CN107887628A - 一种处理含铅污水的藻阴极微生物燃料电池 - Google Patents
一种处理含铅污水的藻阴极微生物燃料电池 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种处理含铅污水的藻阴极微生物燃料电池，其包括阳极室、污水室、阴极室，其中阳极为固定化污泥活性炭电极与阴极为泡沫镍加载石墨烯电极，两块电极由导线引出并外接电阻，形成完整电路，阳极室与阴极室通过污水室和顶部通气管道分别相连，阳极室内可装城市污水、食品企业污水及下脚料、化肥厂污水或农业生产废弃物等高COD废水，阴极室含有藻类活体及电解液，污水室盛含铅污水。本发明藻阴极微生物燃料电池的阳极可有效利用COD产电，同时脱除含铅污水中的铅离子。本发明是一种再循环利用洁净水处理方法，既减少了企业的运行成本，又可获得再利用水，其绿色环保、节能低耗，工业化推广前景广阔。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种处理含铅污水的藻阴极微生物燃料电池。
背景技术
自工业革命以来，水污染问题一直困扰着世界各国，生产与生活污水的排放，导致生活环境急剧恶化，水体污染、水资源短缺、水生态失衡造成严重环境安全问题。因此，合理处理水污染，已成为亟待解决的技术问题。
近些年，经研究发现，很多产电微生物可有效去除有机物的污染，同时回收电能。目前，国内外污水处理技术以生物技术为主，利用微生物去除有机物污染。但微生物降解有机质产生酸性物质，导致环境pH值降低，抑制了其生物活性，从而丧失污水处理效能，为其应用于工业化污水处理增加了技术难度。另外，很多微生物仅能附着在阳极表面，需通过昂贵的电极材料和催化剂发挥微生物燃料电池处理废水的作用，致使成本太高，限制了微生物燃料电池工业化应用。因此，构建高效，低成本，且具实用性的微生物燃料电池具有广阔的前景。
发明内容
本发明所要解决的技本问题是：微生物分解有机质，导致环境PH降低，微生物活性受抑制的问题。本发明提供一种产电同步脱除污染的微生物燃料电池技术。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供一种处理含铅污水的藻阴极微生物燃料电池，其包括阳极室、污水室、阴极室，其中阳极为固定化污泥活性炭电极与阴极为泡沫镍加载石墨烯电极，两块电极由导线引出并外接电阻，形成完整电路，阳极室与阴极室通过污水室和顶部通气管道分别相连，阳极室内可装城市污水、食品企业污水及下脚料、化肥厂污水或农业生产废弃物等高COD废水，阴极室含有藻类活体及电解液，污水室盛含铅污水。具体步骤为：
1)构建微藻阴极微生物燃料电池
电池由三室组成：阳极室、污水室、阴极室。其中阳极有固定化污泥活性炭电极与阴极有泡沫镍加载石墨烯电极，两块电极由导线引出并外接电阻，形成完整电路，阳极室与阴极室通过污水室和顶部通气管道相连。
2)电池运行
将含COD污水加入微生物燃料电池的阳极室，将含有重金属的污水注入微生物燃料电池的污水室，将藻类加入微生物燃料电池的阴极室，通过自发电化学反应启动电池。
3)重金属去处
在电池运行过程中产生的电子，通过外电路传递给阴极电子受体氧气，产生氢氧根，从而以碱性沉淀形式去除重金属。
4)电能及循环水回收
微生物代谢脱除阳极室中的COD，代谢过程中产生电子，电子由阳极通过外电路传递到阴极过程中，在外电路中形成电流，实现电能回收。经微生物燃料电池处理的污水为有效去除重金属的处理水，可直接进行排放或循环利用。
所述的一种处理含铅污水的藻阴极微生物燃料电池，其特征在于，所述藻阴极微生物燃料电池在阳极脱除COD，同时在阴极脱除污水中铅离子，并产电，其处理的污水可作为再循环水利用。
所述的一种处理含铅污水的藻阴极微生物燃料电池，其特征在于，藻类在阴极室中通过特定电解液刺激，其代谢产物可创造7.5-10.95的水环境；借助碱性水环境，氧气接受电子生成氢氧根。
所述的一种处理含铅污水的藻阴极微生物燃料电池，其特征在于，阴极电极为以泡沫镍为基底加载石墨烯的超电容电极。
所述的一种处理含铅污水的藻阴极微生物燃料电池，其特征在于，整个微生物燃料电池是一个自循环系统：阳极产生的二氧化碳，通过顶部通气管到阴极室，成为藻类生长的基质；阴极死亡藻类，作为阳极微生物生长基质。
下面结合具体实施方式对本发明进行详细描述，所述的实施案例有助于对本发明的理解和实施，并非构成对本发明的限制。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。
附图说明
图1为三室型微生物燃料电池示意图。
图中：1.阳极室；2.阳极；3.钛丝；4.电阻箱；5阴极；6阴极室；7离子交换膜；8 污水室
具体实施方式：
实施例1
如图1所示，本实施实例的微生物燃料电池包括：阳极室1、阴极室6、阳极电极2、阴极电极5、质子交换膜7、污水室8和外电路3、4.
微生物燃料电池准备：三室型微生物燃料电池装置为聚丙烯有机玻璃，以阴阳离子交换膜隔开阴阳室与污水室。
1)电极准备：
阳极电极：取污水处理厂厌氧污泥，划平板法分离污泥中菌落，在40℃厌氧培养3天；用培养液冲洗平板表面菌落，在35℃厌氧培养5天；将培养液接入3倍体积的培养液中，在38℃厌氧培养5天，离心得污泥活菌，加入少量培养液，充分溶解，在12℃贮存12h，转移至-2℃贮存36h，随后真空冷冻干燥，即得污泥菌；将污泥菌3mg/ml、季铵盐15mg/ml、导电炭黑5mg/ml、活性炭85mg/ml与PVDF10份混合均匀，得混合电极材料；混合电极材料用压片机压片，真空条件下40℃干燥12h，即得活性污泥菌固定化阳极电极；
阴极电极：石墨烯10mg/ml、导电炭黑5mg/ml、活性炭85mg/ml与PVDF10份混合均匀，得混合电极材料；混合电极材料用压片机压片，真空条件下65℃干燥4h，将干燥后材料平铺至泡沫镍上，用压片机压片，即得超级电容电极；
2)电路连接：分别将阴阳电极放入阴阳极室，用钛丝连接到电阻箱上，设置外电阻为1千欧，接入数据采集卡。
3)在阳极室加入城市污水和核黄素0.2mmol/L的基质，加入BG11培养基的微量元素，微量元素配方：MnCl2 0.01g/L、ZnSo4 0.01 g/L、 CaCl2 0.01 g/L、 CoCl2 0.01 g/L；污水室添加1000mg/L的Pb(No3)2；阴极室加入藻及BG11溶液；
4)启动：启动前先将电池阳极室密封，运行微生物燃料电池，通过数据采集卡实施监测微生物燃料电池的工作电压，在经过3个循环后，微生物燃料电池性能稳定，电池启动成功。采用循环伏安法和调节电阻箱测定电池的产电性能。通过功率密度、极化曲线和电压可以判断，本发明获得的微生物燃料电池性能优秀。
5)检测阳极COD去除的情况，在阳极室COD脱除高达99.8%。
实施例2
如图1所示，本实施实例的微生物燃料电池包括：阳极室1、阴极室6、阳极电极2、阴极电极5、质子交换膜7、污水室8和外电路3、4。三室型微生物燃料电池装置为聚丙烯有机玻璃，以阴阳离子交换膜隔开阴阳室与污水室，其中阳极用阴离子交换膜，阴极用阳离子交换膜。
1)电极准备：
阳极电极：取污水处理厂厌氧污泥，划平板法分离污泥中菌落，在42℃厌氧培养3天；用培养液冲洗平板表面菌落，在38℃厌氧培养5天；将培养液接入3倍体积的培养液中，在35℃厌氧培养5天，离心得污泥活菌，加入少量培养液，充分溶解，在12℃贮存12h，转移至-2℃贮存36h，随后真空冷冻干燥，即得污泥菌；将污泥菌3mg/ml、季铵盐15mg/ml、导电炭黑5mg/ml、活性炭85mg/ml与PVDF10份混合均匀，得混合电极材料；混合电极材料用压片机压片，真空条件下40℃干燥12h，即得活性污泥菌固定化阳极电极；
阴极电极：石墨烯10mg/ml、导电炭黑5mg/ml、活性炭85mg/ml与PVDF10份混合均匀，得混合电极材料；混合电极材料用压片机压片，真空条件下65℃干燥4h，将干燥后材料平铺至泡沫镍上，用压片机压片，即得超级电容电极；
2)电路连接：分别将阴阳电极放入阴阳极室，用钛丝连接到电阻箱上，设置外电阻为1千欧，接入数据采集卡。
3)在阳极室加入城市污水和核黄素0.2mmol/L的基质，加入BG11培养基的微量元素，微量元素配方：MnCl2 0.01g/L、ZnSo4 0.01 g/L、 CaCl2 0.01 g/L、 CoCl2 0.01 g/L；污水室添加BG11溶液，阴极室加入藻及BG11溶液；
4)启动：启动前先将电池阳极室密封，运行微生物燃料电池，通过数据采集卡实施监测微生物燃料电池的工作电压，在经过3个循环后，微生物燃料电池性能稳定，电池启动成功。采用循环伏安法和调节电阻箱测定电池的产电性能。通过功率密度、极化曲线和电压可以判断，本发明获得的微生物燃料电池性能优秀。
5)启动后的微生物燃料电池污水室中加入带正电荷的重金属离子，如铅离子、铜离子等。
6)检测脱除重金属和阳极COD去除的情况，在阳极室COD脱除高达99.9%，污水室和阴极室中重金属的含量降到0.001mg/L。
实施例3
如图1所示，本实施实例的微生物燃料电池包括：阳极室1、阴极室6、阳极电极2、阴极电极5、质子交换膜7、污水室8和外电路3、4，三室型微生物燃料电池装置为聚丙烯有机玻璃，以阴阳离子交换膜隔开阴阳室与污水室，其中阳极室用阳离子交换膜，阴极室用阴离子交换膜。
1)电极准备：
阳极电极：取污水处理厂厌氧污泥，划平板法分离污泥中菌落，在40℃厌氧培养3天；用培养液冲洗平板表面菌落，在35℃厌氧培养5天；将培养液接入3倍体积的培养液中，在35℃厌氧培养5天，离心得污泥活菌，加入少量培养液，充分溶解，在12℃贮存12h，转移至-2℃贮存36h，随后真空冷冻干燥，即得污泥菌；将污泥菌3mg/ml、季铵盐15mg/ml、导电炭黑5mg/ml、活性炭85mg/ml与PVDF10份混合均匀，得混合电极材料；混合电极材料用压片机压片，真空条件下40℃干燥12h，即得活性污泥菌固定化阳极电极；
阴极电极：石墨烯10mg/ml、导电炭黑5mg/ml、活性炭85mg/ml与PVDF10份混合均匀，得混合电极材料；混合电极材料用压片机压片，真空条件下65℃干燥4h，将干燥后材料平铺至泡沫镍上，用压片机压片，即得超级电容电极；
2)电路连接：分别将阴阳电极放入阴阳极室，用钛丝连接到电阻箱上，设置外电阻为1千欧，接入数据采集卡。
3)在阳极室加入城市污水和核黄素0.2mmol/L的基质，加入BG11培养基的微量元素，微量元素配方：MnCl2 0.01g/L、ZnSo4 0.01 g/L、 CaCl2 0.01 g/L、 CoCl2 0.01 g/L；污水室添加BG11溶液；阴极室加入藻及BG11溶液；
4)启动：启动前先将电池阳极室密封，运行微生物燃料电池，通过数据采集卡实施监测微生物燃料电池的工作电压，在经过3个循环后，微生物燃料电池性能稳定，电池启动成功。采用循环伏安法和调节电阻箱测定电池的产电性能。通过功率密度、极化曲线和电压可以判断，本发明获得的微生物燃料电池性能优秀。
5)启动后的微生物燃料电池污水室添加重金属阴离子溶液，如重铬酸钾。
6)检测脱除重金属和阳极COD去除的情况，在阳极室COD脱除高达99.7%，污水室和阴极室中重金属的含量降到0mg/L。
Claims (5)
1.本发明涉及一种处理含铅污水的藻阴极微生物燃料电池，其包括阳极室、污水室、阴极室，其中阳极为固定化污泥活性炭电极与阴极为泡沫镍加载石墨烯电极，两块电极由导线引出并外接电阻，形成完整电路，阳极室与阴极室通过污水室和顶部通气管道分别相连，阳极室内可装城市污水、食品企业污水及下脚料、化肥厂污水或农业生产废弃物等高COD废水，阴极室含有藻类活体及电解液，污水室盛含铅污水。
2.根据权利要求1所述的一种处理含铅污水的藻阴极微生物燃料电池，其特征在于，所述藻阴极微生物燃料电池在阳极脱除COD，同时在阴极脱除污水中铅离子，并产电，其处理的污水可作为再循环水利用。
3.根据权利要求1所述的一种处理含铅污水的藻阴极微生物燃料电池，其特征在于，藻类在阴极室中通过特定电解液刺激，其代谢产物可创造7.5-10.95的水环境；借助碱性水环境，氧气接受电子生成氢氧根。
4.根据权利要求1 所述的一种处理含铅污水的藻阴极微生物燃料电池，其特征在于，阴极电极为以泡沫镍为基底加载石墨烯的超电容电极。
5.根据权利要求1所述的一种处理含铅污水的藻阴极微生物燃料电池，其特征在于，整个微生物燃料电池是一个自循环系统：阳极产生的二氧化碳，通过顶部通气管到阴极室，成为藻类生长的基质；阴极死亡藻类，作为阳极微生物生长基质。
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