CN101719555A - 双室藻类微生物燃料电池及其处理废水实现零碳排放的方法 - Google Patents

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Abstract

双室藻类微生物燃料电池及其处理废水实现零碳排放的方法，它涉及一种微生物燃料电池及其处理废水的方法。本发明解决了现有的微生物燃料电池在处理废水的过程中会产生大量CO2的问题。本发明的阳离子交换膜竖直设置在反应器箱体内，反应器箱体的内部形成阳极室和阴极室，阳极设置在阳极室内，阴极设置在阴极室内，导线与阳极和阴极连接，导气管的一端与集气室密封连接，另一端置于阴极室的底部，气体收集装置密封安装在气体出口处。方法：一、启动反应器；二、废水通入阴、阳极室，在室温下微生物分解代谢有机物同时获得电能，阳极室产生CO2通入阴极室内被阴极藻类光合利用。本发明实现了CO2的零排放，同时本发明能回收电能，达到了真正废物的资源化。

Description

双室藻类微生物燃料电池及其处理废水实现零碳排放的方法
技术领域
本发明涉及一种微生物燃料电池及其处理废水的方法，本发明实现了废水处理的零碳排放，属于污水生物处理回用与资源化领域。
背景技术
全球气候变暖问题正受到国际社会的高度关注，全球CO2减排的呼声日益高涨。2005年2月16日，旨在限制全球温室气体排放量的《京都议定书》在日本京都举行了协议生效仪式。目前，已有141个国家批准了该项协议。该协议要求工业化国家遵守可核查的温室气体排放量限制，并在2008至2012年期间实现将平均排放量减少到比1990年低5％的水平。2007年联合国气候变化大会通过了关于2012年后国际气候制度谈判的“巴厘路线图”，我国面临的CO2减排压力与日俱增。
从总量上看，目前，我国是世界第二大温室气体排放国，我国是发展中国家第一大温室气体排放国。在2005年全球CO2排放总量(约281.9亿吨)中，我国的CO2排放量占总排放量的18.9％(53.2亿吨)，仅次于美国的21.1％(59.6亿吨)。据国际能源署预计，2009年中国将取代美国成为全球最大的温室气体排放国，人均排放量也将达世界平均水平。在全球CO2减排的大趋势下，未来中国面临国际上的温室气体的减排压力将会越来越大。
根据我国政府公布的中国温室气体排放清单，我国的居民和能源生产产生的废水释放的CO2占温室气体排放总量的35.2％，可见现有的微生物燃料电池在处理废水的过程中会产生大量CO2。据国家统计局公布的统计数据显示，到2007年，全国的废水排放总量达到556.8亿吨，废水中的COD经过废水好氧或厌氧生物处理后，除部分COD转化为污泥外，其余部分均以气态形式枛CO2进入大气，从而增加了温室气体的排放量。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的微生物燃料电池在处理废水的过程中会产生大量CO2的问题，进而提供一种双室藻类微生物燃料电池及其处理废水实现零碳排放的方法。
本发明的双室藻类微生物燃料电池的技术方案是：双室藻类微生物燃料电池由反应器箱体、导线、外电路、阳极、阴极、阳离子交换膜、导气管和气体收集装置组成，所述阳离子交换膜竖直设置在反应器箱体内，反应器箱体的内部形成阳极室和阴极室，所述阳极设置在阳极室内，所述阴极设置在阴极室内，所述导线的两端穿过反应器箱体的上盖板与阳极和阴极连接，所述外电路设置在反应器箱体的外部与导线连接，所述阳极上方的反应器箱体的上盖板上开有集气室，所述导气管的一端与集气室密封连通，导气管的另一端穿过反应器箱体的上盖板置于阴极室的底部，所述反应器箱体的上盖板上开有阳极取样口和阴极取样口，阳极取样口位于阳极室的上方，阴极取样口位于阴极室的上方，所述反应器箱体的上盖板上还开有气体出口，所述气体出口位于阴极室的上方，所述气体收集装置密封安装在气体出口处，所述阳极室的侧壁上由上至下开有阳极进水口和阳极出水口，所述阴极室的侧壁上由上至下开有阴极进水口和阴极出水口，所述阳极室、阴极室均采用有机玻璃制成，所述阴极室内投加了藻类微生物。
本发明的双室藻类微生物燃料电池处理废水实现零碳排放的方法是按下述步骤进行的：一、启动双室藻类微生物燃料电池：室温下，将生活污水(或微生物燃料电池的阳极出水)分别注入阳极室和阴极室，并向阴极室内投加藻类，藻类的接种浓度为0.3～1.0g/L，利用生活污水(或微生物燃料电池的阳极出水)中的微生物启动双室藻类微生物燃料电池，阳极产生CO2通入阴极室内被藻类吸收进行光合作用，当电池电压低于50mV时，完全更换阳极室的生活污水(或微生物燃料电池的阳极出水)，至负载电压稳定在530mV以上，即完成了藻类微生物燃料电池的启动；二、处理废水：将废水注入阳极室内，同时将废水注入阴极室内，室温下微生物分解代谢有机物同时获得电能，阳极室产生CO2通入阴极室内被阴极上的藻类光合利用，待阳极电位高于50mV，将阳极室处理过的废水完全排放后注入废水；阴极室使用的废水，待阴极电位低于30mV，将阴极室处理过的废水完全排放后注入废水；即实现了废水的处理。
本发明与现有技术相比具有以下效果：本发明的微生物燃料电池在处理废水的过程中无CO2的产生，实现了CO2的零排放，同时本发明的微生物燃料电池能回收电能，产电的最大输出功率可达到6.7W/m3，产生的电能用于燃料电池的运行或输入电网，达到了真正废物的资源化。本发明的方法经过3～5天完成启动，本发明在处理废水的同时获得电能，同时实现废水处理过程的零碳排放。本发明发明简单，便于操作。
附图说明
图1是双室藻类微生物燃料电池的结构示意图；图2是废水藻类微生物燃料电池的运行情况图，图中◆表示反应器1，■表示反应器2；图3是废水藻类微生物燃料电池的功率密度曲线图，■表示反应器1，▲表示反应器2；图4是藻类阴极对无机碳的吸收效果图；图5是反应器阴极中藻类生物量的测定图；图6是工艺流程图，图中1.废水，2.格栅，3.尘沙池，4.初沉池，5.藻类微生物燃料电池，6.污泥处理设备，7.二次沉淀池，8.消毒，9.排放或三级处理。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的双室藻类微生物燃料电池由反应器箱体13、导线14、外电路15、阳极3、阴极4、阳离子交换膜5、导气管7和气体收集装置8组成，所述阳离子交换膜5竖直设置在反应器箱体13内，反应器箱体13的内部形成阳极室1和阴极室2，所述阳极3设置在阳极室1内，所述阴极4设置在阴极室2内，所述导线14的两端穿过反应器箱体13的上盖板131与阳极3和阴极4连接，所述外电路15设置在反应器箱体13的外部与导线14连接，所述阳极3上方的反应器箱体13的上盖板13-1上开有集气室6，所述导气管7的一端与集气室6密封连通，导气管7的另一端穿过反应器箱体13的上盖板13-1置于阴极室2的底部，导气管7将气体由集气室6输送到阴极室2内，所述反应器箱体13的上盖板13-1上开有阳极取样口10和阴极取样口9，阳极取样口10位于阳极室1的上方，阴极取样口9位于阴极室2的上方，所述阳极取样口10和阴极取样口9用于参比电极或传感器探头的插入、取样分析，所述反应器箱体13的上盖板131上还开有气体出口16，所述气体出口16位于阴极室2的上方，所述气体收集装置8密封安装在气体出口16处，所述阳极室1的侧壁上由上至下开有阳极进水口11和阳极出水口12，所述阴极室2的侧壁上由上至下开有阴极进水口17和阴极出水口18，所述阳极室1和阴极室2的容积均为220mL，所述阳极室1、阴极室2均采用有机玻璃制成(以保证阳光充足)，所述阴极室2内投加了藻类微生物。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述阳极3为碳布、碳纸、碳毡、碳电刷、活性炭颗粒、石墨板、石墨颗粒、不锈钢板、不锈钢网、钛板或钛网。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述碳电刷是经过预处理的，碳电刷预处理的方法如下：将碳电刷在450℃条件下加热30分钟，然后冷却至室温，再将碳电刷放入质量浓度为10％的H2SO4溶液中浸泡10分钟，再放入质量浓度为10％的NaOH溶液中进行中和，在用蒸馏水清洗。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一至三不同的是：所述阴极4为碳布、碳纸、碳毡、碳电刷、活性炭颗粒、石墨板、石墨颗粒、不锈钢板、不锈钢网、钛板或钛网。其它组成和连接关系与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述碳电刷是经过预处理的，碳电刷预处理的方法如下：将碳电刷在450℃条件下加热30分钟，然后冷却至室温，再将碳电刷放入质量浓度为10％的H2SO4溶液中浸泡10分钟，再放入质量浓度为10％的NaOH溶液中进行中和，在用蒸馏水清洗。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一、四或五不同的是：所述阴极4表面载有0.1～0.35mg/cm3的Pt/C催化剂。其它组成和连接关系与具体实施方式一、四或五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六不同的是：所述隔膜5为阳离子交换膜、阴离子交换膜、超滤膜、微滤膜、全氟磺酸树脂膜、玻璃纤维膜或聚碳酸酯膜。其它组成和连接关系与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七不同的是：所述的藻类为小球藻、螺旋藻、硅藻、甲藻、金藻、裸藻、轮藻、石莼、海带、裙带菜、紫菜或石花菜。其它组成和连接关系与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八不同的是：双室藻类微生物燃料电池的外形可以为方形或圆筒形。其它组成和连接关系与与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九不同的是：所述集气室6为锥台型腔体。其它组成和连接关系与与具体实施方式一至九相同。
具体实施方式十一：本实施方式中双室藻类微生物燃料电池处理废水实现零碳排放的方法是按下述步骤进行的：一、以生活污水(或微生物燃料电池的阳极出水)为菌源，阴极室2内以藻类为接种源来启动双室藻类微生物燃料电池：室温下，将生活污水(或微生物燃料电池的阳极出水)分别注入阳极室1和阴极室2，并向阴极室内投加藻类，藻类的接种浓度为0.3～1.0g/L，利用生活污水(或微生物燃料电池的阳极出水)中的微生物启动双室藻类微生物燃料电池，阳极室1产生CO2通入阴极室2内被藻类吸收进行光合作用，阴极4与阳极3之间连接1000Ω的定值电阻用于监测电阻电压变化情况，当电池电压低于50mV时，完全更换阳极室的生活污水(或微生物燃料电池的阳极出水废水，至负载电压稳定在530mV以上，即完成了藻类微生物燃料电池的启动；二、处理废水：将废水注入阳极室1内，同时将废水注入阴极室2内，室温下微生物分解代谢有机物同时获得电能，阳极室1产生CO2通入阴极室2内被阴极4上的藻类光合利用，待阳极3电位高于50mV，将阳极室1处理过的废水完全排放后注入新的废水；阴极室使用的废水，待阴极4电位低于30mV，将阴极室2处理过的废水完全排放后注入新的废水；即实现了废水的处理。
在启动完成后微生物附着在阳极、阴极的表面。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十一不同的是：步骤一中所述的藻类为小球藻、螺旋藻、硅藻、甲藻、金藻、裸藻、轮藻、石莼、海带、裙带菜、紫菜或石花菜。其它步骤和参数与具体实施方式十一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十一或十二不同的是：步骤一中藻类的接种浓度为0.5～～0.8g/L。其它步骤和参数与具体实施方式十一或十二相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式十一或十二不同的是：步骤一中藻类的接种浓度为0.6g/L。其它步骤和参数与具体实施方式十一或十二相同。
具体实施方式十五：本实施方式利用具体实施方式一所述的双室藻类微生物燃料电池处理废水，其中所述的阳极3与阴极4都采用预处理的碳电刷作为电极材料，阴极4的表面载有0.1mg/cm3的Pt/C催化剂，所述碳电刷预处理的方法如下：将碳电刷在450℃条件下加热30分钟，然后冷却至室温，再将碳电刷放入质量浓度为10％的H2SO4溶液中浸泡10分钟，再放入质量浓度为10％的NaOH溶液中进行中和，在用蒸馏水清洗；处理废水的方法是按下述步骤进行的：一、启动双室藻类微生物燃料电池：室温下，将生活污水(菌源)分别注入阳极室1和阴极室2，并向阴极室内投加小球藻，小球藻的接种浓度为1.0g/L，利用生活污水中的微生物启动双室藻类微生物燃料电池，阳极室1产生CO2通入阴极室2内被小球藻吸收进行光合作用，当电池电压低于50mV时，完全更换阳极室的废水，待负载电压稳定在530mV以上，即完成了藻类微生物燃料电池的启动；二、处理废水：将废水注入阳极室1内，同时将废水注入阴极室2内，室温下微生物分解代谢有机物同时获得电能，阳极室1产生CO2通入阴极室2内被小球藻光合利用，待阳极3电位高于50mV，将阳极室1处理过的废水完全排放后注入新的废水；阴极室使用的废水，待阴极4电位低于30mV，将阴极室2处理过的废水完全排放后注入新的废水；即实现了废水的处理。
利用平行试验来验证本发明的效果，具体内容如下：
利用相同的2台双室藻类微生物燃料电池(标记为反应器1和2)按本实施方式方法进行废水处理，结果如下：
1、废水处理过程中CO2减排的运行效果
废水处理过程会产生大量的温室气体，一般的废水处理过程，产生的气体直接排放进入大气，从而增加了空气中的CO2浓度。对于控制温室气体的排放量而言，有效的控制排放到空气中的CO2量是重要的影响因素。针对CO2减排的需要，设计藻类微生物燃料电池反应器。室温，1000Ω外阻下同时启动两台相同的废水藻类微生物燃料电池，经过3～5天的启动期，反应器启动成功，两个反应器均能在530mV有稳定的电压输出，且稳定输出电压的时间超过130小时。从极化曲线上来看(图3)，微生物燃料电池的最大输出功率可达到6.7W/m3，输出的电能可以用作反应器运行，或输入电网，真正达到废物的资源化。在反应器运行过程中监测阴极气体收集装置中收集的气体，经气相色谱仪检测，未见CO2检出。以上结论均表明，与常规的废水生物处理技术相比，将藻类微生物燃料电池技术应用于废水处理过程，处理后能达到CO2零碳排放，并且能回收电能，能真正的达到废物的资源化。
2、阴极藻类对无机碳的吸收效果
对于利用藻类微生物燃料电池技术实现废水处理零碳排放的反应器而言，要解决零碳排放的首要问题是要解决反应器阳极产生的CO2通入阴极后，气态CO2转化成无机碳后的无机碳吸收问题。无机碳的吸收能力的大小，直接关系到CO2的减排效果。为检验阴极藻类对无机碳的吸收能力，我们同步启动了2台相同的反应器进行监测。对阴极反应器进水中加入的原始藻类和出水中所含的藻类进行监测，从图4中可以看出，运行稳定的两个反应器与初始接种的原始藻类相比，吸收无机碳的能力明显增强，吸收能力是原始接种藻类的13.4和16.3倍。由此可以说明该反应器在废水处理的运行过程中，可以完全吸收阳极产生的CO2，从而实现废水处理过程的零碳排放。
3、阴极藻类的生物量监测
对于藻类微生物燃料电池来讲，由于阴极藻类的进水中不含碳源，所以藻类只能利用从反应器阳极收集的CO2为碳x源进行生长繁殖。因此，监测藻类生物量的增长情况就可以直接的反映出废水处理过程中产生的CO2的吸收情况。可见，藻类生物量的监测是评价废水处理零碳排放的一个重要指标。我们同步启动了2台相同的反应器对阴极原始藻类和出水中所含的藻类的生物量进行监测，从图5中可以看出，运行稳定的两个反应器与初始接种的原始藻类相比，藻类生物量明显增加，两个反应器的藻蛋白含量分别是原始藻种的4.7和6.1倍。藻蛋白含量的增加表明藻类生物量的增加，进一步验证了藻类利用了阳极废水产生的CO2进行生长，从而实现了废水处理的零碳排放。
4、零碳排藻类微生物燃料电池可作为有机物处理的主要构筑物，代替曝气池、厌氧消化池或厌氧水解池在污水处理厂中应用。技术方案如下：
1.废水经2.格栅进入3.尘沙池进行尘沙处理，处理后的污水进入4.初沉池进行污泥的初次沉淀，产生的污泥转移到6.污泥处理设备中进行污泥处理，初沉池处理后的污水进入5.藻类微生物燃料电池进行处理，藻类微生物燃料电池是处理单元的核心，经藻类微生物燃料电池处理后，污水中的有机碳转化为藻类生物质，得以实现污水处理的零碳排放，处理过程产生的电能回用给污水处理设备，处理过程产生的污泥进入6.污泥处理设备，经藻类微生物燃料电池处理后的污水进入7.二次沉淀池进行处理，产生污泥运送到6.污泥处理设备，经二次沉淀池处理的污水经8.消毒后进行排放或根据污水处理的要求进行三级处理。

Claims (9)

1.双室藻类微生物燃料电池，它由反应器箱体(13)、导线(14)、外电路(15)、阳极(3)、阴极(4)、阳离子交换膜(5)、导气管(7)和气体收集装置(8)组成，其特征在于：所述阳离子交换膜(5)竖直设置在反应器箱体(13)内，反应器箱体(13)的内部形成阳极室(1)和阴极室(2)，所述阳极(3)设置在阳极室(1)内，所述阴极(4)设置在阴极室(2)内，所述导线(14)的两端穿过反应器箱体(13)的上盖板(13-1)与阳极(3)和阴极(4)连接，所述外电路(15)设置在反应器箱体(13)的外部与导线(14)连接，所述阳极(3)上方的反应器箱体(13)的上盖板(13-1)上开有集气室(6)，所述导气管(7)的一端与集气室(6)密封连通，导气管(7)的另一端穿过反应器箱体(13)的上盖板(13-1)置于阴极室(2)的底部，所述反应器箱体(13)的上盖板(13-1)上开有阳极取样口(10)和阴极取样口(9)，阳极取样口(10)位于阳极室(1)的上方，阴极取样口(9)位于阴极室(2)的上方，所述反应器箱体(13)的上盖板(13-1)上还开有气体出口(16)，所述气体出口(16)位于阴极室(2)的上方，所述气体收集装置(8)密封安装在气体出口(16)处，所述阳极室(1)的侧壁上由上至下开有阳极进水口(11)和阳极出水口(12)，所述阴极室(2)的侧壁上由上至下开有阴极进水口(17)和阴极出水口(18)，所述阳极室(1)、阴极室(2)均采用有机玻璃制成，所述阴极室(2)内投加了藻类微生物。
2.根据权利要求1所述双室藻类微生物燃料电池，其特征在于：所述阳极(3)和阴极(4)均采用碳布、碳纸、碳毡、碳电刷、活性炭颗粒、石墨板、石墨颗粒、不锈钢板、不锈钢网、钛板或钛网作为电极材料。
3.根据权利要求2所述双室藻类微生物燃料电池，其特征在于：所述阴极(4)采用载有0.1～0.35mg/em3的Pt/C催化剂的碳刷作为电极材料。
4.根据权利要求1、2或3所述双室藻类微生物燃料电池，其特征在于：所述集气室(6)为锥台型腔体。
5.利用权利要求1所述的双室藻类微生物燃料电池处理废水实现零碳排放的方法，其特征在于双室藻类微生物燃料电池处理废水实现零碳排放的方法是按下述步骤进行的：一、启动双室藻类微生物燃料电池：室温下，将生活污水或微生物燃料电池的阳极出水分别注入阳极室(1)和阴极室(2)，并向阴极室内投加藻类，藻类的接种浓度为0.3～1.0g/L，利用生活污水中的微生物启动双室藻类微生物燃料电池，阳极室(1)产生的CO2通入阴极室(2)内被藻类吸收进行光合作用，当电池电压低于50mV时，完全更换阳极室的生活污水，至负载电压稳定在530mV以上，即完成了藻类微生物燃料电池的启动；二、处理废水：将废水注入阳极室(1)内，同时将废水注入阴极室(2)内，室温下微生物分解代谢有机物同时获得电能，阳极室(1)产生的CO2通入阴极室(2)内被阴极(4)上的藻类光合利用，待阳极(3)电位高于-50mV，将阳极室(1)处理过的废水全部排放后注入新的废水；阴极室使用的废水，待阴极(4)电位低于30mV，将阴极室(2)处理过的废水全部排放后注入新的废水；即实现了废水的处理。
6.根据权利要求5所述的双室藻类微生物燃料电池处理废水实现零碳排放的方法，其特征在于步骤一中所述的藻类为小球藻、螺旋藻、硅藻、甲藻、金藻、裸藻、轮藻、石莼、海带、裙带菜、紫菜或石花菜。
7.根据权利要求6所述的双室藻类微生物燃料电池处理废水实现零碳排放的方法，其特征在于步骤一中藻类的接种浓度为0.5～0.8g/L。
8.根据权利要求6所述的双室藻类微生物燃料电池处理废水实现零碳排放的方法，其特征在于步骤一中藻类的接种浓度为0.6g/L。
9.根据权利要求5、6、7或8所述的双室藻类微生物燃料电池处理废水实现零碳排放的方法，其特征在于采用微生物燃料电池的阳极出水替代步骤一所述的生活污水。
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