CN105161744A - 一种生物阴极及其制备方法、微生物微电池、处理酸性矿井废水的装置 - Google Patents

一种生物阴极及其制备方法、微生物微电池、处理酸性矿井废水的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种生物阴极及其制备方法、微生物微电池、处理酸性矿井废水的装置，生物阴极由固定有硫酸盐还原菌的活性小球构成。该生物阴极可以有效固定硫酸盐还原菌，微生物微电池以活性炭颗粒吸附产电菌为阳极，以固定有硫酸盐还原菌的活性小球为生物阴极，构成三维微型微生物燃料电池(简称微生物微电池)。利用包括微生物微电池构成的酸性矿井废水的处理装置可以处理酸性、含硫酸根和重金属离子的矿井废水和工业废水。

Description

一种生物阴极及其制备方法、微生物微电池、处理酸性矿井废水的装置
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及一种生物阴极及其制备方法、微生物微电池、处理酸性矿井废水的装置。
背景技术
酸性重金属矿井废水(AcidicMineDrainage,简称AMD)污染是一个世界性的问题，AMD中含有高浓度的硫酸盐和可溶性的重金属离子，同时pH低、酸度大。因此一旦排放将会对河流及其生物产生严重影响，甚至会污染地下水体。一旦污染发生将很难治理。
微生物燃料电池MFC技术是一种新能源技术和有机废水处理技术，能以各种废水中的有机物为燃料，在处理废水的同时产生电能，实现废物处理和能源回收，并且具有反应条件温和，能量转化效率高和无二次污染等优点，应用前景十分广阔。但目前MFC产电能力较低，成本较高，距离实际获取能源还有一定的距离。制约因素一是目前MFC主要以空气中氧气为电子受体，需采用贵金属催化剂Pt提高阴极反应效率O2+H+＝H2O；二是双室结构，需采用质子交换膜阻隔阴极室空气进入阳极室，使得MFC电池的材料消耗成本过高；三是导线腐蚀、贵金属催化剂失活和膜生物膜污染问题使得MFC电池使用寿命有限。
新型生物阴极MFC利用生物酶催化来替代阴极反应区的贵金属催化剂Pt来加快电子传递速率，降低MFCs的制作成本，提高其运行的稳定性，还可以利用阴极特定微生物去除特定的污染物，具有很好的工程应用前景。但常规吸附法制备的生物阴极，微生物会随着出水流失，处理效果逐步降低。急需新的技术途径延长生物阴极的使用寿命。
利用聚乙烯醇和海藻酸钠的混合物为固定化载体包埋制备的固定化生物小球具有强度高、机械性能好、生物兼容性好、稳定性强等特点，已被广泛应用于某些有机物废水处理的研究，如：刘巍等采用新型固定化生物小球处理模拟苯胺废水获得成功[J].环境科学学报,2009,29(6):1195～1202；蔡昌凤、孙菲在PVA固定化的基础上加入传质载体4％PAC，固定化球孔隙率增大，改善了传统PVA小球的“结块”现象，使传统PVA小球内部结构由原来的聚结成块变为小球堆积的孔状结构，明显提高了固定化球的传质和通透性，制备的硝化菌固定化球和反硝化菌固定化球处理模拟焦化废水效果获得显著提高[J].水处理技术2010.36(7):74-78。新兴的微生物固定化技术不仅可以减少菌种流失，还可以避免微生物与水中某些有毒物质直接接触，减少其对微生物可能造成的伤害。但尚未见采用微生物固定化小球制备生物阴极的报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种生物阴极及其制备方法、微生物微电池、处理酸性矿井废水的装置。该生物阴极可以有效固定硫酸盐还原菌，微生物微电池以活性炭颗粒吸附产电菌为阳极，以固定有硫酸盐还原菌的活性小球为生物阴极，构成三维微型微生物燃料电池(简称微生物微电池)。利用包括微生物微电池构成的酸性矿井废水的处理装置可以处理酸性、含硫酸根和重金属离子的矿井废水和工业废水。
本发明采用的技术方案是：
一种生物阴极，由固定有硫酸盐还原菌的活性小球构成。
一种生物阴极的制备方法，步骤包括：
A、制备硫酸盐还原菌菌液：将硫酸盐还原菌液态培养至稳定期，离心浓缩菌液中硫酸盐还原菌浓度至2×107～3×107个/mL；
B、用活性炭粉末吸附硫酸盐还原菌：将活性炭粉末加入到硫酸盐还原菌菌液中，密封静置至吸附饱和，制得含活性炭粉末菌液；
C、制备混合溶液：聚乙烯醇用纯水浸泡24h，水浴加热搅拌溶解后依次加入海藻酸钠、二氧化硅、碳酸钙，水、聚乙烯醇、海藻酸钠、二氧化硅、碳酸钙的质量比为900：100：10：30：3；搅拌至全溶后冷却到35-40℃。
D、将混合溶液缓慢加入含活性炭粉末菌液中，搅拌均匀，制得混合悬液，混合溶液与含活性炭粉末菌液体积比为10:4，将混合悬液滴加至含质量百分含量为2％CaCl2的饱和硼酸溶液中，固化成球交联24h以上，然后用0.9％的生理盐水洗涤，制得生物阴极。
所述步骤B中活性炭粉末粒径55.5-74μm、比表面积3500m2/g，活性炭粉末在硫酸盐还原菌菌液中的浓度为90g/L；所述吸附菌液的时间为30min以上；
所述步骤C中水浴加热温度为90℃；
一种微生物微电池，由生物阴极和阳极构成，所述微生物微电池无膜、无导线，阴极和阳极均匀混合呈多点接触的三维结构。所述阳极为活性炭颗粒和厌氧活性污泥按质量比1：2混合而成，活性炭颗粒粒径3-5mm，比表面积500-900m2/g，所述厌氧活性污泥中混合液悬浮固体浓度为10-15g/L；微生物微电池中生物阴极和阳极体积比为1:5。
阳极中吸附活性污泥中的产电菌的活性炭颗粒与生物阴极即固定有硫酸盐还原菌的活性小球立体多点接触，构成无数微生物微电池。
一种酸性矿井废水的处理装置，由槽体、槽盖、进水口，出水口、微生物微电池构成，微生物微电池设置在槽体中下部，进水口位于槽体下部的槽壁上，出水口位于槽体上部的槽壁上，槽体顶部用槽盖进行密封；
所述处理装置还包括出泥口、进泥管、布泥管、溢流槽，所述出泥口设置在槽体底部，进泥管穿过槽盖中部进入槽体内部，位于槽体内部的进泥管端部设置布泥管与进泥管联通，布泥管上设置若干个喷口，槽体内部靠近出水口一侧设置溢流槽。
酸性矿井废水的处理装置在处理废水前，先将活性炭颗粒与厌氧活性污泥(混合液悬浮固体浓度10-15g/L)按质量比例1:2混合均匀，活性炭颗粒吸附产电菌后，然后和固定有硫酸盐还原菌(SBR)活性小球(生物阴极)按体积比5:1搅拌均匀，加入到反应槽中，密封反应槽；培养4天使SRB相对其它菌占有初始优势。然后系统开始进酸性重金属废水进行处理，保证S04 2-充足，维持SRB的优势。处理后的废水经溢流槽出水口排出。
酸性矿井废水的处理装置运行需定期置换污泥，由下部排泥口排出部分反应后的污泥，由布泥槽进口加入新鲜城市生活污水厂厌氧活性污泥，保证微生物微电池系统正常运行。
酸性矿井废水的处理装置中的微生物微电池具有处理酸性重金属矿井废水中重金属离子功能，阴极活性小球中的硫酸盐还原菌以废水中SO4 2-为电子受体、以阳极产生的小分子有机酸(R-COOH)为碳源，完成生化反应，降解酸性矿井废水中硫酸根，生成的S2-可以结合绝大多数的重金属离子生成难溶硫化物沉淀，去除酸性矿井废水中重金属离子。可以快速提高酸性矿井废水pH值，使出水口排出的处理后的废水pH≥6.2。
酸性矿井废水的处理装置也可以处理酸性重金属工业废水、汽车涂装、电镀等工业废水，使用中根据进水SO4 2-浓度，补加硫酸盐，使硫酸根离子浓度1000mg/L。并采用出水循环稀释，控制重金属离子浓度在菌体耐受范围。
本发明生物阴极中SRB不易流失，解决了酸性重金属废水低pH值、高重金属离子浓度、低C/S比碳源不足、反应产物H2S对于硫酸盐还原菌的抑制问题，从而达到提高pH、降解硫酸根、去除重金属离子，处理酸性重金属废水的目的。
本发明微生物微电池采用厌氧、无膜、无导线、三维电极新型结构，利用污水处理厂厌氧活性污泥作为微生物微电池燃料的碳源和产电菌菌源，阳极中活性炭颗粒吸附活性污泥中的产电菌，产电菌厌氧降解污泥中有机物，产生电子；用固定有硫酸盐还原菌的活性小球为微生物微电池生物阴极；微生物微电池为三维立体结构，吸附产电菌的活性炭颗粒与活性小球多点接触，阳极产生的电子直接传递给阴极，在其作用范围构成无数微生物微电池，无需采用膜和导线构成电回路，解决了导线在酸性条件下易因腐蚀发生断路问题。
附图说明
附图1为酸性矿井废水的处理装置示意图
图中：1、槽体；2、活性污泥；3、活性炭颗粒；4、生物阴极；5、进泥管；6、布泥管；7、进水口；8、阀门；9、溢流槽；10、出水口；11、出泥口；12、槽盖。
附图2为实施例中酸性矿井废水的处理装置处理酸性重金属废水总重金属离子去除速率变化曲线；
附图3为实施例中为酸性矿井废水的处理装置处理酸性重金属废水出水pH变化曲线
附图4为实施例中为使用生物阴极构建双室微生物燃料电池的外电压变化曲线。
具体实施方式
固定有硫酸盐还原菌SRB的活性小球(生物阴极4)制备方法为：SRB液态培养至稳定期，离心浓缩至菌液浓度为2×107～3×107个/mL。SRB菌液中加入活性炭粉末(粒径55.5-74μm、比表面积3500m2/g)，活性炭粉末在SRB菌液中浓度为90g/L，密封静置吸附菌液30min。制备聚乙烯醇混合溶液：聚乙烯醇用纯水浸泡24h，水浴锅90℃搅拌溶解后依次加入海藻酸钠、二氧化硅、碳酸钙，质量比为水：聚乙烯醇：海藻酸钠：二氧化硅：碳酸钙＝900：100：10：30：3，搅拌至全溶后，冷却至35-40℃；将溶解好的聚乙烯醇混合溶液缓慢加入含活性炭粉末菌液中(混合溶液与含活性炭粉末菌液体积比10:4)，搅拌均匀。用蠕动泵将搅拌均匀的混合液体滴至含2％CaCl2的饱和硼酸溶液中，固化成球，交联24h后，用0.9％的生理盐水洗涤后，可直接使用或密封4℃保存备用。
酸性矿井废水的处理装置由槽体1、槽盖12、进水口7，出水口10、出泥口11、进泥管5、布泥管6、溢流槽9、微生物微电池构成，微生物微电池由生物阴极4和阳极构成，阳极为活性炭颗粒3和厌氧活性污泥2(MLSS＝13g/L)质量比1：2的混合物；活性炭颗粒粒径3-5mm，比表面积900m2/g；微生物微电池中生物阴极和阳极体积比为1:5；微生物微电池设置在槽体1中下部，进水口7位于槽体1下部的槽壁上，出水口10位于槽体1上部的槽壁上，槽体1顶部用槽盖12进行密封；出泥口11设置在槽体1底部，进泥管5穿过槽盖12中部进入槽体1内部，位于槽体1内部的进泥管5端部设置布泥管6与进泥管5联通，布泥管6上设置若干个喷口，槽体1内部靠近出水口10一侧设置溢流槽9。进水口7、出水口10、进泥管5、出泥口11均设置有阀门8。
使用上述装置进行处理酸性重金属废水实验：
取容积10.8L的长方体有机玻璃槽反应器作为槽体1，取密封4℃保存备用的生物阴极1.2L，加入硫酸盐还原菌培养液1L(采用Starkey培养基：NH4Cl1.0g，MgSO4·7H2O2.0g，Na2SO40.5g，CaCl2·6H2O0.1g，K2HPO40.5g，70％乳酸钠溶液5ml，蒸馏水1000ml，抗坏血酸0.4g和(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O1.2g)，复活固定化硫酸盐还原菌4天；将6L活性炭颗粒和取自城市生活污水厂厌氧活性污泥(浓缩后MLSS＝10-15g/L)按质量比1:2混合后，与复活的生物阴极固定化活性小球按体积比5:1搅拌均匀，加入到反应器中，用槽盖12密封反应器；培养4天使SRB相对其它菌占有初始优势；将模拟酸性重金属废水(纯水用浓盐酸调至pH＝3，加入NH4Cl0.191g/L，K2HPO40.075g/L，Na2SO42.215g/L,MgSO4·7H2O3.844g/L,NiSO4·6H2O0.179g/L,HgNO3·1/2H2O0.0242g/L,Mn(NO3)2溶液0.169ml/L，K2CrO70.113g/L(实测Hg2+浓度为19mg/L，Cr6+为26.3mg/L，Mn2+40.2mg/L、Ni2+44.8mg/L；pH＝3.03)由进水口加入，水力停留时间(HRT)＝24h，处理后出水经溢流槽出水口排出。系统25天处理效果见附图2重金属离子去除速率变化曲线和附图3出水pH变化曲线，系统重金属离子去除速率达0.1128kg/m3*d以上；出水pH在7.0以上。
使用生物阴极构建双室微生物燃料电池进行产电实验：
组装双室微生物燃料电池：由两个容积100ml的柱形具塞玻璃瓶构成阴、阳极室。阳极室中加入100ml活性炭颗粒与厌氧活性污泥(MLSS＝13g/L)的混合物，活性炭颗粒与厌氧活性污泥质量比1:2，阴极室中加入固定有硫酸盐还原菌的活性小球和模拟酸性重金属废水共100ml(其中小球20ml)；两极室间由直径为4cm的原型质子交换膜(CMI-7000，MembranesInternational，USA)隔开，并用U型口夹夹紧固定。阴阳两极中均插入有效面积为12cm2的不锈钢片并用铜导线引出，外接负载电阻1000Ω，从而构成一个电回路。
废水中重金属离子总浓度130mg/L、SO4 2-浓度3000mg/L，pH＝3.03，实测电压随时间变化见附图4。试验表明固定有硫酸盐还原菌的活性小球具有生物阴极功能，电池最大电压可达0.468V，7天后维持在0.118V。

Claims (6)

1.一种生物阴极，由固定有硫酸盐还原菌的活性小球构成。
2.一种生物阴极的制备方法，步骤包括：
A、制备硫酸盐还原菌菌液：将硫酸盐还原菌液态培养至稳定期，离心浓缩菌液中硫酸盐还原菌浓度至2×107～3×107个/mL；
B、用活性炭粉末吸附硫酸盐还原菌：将活性炭粉末加入到硫酸盐还原菌菌液中，密封静置至吸附饱和，制得含活性炭粉末菌液；
C、制备混合溶液：聚乙烯醇用纯水浸泡24h，水浴加热搅拌溶解后依次加入海藻酸钠、二氧化硅、碳酸钙，水、聚乙烯醇、海藻酸钠、二氧化硅、碳酸钙的质量比为900：100：10：30：3；搅拌至全溶后冷却到35-40℃。
D、将混合溶液缓慢加入含活性炭粉末菌液中，搅拌均匀，制得混合悬液，混合溶液与含活性炭粉末菌液体积比为10:4，将混合悬液滴加至含质量百分含量为2％CaCl2的饱和硼酸溶液中，固化成球交联24h以上，然后用0.9％的生理盐水洗涤，制得生物阴极。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤B中活性炭粉末粒径55.5-74μm、比表面积3500m2/g，活性炭粉末在硫酸盐还原菌菌液中的浓度为90g/L；所述吸附菌液的时间为30min以上。
4.一种微生物微电池，由生物阴极和阳极构成，所述微生物微电池无膜、无导线，阴极和阳极均匀混合呈多点接触的三维结构。所述阳极为活性炭颗粒和厌氧活性污泥按质量比1：2混合而成，活性炭颗粒粒径3-5mm，比表面积500-900m2/g，所述厌氧活性污泥中混合液悬浮固体浓度为10-15g/L；微生物微电池中生物阴极和阳极体积比为1:5。
5.一种酸性矿井废水的处理装置，由槽体、槽盖、进水口，出水口、微生物微电池构成，微生物微电池设置在槽体中下部，进水口位于槽体下部的槽壁上，出水口位于槽体上部的槽壁上，槽体顶部用槽盖进行密封。
6.如权利要求5所述的处理装置，其特征在于：所述处理装置还包括出泥口、进泥管、布泥管、溢流槽，所述出泥口设置在槽体底部，进泥管穿过槽盖中部进入槽体内部，位于槽体内部的进泥管端部设置布泥管与进泥管联通，布泥管上设置若干个喷口，槽体内部靠近出水口一侧设置溢流槽。
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