CN110783613B - 一种旋转式微藻生物膜阴极微生物燃料电池 - Google Patents

一种旋转式微藻生物膜阴极微生物燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种旋转式微藻生物膜阴极微生物燃料电池，所述电池包括负载在碳布表面生长的微藻生物膜、可旋转的主动轴、支撑架、提供旋转力的小马达、装置出水口、外电路、外电阻、有机玻璃外体、阳极碳毡、出水口、阴极水槽、阴阳极连通口、阴极液、阳极液。本发明将旋转式微藻生物膜系统作为微生物燃料电池的阴极，利用微藻光合作用产生的氧气作为阴极电子受体，提高阴极微藻生物量和电子传递效率，从而提高整个MFC的性能及获得更高的微藻收获量。并且微藻生物膜对水中的氮磷污染物具有很强的吸附及吸收净化作用，污水中的营养盐能够促进微藻的生长，微藻生物质可以具有较高的经济价值，可以作为经济作物进行收获。

Description

一种旋转式微藻生物膜阴极微生物燃料电池
技术领域
本发明涉及一种旋转式藻生物膜阴极微生物产电及污染物净化的装置及方法。
背景技术
微生物燃料电池（Microbial fuel cells，MFCs）是一种生物电化学反应装置，它能够收获特殊微生物厌氧呼吸过程中产生的电能。这项技术不仅能够促进含有有机物废水的生物处理过程，与此同时，还能够回收产生的生物能源。微生物的呼吸过程发生在MFC的阳极室厌氧条件下，产生的电子通过外电路传导到MFC的阴极。阴极室在好氧条件下可以以氧气作为电子受体，与阳极室传导过来的电子相结合，完成整个氧化还原过程，产生电能。目前，在以氧气作为电子受体的MFC中，通常采用昂贵的贵金属Pt作为催化剂。这不仅会增加装置的成本，且容易发生催化剂污染，导致催化剂失效。将微藻细胞引入到MFC的阴极室在近年引起了研究者的广泛兴趣。因为微藻在光的作用下，能够利用CO2进行光合作用，产生生物质和O2。阴极微藻光合作用产生的O2能够促进阴极的氧化还原过程。因此，微藻能够作为MFC阴极的生物催化剂。微生物-微藻MFC具有以下几种优势：（1）能够产生能量；（2）废水处理；（3）产生微藻生物质和色素；（4）同化CO2，释放O2。然而，由于悬浮式微藻燃料电池的阴极藻生物量较低，限制了阴极电子的接收效率。目前采用的阴极悬浮式微藻体系中微藻生物量较低、O2产生量不足、且产生的氧气无法第一时间与阴极表面的电子结合，限制了阴极的电子氧化效率。
应用碳纤维布作为微藻的挂膜载体具有以下优势：一、碳布密度低、质轻，适合于扩大化使用；二、碳布相比于现有藻膜载体（棉布等）具有耐腐蚀、不腐烂的特性，使用寿命更长（可连续运行180d以上）。应用旋转碳基藻膜作为燃料电池的阴极，暴露在阳光下的藻生物膜可以充分获得光照，促进藻细胞产生O2，O2在碳极表面直接与阳极传递过来的电子结合，提高反应速率。三、碳布表面的藻生物更易于采收，便于藻生物质深加工成具有高附加值的产品。
发明内容
本发明的目的是提供一种旋转式微藻生物膜阴极微生物燃料电池，该装置不仅能够获得电能，收获藻类生物质，还能同时去除污水中的COD、氨氮和总氮。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种旋转式微藻生物膜阴极微生物燃料电池，包括负载在碳布表面生长的微藻生物膜、可旋转的主动轴、支撑架、提供旋转力的小马达、装置出水口、外电路、外电阻、有机玻璃外体、阳极碳毡、出水口、阴极水槽、阴阳极连通口、阴极液、阳极液，其中：
所述支撑架的上端设置有主动轴和小马达，下方设置有有机玻璃外体；
所述主动轴与小马达的输出轴相连；
所述有机玻璃外体的上端设置有阴极水槽，内部设置有阳极液和阳极碳毡，底部设置有出水口；
所述阴极水槽内设置有阴极液，底部设置有阴阳极连通口；
所述微藻生物膜的一端悬挂在主动轴上，另一端位于阴极液内；
所述装置出水口与阴极水槽连通；
所述阳极碳毡与置于阴极水槽内的阴极碳布之间连接有外电路和外电阻。
一种利用上述装置实现旋转式微藻生物阴极燃料电池产电及污染物去除的方法，包括如下步骤：
步骤一：阳极微生物的厌氧驯化
取厌氧活性污泥，在以乙酸钠为碳源的情况下，避光驯化3~7d；取厌氧污泥驯化液和新鲜阳极液按照体积比1:9的比例混合后，投加到阳极室；
步骤二：阴极微藻生物膜的挂膜启动
取藻液1L（藻浓度在1500 mg/L以上），混合0.5L阳极液，投加到阴极室水槽内，开启小马达，马达转速保持在5~10转/分钟，使阴极碳布处于旋转状态，每天取出培养液0.5L，添加新鲜BBM培养基（BBM培养基配方：NaNO3 250mg; KH2PO4 175mg; K2HPO4 75mg; MgSO4·7H2O 75mg; CaCl2·2H2O 25mg; NaCl 25 m; EDTA 50mg; KOH 31mg; FeSO4·7H2O 0.98mgH3BO3 11.42mg; ZnSO4·7H2O 8.82mg; MnCl2 1.44mg; MoO3 0.71mg; CuSO4·5H2O 1.57mg; Co（NO3)2·6H2O 0.49mg, 加蒸馏水补足1000ml），使得阴极室体积保持为1.5L，启动3~7 d，当碳布表面可观察到明显的绿色的藻生物膜，标志着阴极藻生物膜挂膜成功；
步骤三：微生物燃料电池的启动：
打开阴阳极连通口，连接外电路，阴阳极连通后，每7d更换阴阳极液，利用电压数据采集系统对外电阻（1000Ω）两端的电压进行监测，当外电阻两端电压可以达到250mV，并且两个周期最高值相近时，标志着旋转式藻生物膜燃料电池启动成功，通常启动耗时20~30d；
步骤四：微生物燃料电池的产电运行：
当外电阻两端电压低于50 mV时，更换阴阳极液，阳极室内的厌氧微生物能够利用阳极液中的有机物分解产生电子，阳极室进水COD浓度为1200 mg/L时，COD去除率为74.3±6.9%；NH4-N和总氮的去除率分别为92.3±4.4%和93.7±3.9%，阳极处理后的水进一步进去阴极室（微藻室），阴极室处理后出水中NH4-N浓度可降低至2 mg/L以下，总氮在10 mg/L左右。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
本发明将旋转式微藻生物膜系统作为微生物燃料电池的阴极，利用微藻光合作用产生的氧气作为阴极电子受体，提高阴极微藻生物量和电子传递效率，从而提高整个MFC的性能及获得更高的微藻收获量。并且微藻生物膜对水中的氮磷污染物具有很强的吸附及吸收净化作用，污水中的营养盐能够促进微藻的生长，微藻生物质可以具有较高的经济价值，可以作为经济作物进行收获。
附图说明
图1为旋转式微藻生物膜阴极微生物燃料电池的结构示意图，图中：1-微藻生物膜，2-主动轴，3-支撑架，4-小马达，5-装置出水口，6-外电路，7-外电阻，8-有机玻璃外体，9-阳极碳毡，10-出水口，11-阴极水槽，12-阴阳极连通口，13-阴极液，14-阳极液；
图2为微藻生物膜燃料电池外电阻两端电压
图3为进水COD浓度为1200 mg/L时，微藻生物膜燃料电池处理一周期后（7d）氮污染物的去除效果；
图4为进水COD浓度为1200 mg/L时，微藻生物膜燃料电池阳极室内COD的去除。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种旋转式微藻生物膜阴极微生物燃料电池，如图1所示，所述微生物燃料电池包括负载在碳布表面生长的微藻生物膜1、可旋转的主动轴2、支撑架3、提供旋转力的小马达4、装置出水口5、外电路6、外电阻7、有机玻璃外体8、阳极碳毡9、出水口10、阴极水槽11、阴阳极连通口12、阴极液13、阳极液14，其中：
所述支撑架3的上端设置有主动轴2和小马达4，下方设置有有机玻璃外体8；
所述主动轴2与小马达4的输出轴相连；
所述有机玻璃外体8的上端设置有阴极水槽11，内部设置有阳极液14和阳极碳毡9，底部设置有出水口10；
所述阴极水槽11内设置有阴极液13，底部设置有阴阳极连通口12；
所述微藻生物膜1的一端悬挂在主动轴2上，另一端位于阴极液13内；
所述装置出水口5与阴极水槽11连通；
所述阳极碳毡9与置于阴极水槽11内的阴极碳布之间连接有外电路6和外电阻7。
一种利用上述微生物燃料电池实现旋转式微藻生物阴极燃料电池产电及污染物去除的方法，包括如下步骤：
步骤一：阳极微生物的厌氧驯化
取厌氧活性污泥，在以乙酸钠为碳源的情况下，避光驯化3~7days，培养基成分为CH3COONa 1.64 g； KH2PO4 1.1 g； K2HPO4•3H2O 0.85 g； NH4Cl 0.5 g； MgCl2•6H2O 0.1 g； CaCl2•2H2O 0.1 g；酵母提取物0.1g、微量元素母液10 mL。将厌氧活性污泥避光驯化3~7d，将厌氧活性污泥培养后，取厌氧污泥驯化液1份，新鲜阳极液9份混合后（体积比1:9），投加到阳极室，所述阳极室四周用锡纸包裹、避光，防止藻类生长。
步骤二：阴极微藻生物膜的挂膜启动
阴极藻生物启动时，采用从跑道式藻培养反应器中取出的藻液作为启动源，跑道式藻培养体系为开放式体系，其群落结构内部有微藻、细菌、真核生物等共同组成。取藻液1L，混合0.5L阳极液，投加到阴极室内，开启小马达4，使微藻生物膜1处于旋转状态，每天取出培养液0.5L，添加新鲜BBM培养基（BBM培养基配方：NaNO3 250mg; KH2PO4 175mg; K2HPO475mg; MgSO4·7H2O 75mg; CaCl2·2H2O 25mg; NaCl 25 m; EDTA 50mg; KOH 31mg;FeSO4·7H2O 0.98mg H3BO3 11.42mg; ZnSO4·7H2O 8.82mg; MnCl2 1.44mg; MoO3 0.71mg;CuSO4·5H2O 1.57 mg; Co（NO3)2·6H2O 0.49mg, 加蒸馏水补足1000ml），使得阴极室体积保持为1.5L。7 d后可明显观察到藻类生物膜的生长，其阴极电极表面呈现出绿色藻膜。
步骤三：微生物燃料电池的启动：
打开阴阳极连通口12，连接外电路6，固定外电阻7为1000Ω。阳极液、阴极液组分均采用步骤一的成分，因为RAB的旋转会带来水分的蒸发，因此每天补充蒸馏水到指定的刻度线，保持阴极液体积为1.5L。阴阳极连通后，每7d更换阴阳极液。启动大约30d能够完成。
步骤四：微生物燃料电池的产电运行：
微生物燃料电池稳定运行后，根据初始COD的不同，在续批式培养条件下，每一周期的运行时间也有差异。当外电阻7两端电压低于50 mV时，更换阴阳极液。1000Ω外电阻7时的两端电压大约为300 mV。
步骤五：微藻生物质的移除（收获）：
可以通过刮去生物膜表面的生物质，对微藻进行收获。
图2~图4为初始COD浓度为1200 mg/L, 微藻生物膜燃料电池的产电、N污染物及COD污染物的去除效果。
启动成功后，藻生物膜燃料电池对外具有稳定的电压输出（图2）。NH4-N和总氮的去除率分别为92.3±4.4%和93.7±3.9%，阴极室处理后出水中NH4-N浓度可降低至2 mg/L以下，总氮在10 mg/L左右（图3）。阳极室进水COD浓度为1200 mg/L时，运行5d后，COD去除率为74.3±6.9%（图4）。

Claims (6)

1.一种旋转式微藻生物阴极燃料电池产电及污染物去除的方法，其特征在于所述方法通过旋转式微藻生物膜阴极微生物燃料电池实现；
所述旋转式微藻生物膜阴极微生物燃料电池包括负载在碳布表面生长的微藻生物膜、可旋转的主动轴、支撑架、提供旋转力的小马达、装置出水口、外电路、外电阻、有机玻璃外体、阳极碳毡、出水口、阴极水槽、阴阳极连通口、阴极液、阳极液，其中：
所述支撑架的上端设置有主动轴和小马达，下方设置有有机玻璃外体；
所述主动轴与小马达的输出轴相连；
所述有机玻璃外体的上端设置有阴极水槽，内部设置有阳极液和阳极碳毡，底部设置有出水口；
所述阴极水槽内设置有阴极液，底部设置有阴阳极连通口；
所述微藻生物膜的一端悬挂在主动轴上，另一端位于阴极液内；
所述装置出水口与阴极水槽连通；
所述阳极碳毡与置于阴极水槽内的阴极碳布之间连接有外电路和外电阻；
所述方法包括如下步骤：
步骤一：阳极微生物的厌氧驯化
取厌氧活性污泥，在以乙酸钠为碳源的情况下，避光驯化3~7d；取厌氧污泥驯化液和新鲜阳极液混合后，投加到阳极室；
步骤二：阴极微藻生物膜的挂膜启动
取藻液1L，混合0.5L阳极液，投加到阴极室水槽内，开启小马达，使阴极碳布处于旋转状态，每天取出培养液0.5L，添加新鲜BBM培养基，使得阴极室液体体积保持为1.5L，启动3~7 d，当碳布表面可观察到明显的绿色的藻生物膜，标志着阴极藻生物膜挂膜成功；
步骤三：微生物燃料电池的启动：
打开阴阳极连通口，连接外电路，阴阳极连通后，每7d更换阴阳极液，利用电压数据采集系统对外电阻两端的电压进行监测，当外电阻两端电压达到250mV，并且两个周期最高值相近时，标志着旋转式藻生物膜燃料电池启动成功；
步骤四：微生物燃料电池的产电运行：
当外电阻两端电压低于50 mV时，更换阴阳极液。
2.根据权利要求1所述的旋转式微藻生物阴极燃料电池产电及污染物去除的方法，其特征在于所述厌氧污泥驯化液和新鲜阳极液的体积比为1:9。
3.根据权利要求1所述的旋转式微藻生物阴极燃料电池产电及污染物去除的方法，其特征在于所述藻液浓度在1500 mg/L以上。
4.根据权利要求1所述的旋转式微藻生物阴极燃料电池产电及污染物去除的方法，其特征在于所述小马达的转速为5~10转/分钟。
5.根据权利要求1所述的旋转式微藻生物阴极燃料电池产电及污染物去除的方法，其特征在于所述BBM培养基配方为：NaNO3 250mg; KH2PO4 175mg; K2HPO4 75mg; MgSO4·7H2O75mg; CaCl2·2H2O 25mg; NaCl 25 mg ; EDTA 50mg; KOH 31mg; FeSO4·7H2O 0.98mgH3BO3 11.42mg; ZnSO4·7H2O 8.82mg; MnCl2 1.44mg; MoO3 0.71mg; CuSO4·5H2O 1.57mg; Co（NO3)2·6H2O 0.49mg, 加蒸馏水补足1000ml。
6.根据权利要求1所述的旋转式微藻生物阴极燃料电池产电及污染物去除的方法，其特征在于所述电池启动耗时为20~30d。
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GR01 Patent grant
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