运行周期电压输出峰值稳定后，接种完成后开始在阳极室中加入待处理废水，在第一个运行周期加入少量待处理废水，以不影响电压输出稳定为宜，此后周期逐步增加待处理废水比例，直至全部使用待处理废水，微生物燃料电池驯化启动完成。本方法可操作性强，驯化过程循序渐进，效果稳定。

Description

将有机废水能源化的微生物燃料电池接种和驯化启动方法

技术领域

本发明涉污水处理领域，特别是一种用于处理高浓度有机废水的微生物燃料电池接种和驯化启动方法，如可用于处理酱酿造废水类似的高浓度有机废水，也可以用于处理生活污水。

背景技术

科学技术的进步推动社会经济快速发展，方便了人们的现代生活，而这种快速发展是以能源消耗和环境污染为代价的。能源是人类赖以生存和发展的重要资源，传统能源日益枯竭，能源供需矛盾日趋明显，不可再生的化石燃料的大量消耗污染了环境，环境污染的代价日趋沉重。水是不可替代的重要自然资源，是人类生产生活不可或缺的物资，更是生态系统的重要控制性因素。传统能源面临枯竭而价格不断走高的压力，其使用过程污染了水源水质，使水资源危机更加突出。能源、环境和水资源短缺问题的多重压力限制了社会经济的可持续发展。

解决上述问题需要综合考虑能源、环境和水资源问题之间的相互作用关系。绿色可更新能源的开发利用是缓解能源、环境和水资源短缺问题的有效途径之一。我国城市和工业行业每年排放数百亿吨废水，多数种类的废水含有的主要污染物是BOD₅和COD，每年COD去除量近1.5×10⁷t，近年来废水处理费用快速攀升，超过了4×10¹⁰元，将来这一费用还要快速升高；各类废水都远远超过环境负荷，其生态毒性明显；另一方面，废水有机污染含有大量可以回收利用的化学能，处理废水的同时回收能源，将含有大量COD的废水开发为绿色可更新能源，可同时收获环境效益和经济效益。微生物燃料电池能够产生电能，同时去除有机污染物，是利用微生物作为生物催化剂，将废水中有机污染物化学键中储存的化学能转化为电能，通过电荷转移，即呼吸作用产生的电子传递到电极上将能量输出，在常温常压下完成能量转换。微生物燃料电池通常由两个电极室组成：阳极室和阴极室。在阳极室内，厌氧产电菌将作为电子供体的有机污染物氧化释放电子和质子，电子经过外电路转移到阴极并释放携带的能量，质子经过离子交换膜专转移到阴极。在阴极室内，电子、质子和电子受体发生还原反应。微生物燃料电池技术出现使将有机废水开发为可更新能源变为可能，在能源和环境问题日益突出的今天，这无疑具有重大环境和经济效益。

近年来微生物燃料电池技术取得较大进展，但在处理有机废水并产电的运行实验中，仍面对菌种选择、运行操作方面各类问题，如启动时间过长，即产电菌富集和驯化时间长，产电效果差等问题，这些问题在中试和未来的生产性实验都将影响微生物燃料电池技术的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将有机废水能源化的微生物燃料电池接种和驯化启动方法。该方法通过对微生物燃料电池厌氧微生物产电菌的选择，为高效的有机污染物生化处理和电能回收打下基础，在微生物燃料电池阳极室富集产电菌，通过使用待处理废水循序渐进驯化产电菌，提高微生物燃料电池产电性能和有机污染物去除效率。

为实现上述目的，本发明采取了一种将有机废水能源化的微生物燃料电池接种和驯化启动方法，其特征在于所述阳极室内加入微生物营养液，并接种混合菌种液作为启动阳极液，阴极室以硝酸钠溶液为阴极液，阳极液经过多次逐步更换微生物营养液，在多个产电周期后，使电池保持稳定电压输出，阳极液中的产电菌富集完成；然后再对阳极液多次逐步更换微生物营养液和待处理有机废水的混合液，驯化产电菌，直至营养液全部更换成待处理有机废水做为阳极液，且保持稳定电压输出，完成驯化启动。

本发明具有以下有益效果：

1)保证了产电菌种来源的多样性，产电菌的代谢活动是微生物燃料电池产电的基础，高效的产电菌种是微生物燃料电池高效率的保证；

2)循序渐进驯化，在阳极产电菌富集完成后，以不影响电压输出为前提，逐步增加待处理废水，驯化过程平稳；

3)操作简单，本方法具有可操作性，步骤简单，在实际工程应用中容易实施；

4)实用性强，对于用于处理不同废水的微生物燃料电池，都可以使用；

5)成本低，所使用产电菌营养液常规成分简单，使用成本低，具有经济有效性；

6)适合用于对废水的分散处理和集中处理的微生物燃料电池的接种和驯化和启动。

7)采用本发明，可以较低成本有效启动微生物燃料电池处理各类有机废水，能以较高库伦效率将有机污染物中的化学能以电能的形式回收，去除废水中有机污染物。

附图说明

图1适合微生物燃料电池处理的有机废水样品；

图2是处理酱油酿造废水的微生物燃料电池电压输出曲线。

具体实施方式

本发明将有机废水能源化的微生物燃料电池接种和驯化启动方法，具体按下列步骤进行：

1)混合菌种液制备：采集土壤上清液，按照体积比10-50％加入0.5-1.5G/L乙酸钠溶液，放入厌氧培养箱中保存备用；

2)混合菌种液接种：在阳极室中注入乙酸钠溶液50-150ml，接种步骤1)中制备的混合菌种液50-350ml，并加入微生物营养液5-20ml；在阴极中注满硝酸钠溶液；

3)在室温下放置，直到开始稳定输出电压；

4)产电菌富集：当电压出现下降时，用微生物营养液更换30-100％阳极液，电压恢复稳定并持续运行；电压输出再次下降，再次更换30-100％阳极液，输出电压升高并稳定输出；直到每个循环的输出电压稳定峰值相同，产电菌富集完成；

5)产电菌驯化：当电压再次出现下降，开始用微生物营养液和待处理有机废水的混合液更换阳极液；第一次更换阳极液时，待处理有机废水占阳极室体积5-10％，电压恢复稳定并持续运行；之后每次电压输出出现下降，均使用微生物营养液和待处理有机废水的混合液更换阳极液，且每次待处理有机废水比例以5-15％的倍数逐步提高，直至全部使用待处理有机废水更换阳极液；

6)完成启动：阳极液完全更换为待处理有机废水，输出电压稳定时，微生物燃料电池接种和驯化启动完毕，进入稳定的运行状态。

所述混合菌种液由下列菌种制备：污水厂入口处生活污水，活性污泥法污水处理厂二沉池活性污泥，土壤滤清液或废水处理生物反应器中液体的一种或几种。

所述微生物营养液成分为：乙酸钠500-1200mg/L，N元素50-120mg/L，P元素3000-7000mg/L和K元素30-150mg/L。

所述待处理有机废水可以是生活污水或其它有机废水。

下面结合具体实施例来阐述应用本发明对微生物燃料电池的启动：

1.混合菌种液制备：对于产电菌种采集，可以是污水厂入口处生活污水，活性污泥法污水处理厂二沉池活性污泥，土壤滤清液或废水处理生物反应器中液体的一种或几种，可供给保证产电菌种来源。按照体积比10-50％在所采集样品中加入0.8-1g/L乙酸钠溶液，放入厌氧培养箱中保存备用。

2.采用适合产电菌需要的微生物营养液，微生物营养液成分为：乙酸钠800-1000mg/L，N元素80-100mg/L，P元素5000-6000mg/L，K元素80-100mg/L。

3.产电菌富集：在注有乙酸钠溶液80-100ml和8-15ml微生物营养液的微生物燃料电池阳极室中，接种采集到的混合菌种液100-200ml，在阴极中注满硝酸钠溶液，开始运行，输出电压经过上升、稳定和下降这一周期后，用微生物营养液更换30-100％更换阳极液，进入下一个产电周期，这样经过多个产电周期后，输出电压最高值不再升高，产电菌富集完成。

4.产电菌驯化：在产电菌富集步骤完成基础上开始产电菌驯化。在第一个产电周期，于阳极室内注入体积比为5-10％待处理有机废水，此后周期以5-15％的倍数逐渐增加待处理废水注入量，以不影响电压输出稳定为准，直至营养液全部提换成有机废水。

5.完成启动：在5)步骤完成后，在几个运行周期内电压输出基本保持平稳，可以逐步缩减水力停留时间HRT，调整微生物燃料电池运行条件，接近生产要求，完成启动。待处理有机废水逐步加入。

本发明可以用来处理不同种类的有机废水，例如图1所示：1为酱油酿造废水，处理难点是高COD，高色度，悬浮物含量高；2为生活污水，植物营养元素含量高；3为食醋酿造废水，pH值低，挥发性气体含量高，COD含量高。本发明也可以用于处理其他种类废水。

本发明通过将有机废水能源化的微生物燃料电池接种和驯化启动，直至全部使用待处理有机废水做为阳极液的过程，使微生物燃料电池能够产生电能，同时去除有机污染物，是利用产电菌作为生物催化剂，将废水中有机污染物化学键中储存的化学能转化为电能，通过电荷转移，即呼吸作用产生的电子传递到电极上将能量输出，在常温常压下完成能量转换。在阳极室内，厌氧产电菌将作为电子供体的有机污染物氧化释放电子和质子，电子经过外电路转移到阴极并释放携带的能量，质子转移到阴极。在阴极上，电子、质子和电子受体发生还原反应。

实施例1

用微生物燃料电池处理生活污水、回收电能。

1)混合菌种制备，取土壤上清液，按照体积比10％在土壤上清液中加入1g/L乙酸钠溶液，放入厌氧培养箱中保存备用；

2)选择阴阳极反应室有效容积为200ml、阴阳极间距5cm的微生物燃料电池；

3)在阳极中注入1g/L乙酸钠溶液和1)步骤中制备的混合菌种液各150ml和50ml，并加入N、P、K元素，其浓度分别为80mg/L、5000mg/L和3000mg/L，阴极中注入100mg/L硝酸钠溶液200ml；

4)1000Ω电阻接入外电路，连接好导线和监测设备；

5)在室温下放置，直到电压开始稳定输出约200mV并出现下降(如图2)，开始更换1g/L乙酸钠溶液，电压恢复到200mV并持续运行，电压输出再次下降，再次更换乙酸钠后，输出电压升高到450mV左右。

附图2所示为处理生活污水的微生物燃料电池电压输出曲线，可以看出：经过500小时运行，微生物燃料电池电压输出达到最大值，实现了有机废水能源化，启动成功。

实施例2

与实施例1不同之处在于：所处理的废水为酱油酿造废水，在运行过程中定期排放挥发性气体。

1)混合菌种制备，取土壤上清液，按照体积比10％在土壤上清液中加入1g/L乙酸钠溶液，放入厌氧培养箱中保存备用；

2)选择阴阳极反应室有效容积为200ml、阴阳极间距5cm的微生物燃料电池；

3)在阳极中注入1g/L乙酸钠溶液和1)步骤中制备的混合菌种液各150ml和50ml，并加入N、P、K元素，其浓度分别为80mg/L、5000mg/L和3000mg/L，阴极中注入100mg/L硝酸钠溶液200ml；

4)1000Ω电阻接入外电路，连接好导线和监测设备；

5)在室温下放置，直到电压开始稳定输出约200mV并出现下降，开始更换1g/L乙酸钠溶液，电压恢复到200mV并持续运行，电压输出再次下降，再次更换乙酸钠后，输出电压升高到450mV左右；

6)与步骤5)方法相同，再次出现下降后开始补充乙酸钠和酱油酿造废水混合物。第一次补充酱油酿造废水比例10％，以后该比例以倍数逐步提高直至全部使用酱油酿造废水更换阳极液，微生物燃料电池进入稳定的运行状态。

实施例3

与实施例1和2不同之处在于所使用产电菌采集自废水处理厂活性污泥。

Claims (5)

1.一种将有机废水能源化的微生物燃料电池接种和驯化启动方法，其特征在于所述阳极室内加入微生物营养液，并接种混合菌种液作为启动阳极液，阴极室以硝酸钠溶液为阴极液，阳极液经过多次逐步更换微生物营养液，在多个产电周期后，使电池保持稳定电压输出，阳极液中的产电菌富集完成；然后再对阳极液多次逐步更换微生物营养液和待处理有机废水的混合液，驯化产电菌，直至营养液全部更换成待处理有机废水做为阳极液，且保持稳定电压输出，完成驯化启动。

2.根据权利要求1所述的将有机废水能源化的微生物燃料电池接种和驯化启动方法，其特征在于按下列步骤进行：

1)混合菌种液制备：采集土壤上清液，按照体积比10-50％加入0.5-1.5g/L乙酸钠溶液，放入厌氧培养箱中保存备用；

2)混合菌种液接种：在阳极室中注入乙酸钠溶液50-150ml，接种步骤1)中制备的混合菌种液50-350ml，并加入微生物营养液5-20ml；在阴极中注满硝酸钠溶液；

3)在室温下放置，直到开始稳定输出电压；

4)产电菌富集：当电压出现下降时，用微生物营养液更换30-100％阳极液，电压恢复稳定并持续运行；电压输出再次下降，再次更换30-100％阳极液，输出电压升高并稳定输出；直到每个循环的输出电压稳定峰值相同，产电菌富集完成；

5)产电菌驯化：当电压再次出现下降，开始用微生物营养液和待处理有机废水的混合液更换阳极液；第一次更换阳极液时，待处理有机废水占阳极室体积5-10％，电压恢复稳定并持续运行；之后每次电压输出出现下降，均使用微生物营养液和待处理有机废水的混合液更换阳极液，且每次待处理有机废水比例以5-15％的倍数逐步提高，直至全部使用待处理有机废水更换阳极液；

6)完成启动：阳极液完全更换为待处理有机废水，输出电压稳定时，微生物燃料电池接种和驯化启动完毕，进入稳定的运行状态。

3.根据权利要求1或2所述的将有机废水能源化的微生物燃料电池接种和驯化启动方法，其特征在于所述混合菌种液由下列菌种制备：污水厂入口处生活污水，活性污泥法污水处理厂二沉池活性污泥，土壤滤清液或废水处理生物反应器中液体的一种或几种。

4.根据权利要求1或2所述的将有机废水能源化的微生物燃料电池接种和驯化启动方法，其特征在于所述微生物营养液成分为：乙酸钠500-1200mg/L，N元素50-120mg/L，P元素3000-7000mg/L和K元素30-150mg/L。

5.根据权利要求1或2所述的将有机废水能源化的微生物燃料电池接种和驯化启动方法，其特征在于所述待处理有机废水是生活污水或其它有机废水。

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