CN105565473B - 一种菌藻联用生物电化学装置及其应用 - Google Patents

一种菌藻联用生物电化学装置及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种菌藻联用生物电化学装置及其应用，该系统包括模块反应腔体、设置在模块反应腔体顶部的空气阴极、设置在模块反应腔体底部作为阳极的碳毡以及设置在空气阴极与碳毡之间的碳刷，所述的模块反应腔体顶部两端分别设有进水口及出水口，所述的空气阴极与碳毡相对设置，并且所述的碳毡上附着生长有兼性厌氧菌，所述的碳刷上附着生长有藻类植物，所述的空气阴极通过外接电路与碳毡连接，所述的装置用于处理有机污水。与现有技术相比，本发明整体结构简单、紧凑，可进行模块化组合，基于藻类、兼性厌氧菌及空气阴极协同作用，不需设置离子交换膜，经济成本低，构型稳固，运行稳定，具有很好应用前景。

Description

一种菌藻联用生物电化学装置及其应用
技术领域
本发明属于生物电化学技术领域，涉及一种菌藻联用生物电化学装置及其应用。
背景技术
全球性的能源危机使得研究学者们将关注点越来越多地放在开发可替代电力的生产方式上，新的电力生产方式应该是来自于可再生资源并且不增加二氧化碳排放的。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)由于其可以将储存在有机化合物中的化学能通过微生物的催化反应转化为电能的新型能源产生方式，而引起了学术研究学者的极大兴趣。在MFC中微生物被用于系统的产电，同时还能实现有机物或废物的生物降解。
小球藻(Chlorella spp.)是一类普生性单细胞绿藻，属于绿藻门(Chlorphyta)，早在20亿年前就出现在地球上。小球藻可在自养条件下，利用光能和二氧化碳，同时吸收氮、磷进行正常的自养生长，也可以在抑氧培养条件下，利用有机碳源进行生长和繁殖，并能吸收重金属物质；同时，由于其种类繁多，在淡水、海水中均有分布，且易于培养，生长速度快，因此，现已被越来越多地运用于污水处理领域。
目前，运用藻类作为微生物燃料电池中的光合生物进行污水处理的相关技术已有报道。
例如，授权公告号为CN 101764241 B的中国专利公开了一种藻类阴极双室微生物燃料电池，将藻类悬浮在阴极电解液中，相较于附着在电极上增加了藻类的生物量，充分利用了光源。但相较于直接将藻类附着在电极上，这种构型无法将藻类光合作用产生的电子充分传递到外电路形成回路，对MFC的电能输出没有利处；且双室的构造需要质子交换膜，无形中增大了装置的成本。
另，授权公告号为CN 104112868 B的中国专利公开了一种单室无介体藻类微生物燃料电池，将藻类微生物悬浮液加入到玻璃容器中，在玻璃容器中插入阳极和阴极碳棒，硝酸纤维素涂布于阴极碳棒上以防止藻类的附着，利用藻类光合作用产生的氧气作为电子受体。这种构型结构简单，无需质子交换膜和电子中介体。
然而，上述专利均只利用了单一藻类，无法避免藻类在夜晚时无法进行光合作用，使得污水处理缺少电子受体的缺点，同时，对于外部进水流量及污染物浓度的变化也没有相应的调节机制。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、紧凑，可进行模块化组合，基于藻类、兼性厌氧菌及空气阴极协同作用，来进行污水处理的菌藻联用生物电化学系统及其应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种菌藻联用生物电化学装置，该系统包括模块反应腔体、设置在模块反应腔体顶部的空气阴极、设置在模块反应腔体底部作为阳极的碳毡以及设置在空气阴极与碳毡之间的碳刷，所述的模块反应腔体顶部两端分别设有进水口及出水口，所述的空气阴极与碳毡相对设置，并且所述的碳毡上附着生长有兼性厌氧菌，所述的碳刷上附着生长有藻类植物，所述的空气阴极通过外接电路与碳毡连接。
所述的碳刷沿模块反应腔体内壁垂直设置在碳毡上。
所述的碳刷底部设有金属杆，并通过金属杆与碳毡固定连接。
所述的兼性厌氧菌为红螺菌，所述的藻类植物为球藻。
所述的外接电路为设有可调电阻的外接电路，并且所述的可调电阻的阻值变化范围为0-9999Ω。
所述的模块反应腔体顶部两端分别设有凸起腔，所述的进水口、出水口均分别通过凸起腔与模块反应腔体连通。
所述的进水口与出水口的高度相同，并且所述的进水口的高度大于空气阴极的高度，这样能使进水可充满模块反应腔体，保证空气阴极与污水的充分接触，提高空气阴极的有效利用面积；同时，在多个模块反应腔体堆叠时，可以给空气阴极留出充分的暴露于空气中的空间。
所述的模块反应腔体的顶部、底部还分别设有用于将两模块反应腔体堆叠连接的连接座。
多个模块反应腔体通过连接座由下而上依次堆叠组合在一起，并且上下相邻两模块反应腔体之间通过管道连通，污水由顶部模块反应腔体的进水口进入，并由上而下依次流经各个模块反应腔体，对污水进行多级处理。
在实际使用时，可以采用提升泵将污水泵入至顶部模块反应腔体。
一种菌藻联用生物电化学装置的应用，所述的装置用于处理有机污水。
所述的有机污水为含有氮、磷及重金属的有机污水，pH约为7.5-8.5，溶解氧浓度约为0.5mg/L。
本发明装置中，阳极主体为附着生长兼性厌氧菌的碳毡，上面附着的兼性厌氧菌发生氧化反应，降解有机物的同时，产生电子；所述的碳刷设置在模块反应腔体四壁位置处，吸收光能，碳刷上附着生长的球藻，可进行光合作用，水解H2O并产生H+、电子和氧气，同时吸收氮、磷进行正常的自养生长，也可在异养培养条件下利用有机碳源进行生长和繁殖；而产生的氧气上浮到达空气阴极下表面，产生的电子经由底部金属杆传递到碳毡进而通过外接电路到达阴极主体，两者均能促进阴极还原反应的发生，加强反应器的电能输出；阴极主体为空气阴极，空气阴极上部充分接触空气，下部接收部分球藻光合作用产生的氧气，在空气阴极部分，氧气作为电子受体，与电子发生还原反应。
由于所述的模块反应腔体内同时存在厌氧兼性菌、藻类及空气阴极，在有外部光照的情况下可以充分利用光能，藻类光合作用产生的氧气上浮至空气阴极下表面，增大了空气阴极处氧气的浓度以及空气阴极的反应面积，产生的电子可以通过底部金属杆经碳毡收集，再由外电路传递至空气阴极，两者均能促进空气阴极还原反应的发生，加强了模块反应腔体的产电能力；而在无外部光照的情况下，兼性厌氧菌与空气阴极仍然可以进行有机物的降解，这就能够有效弥补纯藻类微生物燃料电池夜间不能进行污水处理的缺点。
与现有技术相比，本发明装置可以将藻类、兼性厌氧菌及空气阴极协同作用进行污水处理，弥补了藻类夜晚无法继续利用光合作用产生电子受体进行污水处理的缺陷；同时，可以利用藻类吸收氮、磷及部分有机物用于自身生长的特点对污水进行进一步的优化处理；藻类光合作用产生的氧气和电子也能对阴极还原反应有促进作用，加强模块反应腔体的产电能力；本发明还采用模块化设计，可通过上下堆叠多个模块反应腔体，来实现对有机污水的多级处理，进一步提高污水的处理效果。本发明具有以下特点：
1)联合利用菌、藻及空气阴极对污水中的有机物、氮、磷及部分重金属进行处理；
2)碳刷设置在模块反应腔体四壁位置，上面附着生长的小球藻可以充分利用光能，通过光合作用产生氧气和电子，产生的氧气上浮到达空气阴极，空气阴极上部充分接触空气，下部接收部分小球藻光合作用产生的氧气，促进了氧气与电子还原反应的发生，产生的电子对模块反应腔体电能的输出也有加强作用；
3)污水中所含的有机物、氮、磷及部分重金属经由藻类、兼性厌氧菌及空气阴极的联合处理后，可提升对污水的处理效果；
4)模块反应腔体为模块化设计，腔体的顶部及底部分别设有连接座，可以通过上下堆叠多个模块反应腔体，各模块反应腔体之间通过软管连接，并通过外部提升泵一次提升污水，污水由顶部模块反应腔体进入，从上往下依次流经各个模块反应腔体，进一步提升污水的处理效果；
5)模块反应腔体内同时存在厌氧兼性菌、藻类及空气阴极，在有外部光照的情况下可以充分利用光能提高反应器的电能输出和污染物处理效果，在无外部光照的情况下，兼性厌氧菌和空气阴极仍然可以进行有机物的降解，弥补了纯藻类微生物燃料电池夜间不能进行污水处理的缺点；
6)整体结构简单、紧凑，可进行模块化组合，基于藻类、兼性厌氧菌及空气阴极协同作用，不需设置离子交换膜，经济成本低，构型稳固，运行稳定，具有很好应用前景。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图中标记说明：
1—空气阴极、2—碳毡、3—碳刷、4—外接电路、5—进水口、6—出水口、7—连接座、8—模块反应腔体、9—金属杆、10—凸起腔、11—可调电阻。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
如图1所示，一种菌藻联用生物电化学装置，该系统包括模块反应腔体8、设置在模块反应腔体8顶部的空气阴极1、设置在模块反应腔体8底部作为阳极的碳毡2以及设置在空气阴极1与碳毡2之间的碳刷3，模块反应腔体8顶部两端分别设有进水口5及出水口6，空气阴极1与碳毡2相对设置，并且碳毡2上附着生长有兼性厌氧菌，碳刷3上附着生长有藻类植物，空气阴极1通过外接电路4与碳毡2连接。外接电路4为设有可调电阻11的外接电路4，并且可调电阻11的阻值变化范围为0-9999Ω。
其中，碳刷3沿模块反应腔体8内壁垂直设置在碳毡2上，碳刷3底部设有金属杆9，并通过金属杆9与碳毡2固定连接，兼性厌氧菌为红螺菌，藻类植物为球藻。
模块反应腔体8顶部两端分别设有凸起腔10，进水口5、出水口6均分别通过凸起腔10与模块反应腔体8连通，进水口5与出水口6的高度相同，并且进水口5的高度大于空气阴极1的高度，这样能使进水可充满模块反应腔体8，保证空气阴极1与污水的充分接触，提高空气阴极1的有效利用面积；同时，在多个模块反应腔体8堆叠时，可以给空气阴极1留出充分的暴露于空气中的空间。
模块反应腔体8的顶部、底部还分别设有用于将两模块反应腔体8堆叠连接的连接座7。多个模块反应腔体8通过连接座7由下而上依次堆叠组合在一起，并且上下相邻两模块反应腔体8之间通过管道连通，污水由顶部模块反应腔体8的进水口5进入，并由上而下依次流经各个模块反应腔体8，对污水进行多级处理。
本实施例菌藻联用生物电化学装置用于处理有机污水。有机污水为含有氮、磷及重金属的有机污水，pH约为7.5-8.5，溶解氧浓度约为0.5mg/L。
在实际设计时，模块反应腔体1、进水口5、出水口6均采用有机玻璃制成，模块反应腔体8为立方体型构造，长为1m，宽为0.8m，高为0.5m，容积约为0.4m3。
在实际使用过程中，污水由模块反应腔体8顶部进水口5流入，污水中的有机物在模块反应腔体8内经由藻类及模块反应腔体8底部的兼性厌氧菌降解，污水中的氮、磷也可经由藻类吸收用作自身生长而有效去除。藻类光合作用产生的电子可通过碳刷3底部金属杆9传递至碳毡2，兼性菌降解有机物产生的电子和藻类产生的电子均可经由碳毡2传递至外接电路4，再进入空气阴极1与氧气发生还原反应。藻类光合作用产生的氧气上浮至空气阴极1进一步促进阴极反应的发生。经处理的废水由模块反应腔体8顶部出水口6流出。若要堆叠多个模块反应腔体8对污水进行多级处理的话，则通过连接座7进行多个模块反应腔体8的连接，并在顶部模块反应腔体8的进水口处增设外部提升泵。
由于模块反应腔体8内同时存在厌氧兼性菌、藻类及空气阴极，在有外部光照的情况下可以充分利用光能，藻类光合作用产生的氧气上浮至空气阴极1下表面，增大了空气阴极1处氧气的浓度以及空气阴极1的反应面积，产生的电子可以通过底部金属杆9经碳毡2收集，再由外接电路4传递至空气阴极1，两者均能促进空气阴极1还原反应的发生，加强了模块反应腔体8的产电能力；而在无外部光照的情况下，兼性厌氧菌与空气阴极仍然可以进行有机物的降解，这就能够有效弥补纯藻类微生物燃料电池夜间不能进行污水处理的缺点。

Claims (8)

1.一种菌藻联用生物电化学装置，其特征在于，该装置包括模块反应腔体(8)、设置在模块反应腔体(8)顶部的空气阴极(1)、设置在模块反应腔体(8)底部的作为阳极的碳毡(2)以及设置在空气阴极(1)与碳毡(2)之间的碳刷(3)，所述的模块反应腔体(8)顶部两端分别设有进水口(5)及出水口(6)，所述的空气阴极(1)与碳毡(2)相对设置，并且所述的碳毡(2)上附着生长有兼性厌氧菌，所述的碳刷(3)上附着生长有藻类植物，所述的空气阴极(1)通过外接电路(4)与碳毡(2)连接；
所述的碳刷(3)沿模块反应腔体(8)内壁垂直设置在碳毡(2)上；
所述的碳刷(3)底部设有金属杆(9)，并通过金属杆(9)与碳毡(2)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种菌藻联用生物电化学装置，其特征在于，所述的兼性厌氧菌为红螺菌，所述的藻类植物为球藻。
3.根据权利要求1所述的一种菌藻联用生物电化学装置，其特征在于，所述的外接电路(4)为设有可调电阻(11)的外接电路(4)，并且所述的可调电阻(11)的阻值变化范围为0-9999Ω。
4.根据权利要求1所述的一种菌藻联用生物电化学装置，其特征在于，所述的模块反应腔体(8)顶部两端分别设有凸起腔(10)，所述的进水口(5)、出水口(6)均分别通过凸起腔(10)与模块反应腔体(8)连通。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种菌藻联用生物电化学装置，其特征在于，所述的进水口(5)与出水口(6)的高度相同，并且所述的进水口(5)的高度大于空气阴极(1)的高度。
6.根据权利要求1至4任一项所述的一种菌藻联用生物电化学装置，其特征在于，所述的模块反应腔体(8)的顶部、底部还分别设有用于将两模块反应腔体(8)堆叠连接的连接座(7)。
7.根据权利要求6所述的一种菌藻联用生物电化学装置，其特征在于，多个模块反应腔体(8)通过连接座(7)由下而上依次堆叠组合在一起，并且上下相邻两模块反应腔体(8)之间通过管道连通，污水由顶部模块反应腔体(8)的进水口(5)进入，并由上而下依次流经各个模块反应腔体(8)，对污水进行多级处理。
8.一种如权利要求1所述的菌藻联用生物电化学装置的应用，其特征在于，所述的装置用于处理有机污水。
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