CN108155407A - 一种微藻型微生物燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微藻型微生物燃料电池，阳极室设有顶盖，阳极室下部设有泄空口，侧面设有四个出水口，用于出水和取样；阳极室中反应基质放置厌氧污泥，反应区顶盖上开有顶部进水口、参比电极及阳极导线固定口和两个预留孔；阴极室设有密封盖，下部设有泄空口，侧面设有四个出水口，阴极室用于培养微藻，顶盖设有顶部进水口、参比电极及阴极导线固定口和两个不同尺寸的预留孔；阳极室和阴极室通过法兰连接为一体，拼接处设有硅胶板进行密封，硅胶板中设有质子交换膜将阳极室和阴极室分隔开。该电池结构简单且易于实现，不仅满足实验阶段研究使用，同时也能为微藻型微生物燃料电池的实际使用提供理论基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种微生物燃料电池，具体来说，涉及一种微藻型微生物燃料电池，该电池是一种可用于污水资源化、电能生产及获取微藻生物质能的反应装置。
背景技术
我国生猪养殖行业在1990年以前主要以散养模式为主，年出栏生猪占比达到90％。之后生猪规模化养殖比例不断上升，到2010年末已经接近66％。虽然我国畜禽养殖业在逐步向规模化、集约化方向发展，但以农户为单元的分散式养殖还占有很大比例。这些养殖户规模一般较小，投资能力有限，几乎不会兴建污染防治设施。目前，我国每年约产生畜禽粪便45亿吨，其化学需氧量(COD)远远超过我国工业废水和生活污水之和。对于规模化、集约化的养猪场，每天排放的养殖废水量大且集中，含有粪便、散落的饲料末和尿液等，成分复杂，处理难度大。养猪废水是一种富含N、P、COD与SS的高浓度有机废水，废水中氨氮浓度可达1000-3000mg/L，是市政污水的50-100倍，废水中的C/N通常为5-20。目前其处理方法主要有还田模式、自然处理模式和工业化处理模式。这些处理方法虽然在一定程度上能降低养殖废液对环境的破坏，但仍存在一些不足，如工艺复杂、管理维护困难、技术难度大、高成本、高能耗、占地大和处理不彻底等。
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFCs)是一种废水资源化技术，可用于生活污水、猪场废水、食品加工废水及垃圾渗滤液等高浓度废水处理。微生物燃料电池具有污泥产生量小、电池维护低成本、安全性强、清洁高效无污染且可实现零排放等优点，在养殖废水的处理中具有十分可观的研究和应用前景。基于这些现状和技术经济要求，未来微生物电生产可能成为生物能源的重要形式，因为MFCs可从大量的可溶性或溶解性的复杂有机废物和可再生生物质中进行电能生产。
同时，由于环境负面影响和可用能源的有限性，能源微藻作为生物柴油引起了广泛关注，微藻型微生物燃料电池在这样的背景下得以迅猛发展。将微藻应用于MFCs阴极，通过光合作用生成O2为MFCs提供电子受体，利用CO2、无机氮、磷在光照条件下合成生长所需的有机物，将污染废物能及光能转化为生物质能，提高MFCs处理氮、磷废水的能力并获取藻类生物质能。微生物应用于MFCs阳极，厌氧条件可有效降低废水COD。利用阳极出水中含有的有机物培养微藻，有效促进微藻的生长。近年来，不管是国内外有关利用微藻生产生物柴油的基础研究，还是应用开发报道都呈现大幅增长的态势，表明能源微藻具有巨大的市场潜力。因此亟需开发一种易于实现的微藻型微生物燃料电池。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种微藻型微生物燃料电池，该电池的阳极盛放厌氧微生物，阴极盛放微藻，该微生物燃料电池能够用于废水资源化、电能生产及获取微藻生物质能，结构简单且易于实现。
本发明采用的技术方案如下：
一种微藻型微生物燃料电池，包括阳极室、阴极室和质子交换膜，阳极室和阴极室连接且内腔相通，阳极室和阴极室在连接面处密封；质子交换膜设置在阳极室和阴极室之间，并将阳极室和阴极室的内腔分隔；
阳极室的内腔装有阳极端反应电极，阳极端反应电极上连接有阳极导线；
阳极室的上端具有阳极盖板，阳极盖板上开设有阳极顶盖气体排放和收集孔、第一出线孔、第一参比电极固定孔和第一顶部进水口；阳极导线从第一出线孔穿出阳极室；
阴极室的结构与阳极室的结构相同，阳极室和阴极室内均填充有微生物燃料。
阳极室和阴极室的端面均具有法兰，阳极室和阴极室的法兰上分别设置有第一密封硅胶和第二密封硅胶，阳极室和阴极室通过法兰、螺栓、第一密封硅胶和第二密封硅胶密封连接。
阳极室和阴极室的底部分别设有阳极底部泄空口和阴极底部泄空口。
阳极室和阴极室上均水平设有第一侧面出水口、第二侧面出水口、第三侧面出水口和第四侧面出水口，第一侧面出水口和第二侧面出水口处于同一水平高度，第三侧面出水口和第四侧面出水口处于同一水平高度，且高于第一侧面出水口的水平高度。
阳极室和阴极室的底部分别设有阳极底部支座和阴极底部支座。
阳极端反应电极的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板，阳极端反应电极的表面积与阳极室容积之比为24～96m2:1m3；阴极端反应电极的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板，阴极端反应电极的表面积与阴极室容积之比为24～96m2:1m3。
微生物燃料包括BG11培养基和厌氧污泥，其中，阳极室中接种的是厌氧污泥，厌氧污泥反应基质的pH值为7.0～7.8，COD为1200～1800mg/L，氨氮为280～420mg/L，磷为18～28mg/L；
阴极室中采用的是BG11培养基，接种微藻。
微藻为小球藻或斜生栅藻。
阳极室和阴极室为尺寸相同的立方形反应器，长宽高之比为11:10:12，阳极室和阴极室内的微生物燃料体积占各自容积的2/3～3/4，阳极室和阴极室内微生物燃料上部气体空间占各自容积的1/4～1/3。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的微藻型微生物燃料电池的质子交换膜设置在阳极室和阴极室之间，并将阳极室和阴极室的内腔分隔，阳极室的内腔装有阳极端反应电极，阳极端反应电极上连接有阳极导线；阳极室的上端具有阳极盖板，阳极盖板上开设有阳极顶盖气体排放和收集孔、第一出线孔、第一参比电极固定孔和第一顶部进水口；阳极导线从第一出线孔穿出阳极室；阴极室的结构与阳极室的结构相同，阳极室和阴极室内均填充有微生物燃料；当微藻型微生物燃料电池接通外电路后，阳极的微生物燃料发生厌氧消化反应，将有机物质氧化成CO2并产生质子和电子，质子通过质子交换膜进入阴极，电子通过阳极导线、外电路和阴极导线而传递至阴极；在阴极室，利用微生物燃料释放O2，O2与上述质子、电子结合生成水，电池形成稳定电流；阴极室中的微生物燃料还能够消耗O2，氧化先前合成的有机物质并产能；本发明电池的电压通过外电路进行记录和收集，根据欧姆定律计算电流大小，由此达到废水资源化、电能生产和获取微藻生物质能“三用一体”的效果。因此，本发明的微生物燃料电池能够用于废水资源化、电能生产及获取微藻生物质能，结构简单且易于实现；
本发明主要有如下几点实际应用价值：(1)有助于改善猪场废水不合理排放造成的环境污染，并可以提高水资源的循环利用，缓解水资源短缺问题；(2)高效利用有机废水中大量的有机物转化为电能，对于缓解能源匮乏，促进经济可持续发展具有重要意义；(3)获取的能源微藻生物质能有效缓解石油资源短缺问题；(4)可为微藻型微生物燃料电池的实际使用提供理论基础。
进一步的，阳极室和阴极室上均水平设有第一侧面出水口、第二侧面出水口、第三侧面出水口和第四侧面出水口，便于在不同位置取样检测以及出水。
进一步的，阳极端反应电极的表面积与阳极室容积之比为24～96m2:1m3；阴极端反应电极的表面积与阴极室容积之比为24～96m2:1m3，因起产电作用的微生物基本为附着在反应电极上的微生物，本发明在相同的体积下为微生物的生长提供更广阔的附着生长环境，更有利于生物膜的形成，从而提高产电效率。
进一步的，厌氧污泥反应基质的pH值为7.0～7.8，COD为1200～1800mg/L，氨氮为280～420mg/L，磷为18～28mg/L，由于养猪废水为高浓度有机废水，不同的源头处理模式会使进入后续反应设施的废水浓度存在差异，该值为模拟某一经过固液分离与液液分离的养猪废水水质特征。
进一步的，阳极室和阴极室为尺寸相同的立方形反应器，长宽高之比为11:10:12，阳极室和阴极室相近的长宽高值可使反应基质在横向和纵向分布更加均匀，减小营养不均衡对微生物生长所造成的影响，促进反应电极生物膜的形成。阳极室和阴极室内的微生物燃料体积占各自容积的2/3～3/4，阳极室和阴极室内微生物燃料上部气体空间占各自容积的1/4～1/3，上部气体空间的预留用于反应产气的收集测定，进而可对反应机理进行进一步的分析。
附图说明
图1为本发明微藻型微生物燃料电池的结构示意图；
图2为图1的A-A剖面图；
图3为本发明的微藻型微生物燃料电池的俯视图。
图中：1-阳极室、2-阴极室、3-质子交换膜、4-阳极室内腔、5-阴极室内腔、6-阳极液上部气体空间、7-阴极液上部气体空间、8-阳极端反应电极、9-阴极端反应电极、10-阳极导线、11-阴极导线、12-第一密封硅胶、13-第二密封硅胶、14-阳极底部支座、15-阴极底部支座、16-阳极底部泄空口、17-阴极底部泄空口、18-第一阳极侧面出水口、18-1-第二阳极侧面出水口、19-第一阴极侧面出水口、19-1-第二阴极侧面出水口、20-第三阳极侧面出水口、20-1-第四阳极侧面出水口、21-第三阴极侧面出水口、21-1-第四阴极侧面出水口、22-阳极顶盖气体排放和收集孔、23-阴极顶盖气体排放和收集孔、24-法兰、25-第一出线孔、25-1-第二出线孔、26-第一参比电极固定孔、26-1-第二参比电极固定孔、27-第一预留开孔、27-1-第三预留开孔、28-第二预留开孔、28-1-第四预留开孔、29-第一顶部进水口、29-1-第二顶部进水口、30-阳极顶盖、31-阴极顶盖。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明作进一步的说明。
如图1至图3所示，本发明的微藻型微生物燃料电池，包括阳极室1、阴极室2和质子交换膜3，阳极室1和阴极室2连接且内腔相通，阳极室1和阴极室2在连接面处密封；质子交换膜3设置在阳极室1和阴极室2之间，并将阳极室1和阴极室2的内腔分隔；
阳极室1的内腔装有阳极端反应电极8，阳极端反应电极8上连接有阳极导线10；
阳极室1的上端具有阳极盖板30，阳极盖板30上开设有阳极顶盖气体排放和收集孔22、第一出线孔25、第一参比电极固定孔26和第一顶部进水口29；阳极导线10从第一出线孔25穿出阳极室1；
阴极室2的结构与阳极室1的结构相同，阴极室2的内腔装有阴极端反应电极9，阴极端反应电极9上连接有阴极导线11；
阴极室2的上端具有阴极顶盖31，阴极顶盖31上开设有阴极顶盖气体排放和收集孔23、第二出线孔25-1、第二参比电极固定孔26-1和第二顶部进水口29-1；阴极导线11从第二出线孔25-1穿出阴极室2；
阳极室1和阴极室2的底部分别设有阳极底部泄空口16和阴极底部泄空口17；阳极室1和阴极室2上均还水平设有第一侧面出水口(18、19)、第二侧面出水口(18-1、19-1)、第三侧面出水口(20、21)和第四侧面出水口(20-1、21-1)，第一侧面出水口(18、19)和第二侧面出水口(18-1、19-1)处于同一水平高度，第三侧面出水口(20、21)和第四侧面出水口(20-1、21-1)处于同一水平高度，且高于第一侧面出水口(18、19)的水平高度；阳极室1和阴极室2的底部分别设有阳极底部支座14和阴极底部支座15；
阳极室1和阴极室2内均填充有微生物燃料；微生物燃料包括BG11培养基和厌氧污泥，其中，阳极室1中接种的是厌氧污泥，反应基质为模拟养猪废水，反应基质的pH值为7.0～7.8，COD为1200～1800mg/L，氨氮为280～420mg/L，磷为18～28mg/L；
阴极室1中采用的是BG11培养基，接种微藻，如小球藻和斜生栅藻等，采用每天12h光照进行培养。
如图1和图3，结合图2，阳极室1和阴极室2的端面均具有法兰24，阳极室1和阴极室2的法兰上分别设置有第一密封硅胶12和第二密封硅胶13，第一密封硅胶12和第二密封硅胶13为硅胶板，阳极室1和阴极室2通过法兰24、螺栓、第一密封硅胶12和第二密封硅胶13密封连接。
实施例
如图1、图2和图3所示，本实施例的微藻型微生物燃料电池包括阳极室1、阴极室2、及经两块硅胶(12、13)密封并通过法兰24进行固定的质子交换膜3；阳极室1中装有阳极端反应电极8并充注反应基质，反应基质中放置厌氧污泥，含厌氧细菌；阳极端反应电极8上连接有导线10，阳极顶盖30采用活口设计，可打开，阳极顶盖30与阳极室1紧密契合，阳极顶盖30上开设有五个开口，五个开口分别为第一出线孔25、第一参比电极固定孔26、第一预留开孔27、第二预留开孔28和第一顶部进水口29，此外，阳极顶盖30上还设有阳极顶盖气体排放和收集孔22，阳极顶盖气体排放和收集孔22用于气体的收集和排放，在反应阶段时，这些开孔通过木塞进行密封，以保持厌氧条件；
阴极室2中装有阴极端反应电极9，阴极端反应电极9上连接有阴极导线11，阴极顶盖31与阳极顶盖30设计相同，采用活口设计，可打开，阴极顶盖31上设有五个开口，五个开口分别为第二出线孔25-1、第二参比电极固定孔26-1、第三预留开孔27-1、第四预留开孔28-1和第二顶部进水口29-1；
阳极室1侧边共有四个出水口，分别为第一阳极侧面出水口18、第二阳极侧面出水口18-1、第三阳极侧面出水口20和第四阳极侧面出水口20-1；第一阳极侧面出水口18和第二阳极侧面出水口18-1处于同一水平高度，第三阳极侧面出水口20和第四阳极侧面出水口20-1处于同一水平高度，第三阳极侧面出水口20和第四阳极侧面出水口20-1高于第一阳极侧面出水口18和第二阳极侧面出水口18-1的水平高度，便于取样检测；
阴极室2侧边共设有四个出水口，分别为第一阴极侧面出水口19、第二阴极侧面出水口19-1、第三阴极侧面出水口21和第四阴极侧面出水口21-1；第一阴极侧面出水口19和第二阴极侧面出水口19-1处于同一水平高度，第三阴极侧面出水口21和第四阴极侧面出水口21-1处于同一水平高度，第三阴极侧面出水口21和第四阴极侧面出水口21-1高于第一阴极侧面出水口19和第二阴极侧面出水口19-1的水平高度，便于取样检测。
阳极室1和阴极室2的大小尺寸一样，长宽高之比为11:10:12，阳极和阴极反应液分别占阳极室1和阴极室2容积的2/3～3/4，阴极和阳极反应液上部气体空间分别占阳极室1和阴极室2容积的1/4～1/3。
阳极室1中接种的是厌氧污泥，反应基质为模拟养猪废水，反应基质的pH值为7.0～7.8，COD为1200～1800mg/L、氨氮为280～420mg/L、磷为18～28mg/L；
阴极室2中采用的是BG11培养基，接种微藻产氧作为电子受体，采用每天12h光照进行培养。
阳极端反应电极8的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板，表面附着有产电细菌，阳极端反应电极8下端距离阳极室1底部0.5～1cm，阳极端反应电极8表面积与阳极室1体积之比为24～96m2:1m3；阴极端反应电极9的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板，阴极端反应电极9表面积与阴极室2体积之比为24～96m2:1m3。
本发明的微藻型微生物燃料电池在使用时，将模拟废水接入电池的第一顶部进水口29进入阳极室内腔4，并对阳极室1进行N2曝气5分钟用以排除阳极室1中的O2，电池顶部预的第一预留开孔27和第二预留开孔28进行密封处理，保持阳极室1的厌氧环境；
将接种有微藻的BG11培养基接入电池顶部的进水口第二顶部进水口29-1进入阴极室内腔5，阴极室2与大气相通并进行CO2曝气处理，每天曝气0.5h；
当微藻型微生物燃料电池接通外电路后，阳极室1发生厌氧消化反应，微生物在厌氧状态下将大量有机物质氧化分解，生成CO2并产生质子和电子，质子通过质子交换膜3进入阴极，电子通过阳极导线10、外电路和阴极导线11而传递至阴极；在阴极室2，光照阶段开始时，微藻进行光合作用，利用光和CO2合成自身生长所需物质并释放O2，O2与上述质子、电子结合生成水，电池形成稳定电流；在黑暗阶段，微藻通过呼吸作用，消耗O2，氧化先前合成的有机物质并产能；电池的电压通过外电路进行记录和收集，由数据采集卡每5min采集1次，根据欧姆定律计算电流大小，待输出电压低于50mV认为一个反应周期完成，更换阳极废水，原废液从阳极底部泄空口16排出。由此达到废水资源化、电能生产和获取微藻生物质能“三用一体”的效果。
以上所述的实施仅仅是对本发明优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种微藻型微生物燃料电池，其特征在于，包括阳极室(1)、阴极室(2)和质子交换膜(3)，阳极室(1)和阴极室(2)连接且内腔相通，阳极室(1)和阴极室(2)在连接面处密封；质子交换膜(3)设置在阳极室(1)和阴极室(2)之间，并将阳极室(1)和阴极室(2)的内腔分隔；
阳极室(1)的内腔装有阳极端反应电极(8)，阳极端反应电极(8)上连接有阳极导线(10)；
阳极室(1)的上端具有阳极盖板(30)，阳极盖板(30)上开设有阳极顶盖气体排放和收集孔(22)、第一出线孔(25)、第一参比电极固定孔(26)和第一顶部进水口(29)；阳极导线(10)从第一出线孔(25)穿出阳极室(1)；
阴极室(2)的结构与阳极室(1)的结构相同，阳极室(1)和阴极室(2)内均填充有微生物燃料。
2.根据权利要求1所述的一种微藻型微生物燃料电池，其特征在于，阳极室(1)和阴极室(2)的端面均具有法兰(24)，阳极室(1)和阴极室(2)的法兰上分别设置有第一密封硅胶(12)和第二密封硅胶(13)，阳极室(1)和阴极室(2)通过法兰(24)、螺栓、第一密封硅胶(12)和第二密封硅胶(13)密封连接。
3.根据权利要求1所述的一种微藻型微生物燃料电池，其特征在于，阳极室(1)和阴极室(2)的底部分别设有阳极底部泄空口(16)和阴极底部泄空口(17)。
4.根据权利要求1所述的一种微藻型微生物燃料电池，其特征在于，阳极室(1)和阴极室(2)上均水平设有第一侧面出水口(18、19)、第二侧面出水口(18-1、19-1)、第三侧面出水口(20、21)和第四侧面出水口(20-1、21-1)，第一侧面出水口(18、19)和第二侧面出水口(18-1、19-1)处于同一水平高度，第三侧面出水口(20、21)和第四侧面出水口(20-1、21-1)处于同一水平高度，且高于第一侧面出水口(18、19)的水平高度。
5.根据权利要求1所述的一种微藻型微生物燃料电池，其特征在于，阳极室(1)和阴极室(2)的底部分别设有阳极底部支座(14)和阴极底部支座(15)。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种微藻型微生物燃料电池，其特征在于，阳极端反应电极(8)的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板，阳极端反应电极(8)的表面积与阳极室(1)的容积之比为24～96m2:1m3；阴极端反应电极(9)的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板，阴极端反应电极(9)的表面积与阴极室(2)的容积之比为24～96m2:1m3。
7.根据权利要求6所述的一种微藻型微生物燃料电池，其特征在于，微生物燃料包括BG11培养基和厌氧污泥，其中，阳极室(1)中接种的是厌氧污泥，厌氧污泥反应基质的pH值为7.0～7.8，COD为1200～1800mg/L，氨氮为280～420mg/L，磷为18～28mg/L；
阴极室(2)中采用的是BG11培养基，接种微藻。
8.根据权利要求7所述的一种微藻型微生物燃料电池，其特征在于，微藻为小球藻或斜生栅藻。
9.根据权利要求7所述的一种微藻型微生物燃料电池，其特征在于，阳极室(1)和阴极室(2)为尺寸相同的立方形反应器，长宽高之比为11:10:12，阳极室(1)和阴极室(2)内的微生物燃料体积占各自容积的2/3～3/4，阳极室(1)和阴极室(2)内微生物燃料上部气体空间占各自容积的1/4～1/3。
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