CN110498504B - 一种调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置 - Google Patents

一种调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置 Download PDF

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Abstract

本申请涉及生物电化学废水处理的技术领域，尤其涉及一种调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置。本申请包括：反应容器、三电极体系装置、光源装置和光合微生物膜，通过施加不同电势，调节富集产电光合微生物的优势种群，光合微生物通过光合作用和呼吸作用氧化废水中的有机污染物产生光合/呼吸电子，同时在电极电势驱动下加速光合微生物胞内电子利用自身排泄的醌类化合物和胞外膜色素作为胞外氧化还原介体传递光合/呼吸电子至工作电极，再通过外电路到达辅助电极，电子被溶液中的H+接收生成H2从而形成电流，从而提高污水处理效率和产电效率。同时，光合微生物细胞生物质可用作饲料、肥料或用于生产高附加值生化产品。

Description

一种调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化 装置
技术领域
本申请涉及生物电化学的技术领域，尤其涉及一种调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置。
背景技术
人类社会与经济的快速发展导致以化石燃料为主的不可再生能源快速消耗。同时，由于化石燃料使用导致的环境污染问题也越发严重。虽然长期以来，人类在环境污染控制与治理方面采取了大量措施，但并没有从根源上解决由化石燃料使用导致的环境污染问题。大力发展可再生的清洁能源是实现人类社会可持续发展和彻底解决日益严重的环境污染问题的有效途径。
微生物燃料电池(microbial fuel cell，MFC)是一种新型能源与环境治理技术。它可利用微生物的代谢作用，将有机废水中的化学能直接转化为清洁电能，具有广阔的发展前景。研究已经证明，几乎所有的有机废水都可以被用来产电，因此MFC技术可用于一切需要进行有机废水处理的领域，包括市政污水处理厂和产生高浓度废水的工业(例如处理畜牧场或者食品加工厂的废水等)。
光合微生物(如光合细菌、微藻等)是地球上广泛存在的最古老的微生物物种，其通过光合—呼吸作用直接影响大气成份和生态环境，并为其他生命体的生存生活创造条件。从代谢原理来看，光合微生物的光合代谢和呼吸代谢会在胞内产生大量电子，如果能将这些电子通过有效的技术手段提取出来获取生物电能可为人类提供一种新的可再生清洁能源途径。同时，光合微生物易于培养、生长迅速、代谢途径多样，具有利用废水产电的巨大应用潜力。获取具有高电化学活性的光合微生物和持续高效提取光合微生物的光合/呼吸电子是利用光合微生物高效处理废水和产电的前提和关键。
目前，利用光合微生物(如藻、光合细菌)处理废水和净化污染水体的装置，其污水处理效率和产电效率较低。
发明内容
本申请提供了调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置，通过设置电极和调节电极电势的技术手段，施加不同电势，调节富集电活性光合微生物的优势种群、代谢速率、电子提取效率和自排泄醌类化合物胞外氧化还原电子介体的数量，从而提高污水处理效率和产电效率。
有鉴于此，本申请提供了调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置，包括：
双层同心筒状反应容器，包括双层同心筒状本体，所述双层同心筒状本体包括内层筒体和外层筒体，所述内层筒体为中空结构，所述外层筒体的内壁与所述外层筒体的外壁之间设有环形腔体，所述外层筒体的顶部设有进水口，所述外层筒体的底部设有出水口，其中，所述双层同心筒状本体的材料为可透光材料；
三电极体系装置，包括工作电极、辅助电极、参比电极、工作电极导电固定栓、辅助电极导电固定栓和恒电位仪，所述工作电极导电固定栓和所述辅助电极导电固定栓分别固定在所述环形腔体的内壁上，所述工作电极通过所述工作电极导电固定栓固定在所述环形腔体的内部，使得所述工作电极包裹在所述内层筒体的外周，且所述工作电极不与所述内层筒体的外壁接触，所述辅助电极通过所述辅助电极导电固定栓固定在所述环形腔体的内部，使得所述辅助电极包裹在所述工作电极的外周，且所述辅助电极不与所述工作电极接触，所述恒电位仪设置在所述调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置的外部，所述工作电极通过所述工作电极导电固定栓与所述恒电位仪连接，所述辅助电极通过所述辅助电极导电固定栓与所述恒电位仪连接，所述工作电极、所述辅助电极和所述恒电位仪形成闭合回路，所述参比电极与所述闭合回路连接；
光源装置，所述光源装置设置在所述内层筒体的中空结构中；
光合微生物膜，所述光合微生物膜附着在所述工作电极上。
作为优选，所述三电极体系装置的工作电极为多孔、具有柔韧性的导电碳材料电极；
所述三电极体系装置的辅助电极为耐腐蚀的导电材料；
所述三电极体系装置的工作电极导电固定栓为导电不锈钢金属材料；
所述三电极体系装置的辅助电极导电固定栓为导电不锈钢金属材料。
作为优选，所述三电极体系装置的工作电极为选自石墨毡或石墨泡沫；所述三电极体系装置的辅助电极选自钛网或不锈钢；所述三电极体系装置的参比电极为饱和甘汞电极。
作为优选，所述光合微生物膜的光合微生物选自厌氧光合微生物或/和兼性好氧光合微生物。
作为优选，所述光合微生物膜的制备方法包括：
步骤一、在所述调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置的进水口通入第一批的有机碳源营养液并接种光合微生物，密封所述双层同心筒状反应容器维持厌氧；
步骤二、启动所述光源装置和所述恒电位仪，对所述双层同心筒状反应容器持续或昼夜交替提供光照，在工作电极上施加电压，控制工作电极的电势恒定为预置电势，并记录所述光合微生物膜的光合微生物的电流；
步骤三、将有机碳源消耗完全的第一批有机碳源营养液通过所述出水口排出，在所述进水口通入第二批的有机碳源营养液，重复步骤二，所述光合微生物膜的光合微生物的电流产生至少两个可重复的电流周期，得到光合微生物膜。
作为优选，所述预置电势的范围为-0.4至0.4V。
作为优选，所述有机碳源营养液选自：葡萄糖、乙酸钠和有机废水中的一种或多种。
具体的，所述有机碳源营养液选自100-10000mg COD/L的葡萄糖、100-10000mgCOD/L的乙酸钠和100-10000mg COD/L的有机废水中的一种或多种。
其中，葡萄糖和乙酸钠按照理论COD值换算浓度进行配制。
作为优选，所述光合微生物选自厌氧光合微生物或/和兼性好氧光合微生物。
作为优选，所述调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置，还包括括刷壁装置，所述刷壁装置包括内壁刷、外壁刷、连接杆和旋转把手；
所述连接杆水平设置在所述双层同心筒状本体的顶部内壁；
所述内壁刷的一端与所述连接杆的中部连接，且所述内壁刷与所述外层筒体的内壁表面相接触；
所述外壁刷的一端与所述连接杆的一端连接，且所述外壁刷与所述外层筒体的外壁表面相接触；
所述连接杆的另一端与所述旋转把手的一端连接，所述旋转把手的另一端穿过所述内层筒体的顶壁置于所述双层同心筒状本体的外部，旋转所述旋转把手使得所述内壁刷刮除附着在所述外层筒体的内壁表面的物体；旋转所述旋转把手使得所述外壁刷刮除附着在所述外层筒体的外壁表面的物体。
作为优选，所述调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置，还包括底座，所述底座包括支撑杆和支撑板，所述支撑杆固定在所述支撑板的底部；其中，所述支撑板的形状与所述双层同心筒状本体的水平横截面的形状相匹配，使得所述双层同心筒状本体固定在所述支撑板上。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本申请中，提供了调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置，从进水口批式通入有机废水或/和有机碳源营养液，在调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置维持厌氧和光照/避光替换的条件下，通过对工作电极施加一个大于有机废水和有机碳源营养液的有机碳源的标准氧化还原电位的电势(针对不同有机碳源施加电压不同)，光合微生物通过光合作用和呼吸作用氧化有机碳源产生电子，同时在优选的电极电势驱动下加速光合微生物胞内电子利用醌类化合物和胞外膜色素作为氧化还原介体传递光合/呼吸电子至工作电极，再通过外电路到达辅助电极，电子被溶液中的H+接收生成H2从而形成电流。通过调节工作电极电势可改变光合微生物氧化代谢有机碳源的驱动力和胞外电子提取力，使得适应以选择固定电势下电极作为电子受体的光合微生物种类可获得最佳的代谢驱动力快速生长并加速释放胞内电子传递给电极，从而产生高的生物电流。使用本申请的反应器时，有机废水和有机碳源营养液通过批式进入光合微生物培养装置，并在有机废水和有机碳源营养液的有机碳源耗尽时更换。
附图说明
图1为本申请实施例提供的调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的光照条件下施加-0.4V时富集到的沼泽红假单胞菌-小球藻复合生物膜的扫描电子显微镜图；
图3为本发明实施例提供的光照条件下施加-0.2V时沼泽红假单胞菌-小球藻复合生物膜的扫描电子显微镜图；
图4为本发明实施例提供的光照条件下施加0V时沼泽红假单胞菌-小球藻复合生物膜的扫描电子显微镜图；
图5为本发明实施例提供的光照条件下施加0.2V时沼泽红假单胞菌-小球藻复合生物膜的扫描电子显微镜图；
图6为本发明实施例提供的光照条件下施加0.4V时沼泽红假单胞菌-小球藻复合生物膜的扫描电子显微镜图；
图7为本发明实施例提供的避光条件下施加0V时沼泽红假单胞菌-小球藻复合生物膜的扫描电子显微镜图；
图8为本发明实施例提供的不同电极电势对沼泽红假单胞菌-小球藻复合生物膜的生物电流输出强度和光合电子提取量的影响。
图9为本发明实施例提供的控制电极电势为0V条件下沼泽红假单胞菌-小球藻复合生物膜的光合生物电流与暗呼吸生物电流输出对比。
图10为本发明实施例提供的不同电极电势对沼泽红假单胞菌-小球藻复合生物膜降解有机物的影响；
图11为本发明实施例提供的不同电极电势对沼泽红假单胞菌-小球藻复合生物膜的循环伏安图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请实施例保护的范围。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
应理解，本申请应用于有机废水的处理领域中，请参阅图1，图1为本申请实施例提供的调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置的结构示意图，如图1所示，图1中包括双层同心筒状反应容器，包括双层同心筒状本体，双层同心筒状本体包括内层筒体1-B和外层筒体1-A，内层筒体1-B为中空结构，外层筒体的内壁B与外层筒体的外壁A之间设有环形腔体，外层筒体的顶部设有进水口4，外层筒体的底部设有出水15口，其中，双层同心筒状本体的材料为可透光材料；三电极体系装置，包括工作电极5、辅助电极7、参比电极9、工作电极导电固定栓8-1、辅助电极导电固定栓8-2和恒电位仪6，工作电极导电固定栓8-1和辅助电极导电固定栓8-2分别固定在环形腔体的内壁上，工作电极5通过工作电极导电固定栓8-1固定在环形腔体的内部，使得工作电极5包裹在内层筒体1-B的外周，且工作电极5不与内层筒体1-B的外壁接触，辅助电极7通过辅助电极导电固定栓8-2固定在环形腔体的内部，使得辅助电极7包裹在工作电极5的外周，且辅助电极7不与工作电极5接触，恒电位仪6设置在调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置的外部，工作电极5通过工作电极导电固定栓8-1与恒电位仪6连接，辅助电极7通过辅助电极导电固定栓8-2与恒电位仪6连接，工作电极5、辅助电极7和恒电位仪6形成闭合回路，参比电极9与闭合回路连接；光源装置，光源装置设置在内层筒体1-B的中空结构中；光合微生物膜，光合微生物膜附着在工作电极5上。
自然环境中包含大量的光合微生物，其中某些光合微生物具有电活性。光合微生物在光照条件下产生光合电子，在无光条件下产生呼吸电子，用我们的装置就可以把这些电子提取出来，形成电流。不同的环境水体里面包含的光合微生物种类和组成是不一样的，利用本申请的调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置，通过调节工作电极5的电位，从自然环境中筛选和富集适合预置的工作电极5的电位下生长和传递光合(光照条件下)或呼吸(无光条件下)电子的电活性光合微生物，因此，控制工作电极5的电位不同，富集到得到的电活性光合微生物的种类也不同。因此，本申请可以不断调节工作电极5的电势，通过光合电流(光照条件下)和呼吸电流(无光条件下)的强度来判断，控制工作电极5的电位，能有效富集到产电效果最好的光合微生物。因此，光合微生物膜是由具有高电化学活性和胞外电子传递功能的光合微生物组成，在光照和避光条件下都能产生较高的生物电流，并且通过调节电势可间接调控光合微生物的电活性生物膜的代谢速率和光合电子/呼吸电子的提取效率，实现生物电流输出的可控调节。
本申请设计了调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置，从进水口批式通入有机废水或/和有机碳源营养液，在调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置维持厌氧和光照/避光替换的条件下，通过对工作电极施加一个大于有机废水中主要有机污染物和有机碳源营养液中有机碳源的标准氧化还原电位的电势(针对不同有机碳源施加电压不同)，光合微生物通过光合作用和呼吸作用氧化废水中有机污染物或有机碳源产生光合/呼吸电子，同时在优选的电极电势驱动下加速光合微生物胞内电子利用自身排泄的醌类化合物和胞外膜色素作为氧化还原介体传递光合/呼吸电子至工作电极，再通过外电路到达辅助电极，电子被溶液中的H+接收生成H2从而形成电流。通过调节工作电极电势可改变光合微生物氧化代谢有机碳源的驱动力、胞外电子提取力和调节光合微生物分泌醌类化合物，使得适应以选择固定电势下电极作为电子受体的光合微生物种类可获得最佳的代谢驱动力快速生长并加速释放胞内电子和借助自身分泌的醌类化合物传递给电极，从而产生高的生物电流。同时，可以降解废水中的有机污染物或/和有机碳源营养液的有机碳源，达到废水净化的目的，同时光合微生物利用获得的能量合成自身细胞，产生的光合微生物生物量可用作饲料、肥料或生产其他高附加值生化产品。使用本申请的反应器时，有机废水和有机碳源营养液通过批式进入光合微生物培养装置，并在废水中有机污染物和有机碳源营养液的有机碳源耗尽时更换。
其中，工作电极导电固定栓8-1可以固定在环形腔体的底部内壁或者顶部内壁，辅助电极导电固定栓8-2可以固定在环形腔体的底部内壁或者顶部内壁，本实施例的工作电极导电固定栓8-1固定在环形腔体的底部内壁，辅助电极导电固定栓8-2固定在环形腔体的底部内壁。工作电极导电固定栓8-1与辅助电极导电固定栓8-2需保持一定距离，但距离适当，不能相隔远。工作电极导电固定栓8-1能够固定工作电极5，辅助电极导电固定栓8-2能够固定辅助电极7；同时，工作电极导电固定栓8-1能够使得工作电极5与恒电位仪6电连接，辅助电极导电固定栓8-2能够使得辅助电极7与恒电位仪6电连接。并且工作电极导电固定栓8-1与辅助电极导电固定栓8-2分别与恒电位仪6直接电连接方便工作电极5和辅助电极7取出更换。
其中，参比电极9可以通过与恒电位仪6连接从而与工作电极5、辅助电极7和恒电位仪6的闭合回路连接。
具体的，光源装置为现有常用的照明设备，例如灯，本申请不对光源装置作具体限定。本实施例提供了一种具体的光源装置，光源装置包括灯架10和灯11，灯11固定在灯架10上。灯架10用于保护灯11，且为灯11提供电源，光源装置的光照强度范围为：2000-5000lux(光照强度太强会产生光抑制效应),昼夜交替时间：按自然条件下的昼夜交替节律，可更好的适应自然环境条件。
其中，双层同心筒状本体的材料为可透光材料，可透光材料具体为高透光率、抗酸碱腐蚀的有机玻璃材料。
进一步的，本实施例中，三电极体系装置的工作电极5为多孔、具有柔韧性的导电碳材料电极；
三电极体系装置的辅助电极7为耐腐蚀的导电材料；
三电极体系装置的工作电极导电固定栓8-1为导电不锈钢金属材料；
三电极体系装置的辅助电极导电固定栓8-2为导电不锈钢金属材料。
进一步的，本实施例中，三电极体系装置的工作电极5为选自石墨毡或石墨泡沫；三电极体系装置的辅助电极7选自钛网或不锈钢网；三电极体系装置的参比电极9为饱和甘汞电极。
具体的，工作电极5为多孔、比表面积大、具有良好的柔韧性的导电碳材料电极(如石墨毡、石墨泡沫等)；工作电极5呈环状包裹在内层筒体1-B的外周，但是不与内层筒体1-B的外壁接触。辅助电极7可以为耐腐蚀的、比表面积大的导电材料，辅助电极7与工作电极5都是环状且两者不能接触，需保持一定距离，辅助电极7与工作电极5的距离适宜，不宜过小或过大。
光合微生物会大量附着在工作电极5上，辅助电极7几乎不会附着光合微生物，由于控制工作电极5的电势(通常是控制工作电极电势为正电位)，光合微生物可以在工作电极5上作为电子受体来传递电子，并且覆膜生长。而辅助电极7的作用只是作为工作电极5的对电极使用，并不能提供恒定的正电位，无法使光合微生物将光合电子传递给辅助电极7和覆膜生长。光合微生物在本申请的调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置内驯化一定周期后可在工作电极5上附着一层光合微生物膜；工作电极5为多孔、具有柔韧性的导电碳材料电极，导电碳材料一般具有许多微孔和巨大比表面积，适合光合微生物的附着成膜，同时，对工作电极5施加恒定电位促进光合微生物在工作电极5的富集，因此光合微生物的富集无需附着载体。
进一步的，本实施例中，光合微生物膜的光合微生物选自厌氧光合微生物或/和兼性好氧光合微生物。
进一步的，本实施例还包括调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置，还包括刷壁装置，刷壁装置包括内壁刷13、外壁刷14、连接杆16和旋转把手12；连接杆16水平设置在环形腔体的顶部内壁(水平设置的方向如图1的X方向)；内壁刷13的一端与连接杆16的中部连接，且内壁刷13与外层筒体的内壁B表面相接触；外壁刷14的一端与连接杆16的一端连接，且外壁刷14与外层筒体的外壁A表面相接触；连接杆16的另一端与旋转把手12的一端连接，旋转把手12的另一端穿过内层筒体1-B的顶壁置于双层同心筒状本体的外部，旋转旋转把手12使得内壁刷13刮除附着在外层筒体的内壁B表面的物体；旋转旋转把手12使得外壁刷14刮除附着在外层筒体的外壁A表面的物体。
其中，可以通过人工手动旋转旋转把手12，也可以通过现有常规的设备旋转旋转把手12以驱动使得内壁刷13刮除附着在外层筒体的内壁B表面的物体，和外壁刷14刮除附着在外层筒体的外壁A表面的物体。
其中，外壁刷14和内壁刷13是分别用来擦除外层筒体的外壁A附着的光合微生物和外层筒体的内壁B所附着的光合微生物，保证外面的灯11的光源能够最大限度的透过，照射里面的光合微生物，为光合微生物的生长提供光能。辅助电极7上几乎没有光合微生物附着，外壁刷14和内壁刷13不会触碰到辅助电极7和工作电极5，因此不会擦除工作电极5上面的光合微生物；外壁刷14和内壁刷13的刷丝由尼龙610材质构成，外壁刷14和内壁刷13的刷体由聚丙烯材料构成。
进一步的，本实施例中，光合微生物膜的制备方法包括：
步骤一、在调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置的进水口4通入第一批的有机碳源营养液并接种光合微生物，密封双层同心筒状反应容器维持厌氧；
步骤二、启动光源装置和恒电位仪6，对双层同心筒状反应容器持续或昼夜交替提供光照，在工作电极5上施加电压，控制工作电极5的电势恒定为预置电势，并记录光合微生物膜的光合微生物的电流；
步骤三、将有机碳源消耗完全的第一批有机碳源营养液通过出水口15排出，在进水口4通入第二批的有机碳源营养液，重复步骤二，光合微生物膜的光合微生物的电流产生至少两个可重复的电流周期，得到光合微生物膜。
在调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置中加入有机碳源营养液，并接种天然水体中混合光合微生物，密封调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置以维持厌氧。提供外部光源，对调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置持续或昼夜交替光照。利用恒电位仪6在工作电极5上施加电压，控制工作电极5电势恒定为-0.4至0.4V，并在线记录光合微生物电流。在有机碳源消耗完全、电流降低到背景值时利用刷壁装置去除内壁和外壁附着的光合微生物以保持壁的光通透性。再将溶液通过排液口排出并及时更换新的营养液，排出液可作为生物饲料用于养殖业生产。待连续观察到两个以上可重复稳定的电流产生周期后，电活性光合微生物膜驯化完成。
进一步的，本实施例中，预置电势的范围为-0.4至0.4V。在控制电极电势在-0.4至0.4V电势范围内可定向富集以沼泽红假单胞菌和小球藻为优势菌的高产电活性光合微生物膜，为沼泽红假单胞菌-小球藻复合生物膜。优选的，预置电势的范围为-0.2至0V。工作电极5的电势的范围为-0.2至0V，可以更好的获得以沼泽红假单胞菌和小球藻为主的光合微生物膜。
控制工作电极5的电势高低可以调节光合微生物的代谢和光合电子传递速率。工作电极5的电势是光合微生物覆膜生长和提取光合微生物胞内电子(包括：光合电子和呼吸电子)的驱动力，理论上工作电极5电势越高，形成的电子提取驱动力越大，就可以加速光合微生物的生长和代谢，更快的产生电子并传递给工作电极5，获取更高的光合电流。但工作电极5的电势也不是越高越好，而是存在一个最佳的电势，因此需要根据不同的环境水体的光合微生物的种类，以光合电流强度为判断，去选取最佳的工作电极5的电势，以富集到电活性最高的光合微生物，获取最高的光合电流输出。
进一步的，本实施例中，有机碳源营养液选自：100-10000mg COD/L的葡萄糖、100-10000mg COD/L的乙酸钠和高浓度有机废水中的一种或多种，高浓度有机废水的有机碳源的浓度范围为100-10000mg COD/L。
具体的，高浓度有机废水的有机碳源是微生物生长一类营养物，是含碳化合物。常用的有机碳源有糖类、油脂、有机酸及有机酸酯和小分子醇。
进一步的，本实施例中，光合微生物选自厌氧光合微生物或/和兼性好氧光合微生物。
本申请的调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置优选在厌氧条件下运行，厌氧光合微生物和兼性好氧光合微生物可以在调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置内对有机废水进行利用，在厌氧条件下，可以防止氧气在反应器内大量累积从而导致工作电极5所产生的电子不能通过外电路到达辅助电极7而直接被用来还原氧气，从而阻碍光合电子的提前去和光合电流的产生。
进一步的，本实施例还包括底座2，底座包括支撑杆2-1和支撑板2-2，支撑杆2-1固定在支撑板2-2的底部；其中，支撑板2-2的形状与双层同心筒状本体的水平横截面的形状相匹配，使得双层同心筒状本体固定在支撑板上。其中，与双层同心筒状本体的水平横截面的水平方向为X。支撑板为可透光材料，可透光材料具体为高透光率、抗酸碱腐蚀的有机玻璃材料，使得光源还可以通过双层同心筒状本体的底部照射里面的光合微生物。
实施例1
本实施例提供了本申请的调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置的运行实施方式，具体步骤如下：
1、光合微生物膜的驯化制备：以天然富营养化水体中混合光合微生物作为菌源，从进水口4中加入占环形腔体总体积的20％的菌源于环形腔体中，并将磷酸缓冲液(最终浓度为：7.76g/L K2HPO4·3H2O、2.53g/L KH2PO4)、藻媒介(最终浓度为：0.006g/L柠檬酸铁、0.006g/L柠檬酸和0.001g/L EDTA-Na2)、常量元素(最终浓度为：0.31g/L NH4Cl、0.13g/LKCl)、痕量元素(最终浓度为：1.25g/L MgSO4·7H2O、0.03g/L NTAN(CH2COOH)3、0.002g/LFeSO4·7H2O、0.01g/L MnCl2·4H2O、0.0035g/L ZnSO4·7H2O、0.0015g/L CaCl2、0.0035g/LAlK(SO4)2·12H2O、0.002g/L CoCl2·6H2O、0.0007g/L CaCl2·2H2O、0.02g/L NaCl、0.0002g/L CuSO4·5H2O、0.0002g/L H3BO3、0.0003g/L NaSeO3、0.0005g/L NiCl2·6H2O、0.00025g/L NaMOO4·2H2O、0.0005g/L Na2WO4·2H2O)、复合维生素溶液(最终浓度为：0.00004g/L维生素H、0.000002g/L维生素B12、0.00004g/L叶酸、0.0001g/L烟酸、0.0002g/L维生素B6、0.000002g/L DL-泛酸钙、0.0001g/L维生素B1、0.0001g/L对氨基苯甲酸和0.0001g/L维生素B2)、乙酸钠(最终浓度为：1g/L)注入反应器中，并加去离子水充满环形腔体。将环形腔体放入27±1℃恒温培养箱中，通过恒电位仪6向工作电极5施加0.2V电势，在3000lux光照强度下进行厌氧驯化。实时记录反应器电流-时间图，当电流降至背景值时，排放环形腔体总体积的80％体积溶液并重新添加等量营养液(营养液成份为上述的成分，营养液包括磷酸缓冲液、藻媒介、常量元素、痕量元素、复合维生素溶液、乙酸钠和水)。如此循环驯化，45天后连续观察到两个以上可重复稳定的电流产生周期后，具有电活性的光合微生物膜制备成功。本实施例的光合微生物膜富集得到的光合微生物为沼泽红假单胞菌和小球藻，形成沼泽红假单胞菌-小球藻复合生物膜。
2、正式运行阶段：最后一次驯化周期后完全排放反应器内溶液并更换新的等量营养液(营养液成份为上述的成分，营养液包括磷酸缓冲液、藻媒介、常量元素、痕量元素、复合维生素溶液、乙酸钠和水)。继续控制工作电极电势在0.2V情况下测定电流-时间图。当连续测定两个以上重复稳定的电流-时间图时，电流-时间图指标测定完成。下一周期每间隔4h取样一次，用液相色谱测乙酸钠浓度，直至乙酸钠消耗完毕，完成乙酸钠消耗曲线图指标。分别利用电流-时间图和乙酸钠消耗量计算用于产生电流所消耗电子量和理论总电子消耗量，从而通过两者的比值计算反应周期库伦效率。再下一周期，分别在电流最大和周期末的情况下运用循环伏安法测工作电极所存在的氧化还原峰并反映胞外电子传递能力和机理，同时在周期末通过交流阻抗技术研究工作电极胞外电子传递阻抗。上述指标测试完成后拧开容器盖并取出刷壁装置，利用扫描电子显微镜(SEM)拍摄工作电极上附着的光合微生物生物膜。以上，在光照条件下施加电势为0.2V的情况下指标测定完毕。上述条件下，最大电流为3.7mA，乙酸钠在36h至40h之间消耗完毕，消耗率达100％，反应周期库伦效率为14.38％，电流最大时未测得明显氧化还原峰，反应周期末时测得在-0.049±0.032V时存在一个氧化峰，反应周期末时测得电荷转移内阻为52.7Ω，利用扫描电子显微镜所拍摄的生物膜存在沼泽红假单胞菌和小球藻。
按照以上方法对在光照条件下施加-0.4V时沼泽红假单胞菌-小球藻复合生物膜进行扫描电子显微镜，在光照条件下施加-0.2V时沼泽红假单胞菌-小球藻复合生物膜进行扫描电子显微镜，在光照条件下施加0V时沼泽红假单胞菌-小球藻复合生物膜进行扫描电子显微镜，在光照条件下施加0.4V时沼泽红假单胞菌-小球藻复合生物膜进行扫描电子显微镜，在避光条件下施加0V时沼泽红假单胞菌-小球藻复合生物膜进行扫描电子显微镜，得到图2-7。
球状微生物由于直径较大代表小球藻，而杆状微生物代表沼泽红假单胞菌。在光照条件施加电位为-0.4V、-0.2V、0V、0.2V、0.4V和避光条件施加电位为0V，沼泽红假单胞菌和小球藻占有明显的种群优势，并在光照情况下的-0.2V和0V所对应的最大输出电流和库伦效率要明显大于其他施加电势条件下，说明了沼泽红假单胞菌和小球藻的存在对产电是具有促进作用的；而对比在同一电位条件下(0V)光照对产电的影响，发现在光照条件下电流产生的强度要明显强于在黑暗条件下，这是由于在光照条件下同时进行光合电子和呼吸电子提取，而在黑暗条件下则仅有呼吸电子的提取。
实施例2
在实施例1的基础上，将施加电势调至0V，其他条件等同，待连续出现两个以上重复稳定的电流-时间图后，利用本领域技术人员常规手段，测定生物电流输出强度和光合电子提取量、光合生物电流与暗呼吸生物电流输出，以及光合微生物降解有机物的指标，结果如图8-10所示。
请参阅图8，施加五个不同电位条件下，生物电流输出强度和光合电子提取量。通过图8发现在不同施加电位条件下电流输出强度与光合电子提取量呈正相关，并且0V(vs.SCE)施加电位条件下所获取的电流输出强度和光合电子提取量最大，所产生的最大电流和最大库伦效率分别为12.2mA和42.12％。这说明了该系统最佳产电的施加电位为0V条件下，比0V施加电位小的情况下是工作电极5对光合/呼吸电子的提取力减弱从而不利于系统产电，而比0V施加电位大的情况下是由于较大的施加电位对沼泽红假单胞菌和小球藻生长代谢有抑制作用，从而不利于该系统产电。
请参阅图9，光源对沼泽红假单胞菌和小球藻产电的影响，结果发现在光照条件下电流强度要明显大于黑暗条件下，这是由于光照条件下同时具有光合电子和呼吸电子提取的能力，从而提升了电流产生强度；在黑暗条件下产电周期比光照条件下要长一倍，这是由于在黑暗条件下光合电子提取能力的消失而减缓有机物(碳源)的代谢速度从而使得产电周期变得更长。
请参阅图10，在所有施加电位条件下乙酸钠(模拟废水中的有机物)降解都是呈线性降解趋势，并都在28-36小时之间得到完全降解。这说明了不同施加电位对乙酸钠降解影响不大，但是不同施加电位下所产的电流差异很大，这说明：调节工作电极5的电势，可调节工作电极5获取乙酸钠氧化产生的电子数量(也就是说乙酸钠被分成了两部分：一部分乙酸钠氧化产生的电子被工作电极5提取用于产生电流，而另一部分乙酸钠直接被细菌代谢用于自身生长了，而没有用于产电)。
请参阅图11，通过控制工作电极5的电势，可以调节沼泽红假单胞菌-小球藻复合生物膜自分泌醌类氧化还原介体的数量。采用循环伏安法测试生物膜与电极界面的氧化还原反应。很明显，在0V和-0.2V电势下，循环伏安图左侧的氧化还原峰的强度最大，说明该电势下工作电极5可以促进沼泽红假单胞菌-小球藻复合生物膜自分泌醌类氧化还原介体，强化电子由光合微生物到工作电极5的胞外电子传递。
本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置，其特征在于，包括：
双层同心筒状反应容器，包括双层同心筒状本体，所述双层同心筒状本体包括内层筒体和外层筒体，所述内层筒体为中空结构，所述外层筒体的内壁与所述外层筒体的外壁之间设有环形腔体，所述外层筒体的顶部设有进水口，所述外层筒体的底部设有出水口，其中，所述双层同心筒状本体的材料为可透光材料；
三电极体系装置，包括工作电极、辅助电极、参比电极、工作电极导电固定栓、辅助电极导电固定栓和恒电位仪，所述工作电极导电固定栓和所述辅助电极导电固定栓分别固定在所述环形腔体的内壁上，所述工作电极通过所述工作电极导电固定栓固定在所述环形腔体的内部，使得所述工作电极包裹在所述内层筒体的外周，且所述工作电极不与所述内层筒体的外壁接触，所述辅助电极通过所述辅助电极导电固定栓固定在所述环形腔体的内部，使得所述辅助电极包裹在所述工作电极的外周，且所述辅助电极不与所述工作电极接触，所述恒电位仪设置在所述调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置的外部，所述工作电极通过所述工作电极导电固定栓与所述恒电位仪连接，所述辅助电极通过所述辅助电极导电固定栓与所述恒电位仪连接，所述工作电极、所述辅助电极和所述恒电位仪形成闭合回路，所述参比电极与所述闭合回路连接；
光源装置，所述光源装置设置在所述内层筒体的中空结构中；
光合微生物膜，所述光合微生物膜附着在所述工作电极上；
所述光合微生物膜的制备方法包括：
步骤一、在所述调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置的进水口通入第一批的有机碳源营养液并接种光合微生物，密封所述双层同心筒状反应容器维持厌氧；
步骤二、启动所述光源装置和所述恒电位仪，对所述双层同心筒状反应容器持续或昼夜交替提供光照，在工作电极上施加电压，控制工作电极的电势恒定为预置电势，并记录所述光合微生物膜的光合微生物的电流；所述预置电势的范围为-0.4至0.4V；
步骤三、将有机碳源消耗完全的第一批有机碳源营养液通过所述出水口排出，在所述进水口通入第二批的有机碳源营养液，重复步骤二，所述光合微生物膜的光合微生物的电流产生至少两个可重复的电流周期，得到光合微生物膜。
2.根据权利要求1所述的调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置，其特征在于，所述三电极体系装置的工作电极为多孔、具有柔韧性的导电碳材料电极；
所述三电极体系装置的辅助电极为耐腐蚀的导电材料；
所述三电极体系装置的工作电极导电固定栓为导电不锈钢金属材料；
所述三电极体系装置的辅助电极导电固定栓为导电不锈钢金属材料。
3.根据权利要求1所述的调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置，其特征在于，所述三电极体系装置的工作电极为选自石墨毡或石墨泡沫；所述三电极体系装置的辅助电极选自钛网或不锈钢；所述三电极体系装置的参比电极为饱和甘汞电极。
4.根据权利要求1所述的调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置，其特征在于，所述光合微生物膜的光合微生物选自厌氧光合微生物或/和兼性好氧光合微生物。
5.根据权利要求1所述的调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置，其特征在于，所述有机碳源营养液选自：葡萄糖、乙酸钠和有机废水中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置，其特征在于，所述光合微生物选自厌氧光合微生物或/和兼性好氧光合微生物。
7.根据权利要求1所述的调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置，其特征在于，还包括刷壁装置，所述刷壁装置包括内壁刷、外壁刷、连接杆和旋转把手；
所述连接杆水平设置在所述双层同心筒状本体的顶部内壁；
所述内壁刷的一端与所述连接杆的中部连接，且所述内壁刷与所述外层筒体的内壁表面相接触；
所述外壁刷的一端与所述连接杆的一端连接，且所述外壁刷与所述外层筒体的外壁表面相接触；
所述连接杆的另一端与所述旋转把手的一端连接，所述旋转把手的另一端穿过所述内层筒体的顶壁置于所述双层同心筒状本体的外部，旋转所述旋转把手使得所述内壁刷刮除附着在所述外层筒体的内壁表面的物体；旋转所述旋转把手使得所述外壁刷刮除附着在所述外层筒体的外壁表面的物体。
8.根据权利要求1所述的调控电活性光合微生物代谢的有机废水处理和资源化装置，其特征在于，还包括底座，所述底座包括支撑杆和支撑板，所述支撑杆固定在所述支撑板的底部；其中，所述支撑板的形状与所述双层同心筒状本体的水平横截面的形状相匹配，使得所述双层同心筒状本体固定在所述支撑板上。
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