CN111370725A

CN111370725A - 一种基于生物动态膜的mfc系统及强化产电方法

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Publication number: CN111370725A
Application number: CN202010146135.4A
Authority: CN
Inventors: 杨小丽; 李韬; 宋海亮; 陈巧玲
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2020-03-05
Filing date: 2020-03-05
Publication date: 2020-07-03
Anticipated expiration: 2040-03-05
Also published as: CN111370725B

Abstract

本发明公开了一种基于生物动态膜的MFC系统及强电产生方法，包括反应器腔体，阳极，阴极，隔膜以及外电阻；反应器腔体由动态生物膜隔离成阴阳极室，阳极，阴极分别设置在阳极室以及阴极室内，阴阳极分别与外电阻连接；在阳极室上设置有进水口，在阴极室上设置有出水口，阴极室底部设有曝气管；所述的隔膜为生物动态膜；所述的生物动态膜由骨架以及挂膜层构成；所述的生物动态膜骨架包括固定骨架和膜基，所述膜基包裹在固定骨架表面，提供动态生物膜附着的有效生长位点；所述的挂膜层由滤饼层和凝胶层组成。此外，为了进一步强化MFC产电性能，将中药植物经预处理并粉碎后加入到MFC系统的阳极室，作为电子中介体的释放体，强化MFC产电性能和污染物去除性能。本发明对MFC产电和除污效果提升明显，对电活性微生物毒害作用小。

Description

一种基于生物动态膜的MFC系统及强化产电方法

技术领域

本发明属于水污染控制与水处理领域，具体涉及一种基于生物动态膜的MFC系统及强化产电方法。

背景技术

在目前水处理技术研究领域中，微生物燃料电池技术由于其具有污染物降解与产电的双重功效，受到全世界科研人员的密切关注。微生物燃料电池技术（Microbial fuelcell，MFC）是利用酶或者微生物作为阳极催化剂，通过其代谢作用将有机物中的化学能直接转化成电能的技术，更新了传统有机污染物处理的概念，在有效处理污染物的同时回收电能。MFC打破了常规的电子传递链，阳极微生物催化氧化有机底物而产生的电子导出细胞，并传递到电极，进而在阴极被TEA（Terminal Electron Acceptor，最终电子受体，如O₂，铁氰化钾）消耗，从中获取能量；电子不断产生、传递、消耗形成回路，从而产生电流。从另一个角度看，MFC将原氧化还原反应的发生区域从细胞内扩展到了细胞以外的环境，延伸到整个电池结构体系中，进而促进整个电化学体系对常规污染物和难降解污染物的有效去除。而且，由于MFC对于环境中特定污染物的存在和浓度变化会产生相应电流或电位响应，研究者们也利用其这一特性，将MFC作为生物传感器广泛应用于水体中芳香烃、重金属等污染物的在线监测过程中。因此MFC技术有望在污水处理和水体中污染物实时监测领域具有广泛的应用前景。

MFC依据构型可分为单室MFC和双室MFC，双室MFC通常需要质子交换膜或离子交换膜将两室隔开，其作用主要包括两方面：一是作为阳极质子到阴极室的转移通道，维持阴阳极两室pH平衡；二是作为阴阳极室分隔介质，阻隔阴极室O₂渗透至阳极，避免与阳极竞争电子受体。但质子交换膜或离子交换膜内阻大、价格昂贵和易被污染的特点，成为限制MFC技术规模化应用的最大瓶颈之一。现在最常用的质子交换膜是美国杜邦公司生产的Nafion质子交换膜，价格是＄1400/m²，最简单的离子交换膜CMI-7000价格也高达＄80/m²。因此开发价格低廉、传质高效的新型阴阳极室分隔介质十分必要。

发明内容

本发明的目的是为了针对现有应用于MFC中的质子交换膜存在的造价高昂、内阻大等缺陷，为了克服现有MFC电子传递效率低，提供一种基于生物动态膜的MFC系统及强化产电方法。采用生物动态膜替换传统质子交换膜，生物动态膜分隔MFC构型可在保证MFC系统基本性能的前提下，降低MFC系统造价成本，提升MFC性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于生物动态膜的MFC系统，包括反应器腔体，阳极，阴极，隔膜以及外电阻；所述的反应器腔体由动态生物膜隔离成阴阳极室，阳极，阴极分别设置在阳极室以及阴极室内，阴阳极分别与外电阻连接；在阳极室上设置有进水口，在阴极室上设置有出水口，阴极室底部设有曝气管；所述的隔膜为生物动态膜；所述的生物动态膜由骨架以及挂膜层构成；所述的生物动态膜骨架包括固定骨架和膜基，所述膜基包裹在固定骨架表面，提供动态生物膜附着的有效生长位点；所述的挂膜层由滤饼层和凝胶层组成。

作为本发明的一种改进，所述滤饼层由松散附着的污泥絮凝物组成，易在气水联合扰动下被去除；所述凝胶层则紧密地粘附在支撑材料的表面，具有一般膜材料的性质，对污染物起到一定的截留和过滤作用。

作为本发明的一种改进，所述的生物动态膜骨架还包括滤料或填料基质，应满足机械强度高、比表面积大、化学稳定性良好、易于取材、价廉等要求，可供选的滤料包括无烟煤、石英砂、陶粒、砾石、火山岩等，滤料可单独使用，也可以一定配比混合使用。

当所述述微生物燃料电池为生物阴极时，滤料可选择表面粗糙、微孔丰富、易于微生物生长的滤料或填料基质，为MFC生物阴极富集更多的硝化细菌和厌氧氨氧化细菌，强化MFC生物阴极脱氮。

作为本发明的一种改进，选择耐腐蚀性好、强度高的不锈钢网作为滤料固定骨架，依据MFC构型进行塑形，将滤料或填料基质以一定颗粒级配滤料填充。

作为本发明的一种改进，选择具有细小网眼的网状物或织状物作为动态生物膜膜基，例如不锈钢网、工业滤布、无纺布等。膜基包裹在所述固定骨架表面。

作为本发明的一种改进，所述阳极由碳棒，碳毡，活性炭，碳纸，碳布，碳刷或金属材料中的一种组成，所述阴极由碳棒，碳毡，活性炭，碳纸，碳布，碳刷或金属材料中的一种组成。

作为本发明的一种改进，所述的挂膜层采用活性污泥挂膜法和自然挂膜法实现挂膜；所述活性污泥挂膜法具体操作为：将动态生物膜膜骨架置于密闭容器中，向密闭容器中通入接种污泥和MFC配水溶液混合液，先闷曝气2 h使各种优势菌种达到对数生长期，然后停曝8 h，这时动态生物膜膜骨架与污泥充分接触，微生物附着在膜骨架上；所述自然挂膜法具体操作为向MFC通入进水，以序批式或连续式运行MFC系统，系统运行一段时间后可形成动态生物膜。

作为本发明的一种改进，阳极基质为乙酸钠，葡萄糖，生活污水或工业废水中的一种或几种。

所述动态生物膜的膜污染，可在MFC系统形成的内电场作用下得到一定的缓解，MFC产生的微电流，可以降低活性污泥的Zeta电位，促进活性污泥发生电凝聚，增大污泥粒径并改善过滤性和脱水性，有效延缓膜污染，维持动态生物膜厚度处于一个动态平衡状态。

本发明还公开了一种基于生物动态膜的MFC系统的强化产电方法，采用蒽醌类中药植物，经预处理并粉碎后加入到MFC系统的阳极室，所述的MFC系统为上述任意一项所述的MFC系统。

作为本发明的一种改进，所述中药加入前需粉碎成粉末，粉末粒径在100目-200目范围内。

作为本发明的一种改进，所述的预处理为通过2%浓度酸处理后，洗涤至中性，自然晾干。

作为本发明的一种改进，蒽醌类中药植物为大黄，所述的大黄粉末投加量控制在质量比0.5%-1%。大黄粉末经2%酸处理后投加进MFC阳极室，粉末中具有电子中介功能的蒽醌类/多酚类物质释放到阳极液中，提升了电子传递效率，进而促进生物电的产生和系统对COD和氨氮的有效去除。与空白对照组相比，大黄粉末的加入使MFC的库伦效率提升了47%-50%，最大能量密度提升了42%-45%，内阻降低了4%-6%。同时也提升了系统内细菌群落的丰富度和均匀度，富集了与产电相关的菌群。

有益效果：

本发明提供的一种新型MFC构型及强化产电方法，同现有技术相比具有以下优点和有益效果：

1、本发明通过动态生物膜作为分隔介质将MFC阳极室和阴极室实现空间分隔，与传统离子交换膜生产工艺复杂、高内阻相比，动态生物膜利用常规滤料及多孔基材构建，以微生物形成的生物膜薄层作为阴阳极分隔，具有构建简单，价格低廉，低内阻的特点，在隔绝氧气的同时可以允许质子通过。

2、动态生物膜可作为阴阳极室分隔介质阻碍阴极O₂传递到阳极，限制其与阳极电极竞争电子受体，保证MFC系统正常产电；

3、少量O₂在通过动态生物膜由阴极室传递到阳极室的过程中，会被动态生物膜上的微生物代谢所消耗利用，减少进入阳极室氧气的量。

4、动态生物膜可促进MFC系统中阴极脱氮微环境的形成。当动态生物膜应用于连续流溶氧型双室MFC时，动态生物膜中从阳极到阴极面可形成“厌氧-缺氧-好氧”的溶氧梯度，为硝化反硝化、厌氧氨氧化的发生提供适宜微环境，强化MFC系统脱氮性能。

5、动态生物膜在连续流MFC系统中，不仅为进水依次通过阳极室、阴极室提供通道，同时对来自阳极室的污染物在进入阴极室之前，起到膜过滤和二次生物降解作用。

6、本发明中动态膜构建操作简便，材料廉价易得，经济可行，可反复使用。

7、本发明适用于双室型MFC、沉积物MFC、人工湿地MFC耦合系统等，应用范围广泛。

8、本发明采用蒽醌类中药植物中内含物作为电子中介体，与传统外加电子中介体相比，环境友好，生物兼容性强，对微生物致毒效应弱，易于实现。

9、本发明投加进MFC系统的大黄粉末有电子中介体、微生物载体和缓释固体碳源三个功能。

10、本发明中大黄粉末投加进MFC中可以使系统产电性能得到有效提升。

11、本发明中采用的预处理方法（2%酸处理）操作简便，经济可行，可反复使用。

附图说明

图1为动态生物膜在双室连续流MFC中应用的示意图。

图2为大黄粉末投加进MFC作用示意图。

图3为动态生物膜在圆筒式连续流MFC中应用的示意图。

图4为动态生物膜在沉积型MFC中应用的示意图。

图5为大黄粉末投加进MFC后极化曲线和能量密度图。

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明

实施例1：

参见图1，该实施例为动态生物膜替代质子交换膜的双室连续流MFC系统，该系统包括进水口1，阳极2，取样口3，外电阻4，动态膜分隔5，阴极6，出水口7，曝气管路8。该系统阴阳极室由动态生物膜隔离，阴阳极电极均采用碳刷，阴阳极外接电阻，阴极为曝气空气阴极，阴极室底部设有曝气管。动态生物膜由滤料或填料基质、固定骨架和膜基组成。在此例中，填料基质由粒径为50目大小陶粒组成，固定骨架选择80目孔径不锈钢网，陶粒混合均匀后填充在不锈钢网笼中。选择100目透水无纺布作为膜基材覆盖在不锈钢网笼阴阳极两侧，至此动态膜组件构建完成。将膜组件安装在MFC中，调整位置使得阴阳极室体积被均匀分隔。所述MFC系统处理废水的运行过程为：原水通过蠕动泵泵送至阳极，废水中的有机物在阳极微生物作用下被降解，其中一部分有机质被产电菌所利用，产电菌催化氧化有机底物而产生电子和质子，质子在水流带动下透过动态生物膜层到达阴极，电子通过外电路传递到阴极被电子受体所利用，从而形成闭合回路。动态生物膜在所述系统中主要起到以下作用：

1）动态生物膜可作为分隔介质将MFC阳极室和阴极室空间分隔；

2）作为隔离介质阻挡O₂从阴极室到阳极室的扩散；

3）在动态膜阴极面形成从外到内的好氧-缺氧-厌氧的溶氧梯度，为硝化反硝化、厌氧氨氧化的发生提供微环境，强化MFC系统脱氮性能。

4）为进水依次通过阳极室、阴极室提供通道，同时对阳极出水起到膜过滤和进一步降解有机物的作用。

实施例2：

参见图3，该实施例为动态生物膜替代质子交换膜的圆筒式连续流MFC系统，该系统由进水管路21，阳极22，动态膜23，外阻24，出水管路25，阴极26，曝气管27。该系统阴阳极室由动态生物膜分隔，动态生物膜包围的内部为阴极室，外部为阳极室，阳极电极为碳毡，阴极电极为碳刷，阴阳极通过外接电阻连接，系统阴极为曝气生物阴极，阴极室内部设有曝气管。动态生物膜由滤料、固定骨架和膜基组成。在此例中，填料基质由粒径为50目火山岩颗粒组成，固定骨架选择80目孔径圆筒形不锈钢网，火山岩颗粒混合均匀后填充在不锈钢网笼中。选择100目透水无纺布作为膜基材覆盖在不锈钢网笼阴阳极两侧，至此动态膜组件构建完成。将膜组件安装在MFC中，调整位置至最适阴阳极室体积分隔。所述MFC系统处理废水的运行过程为：进水通过蠕动泵泵送至阳极室，废水中的有机物在阳极微生物作用下被降解，其中一部分有机质被产电菌所利用，产电菌催化氧化有机底物而产生电子和质子，阳极出水通过溢流或在泵压作用下透过动态生物膜到达阴极室，质子在水流带动下到达阴极，电子通过外电路传递到阴极被电子受体所利用，从而形成闭合回路。

动态生物膜在所述系统中主要起到以下作用：

1)动态生物膜可作为分隔介质将MFC阳极室和阴极室空间分隔；

2)作为隔离介质阻挡O₂从阴极室到阳极室的扩散；

3)在动态膜阴极面形成从外到内的好氧-缺氧-厌氧的溶氧梯度，为硝化反硝化、厌氧氨氧化的发生提供微环境，强化MFC系统脱氮性能。

4)为进水依次通过阳极室、阴极室提供通道，同时对阳极出水起到膜过滤和进一步降解有机物的作用。

实施例3：参见图4，该实施例为动态生物膜替代质子交换膜的沉积型MFC系统，该系统由进水口28，外电阻29，阴极30，出水口31，动态膜32，阳极33组成。阳极埋在底泥中，阴极漂浮在水面上，阳极为厚石墨板，阴极为碳毡，阴阳极通过外接外电阻连接。MFC系统阴阳极由动态生物膜分隔开来，动态生物膜由固定骨架和膜基组成，固定在阴阳极室之间。在此例中，填料基质由粒径为50目活性炭颗粒组成，固定骨架选择80目孔径不锈钢网，活性炭颗粒混合均匀后填充在不锈钢网笼中。选择100目透水滤布作为膜基材覆盖在不锈钢网笼阴阳极两侧，至此动态膜组件构建完成。将膜组件安装在MFC中，调整位置至最适阴阳极室体积分隔。所述MFC系统处理废水的运行过程为：进水由底部进入，首先经过阳极，废水中的有机物在阳极微生物作用下被降解，其中一部分有机质被产电菌所利用，产电菌催化氧化有机底物产生电子和质子。进水经过阳极后，在水泵的压力作用下通过动态生物膜，质子在水流带动下到达阴极，电子通过外电路传递到阴极被电子受体所利用，从而形成闭合回路。

动态生物膜在所述系统中主要起到以下作用：

2)作为隔离介质阻挡O₂从阴极室到阳极室的扩散；

实施例4：

构建双室立方体型微生物燃料电池反应器，结合图2，本发明的MFC组成包括反应器9，阴极10，铁氰化钾阴极液11，离子交换膜12，阳极13，电化学生物膜14，乙酸钠基质15，电化学微生物16，活性污泥17，中药粉末18，粉末中释放出的蒽醌类电子中介体19，外电阻20。阴极和阳极材料均为碳刷，阴阳极间距3 cm，阴极无催化剂负载，外阻1000 Ω。阳极室进水为以乙酸钠为碳源的模拟废水，并保持严格厌氧，阴极为铁氰化钾溶液。输出电压由数据采集系统定时记录。在阳极室接种厌氧污泥，进行产电微生物驯化，序批式运行。在电压降至50mV以下更换新鲜基质，待电压形成稳定周期性变化趋势后，证明产电菌驯化完成。然后在阳极室加入0.01 g/L（0.5%）中药植物大黄粉末，进行序批式运行，监测其产电性能和污染物去除性能。在产电稳定平台期，测试其能量密度曲线和极化曲线，其结果见图5。由图5可知，加入大黄对MFC产电提升效果明显：与不加任何中药植物对照组相比，加入大黄的MFC能量密度为18.67 W/m³，库伦效率为29.03%；空白对照组（无任何中药粉末添加）的能量密度为13.15W/m³，库伦效率为19.72%。与空白对照组相比，大黄粉末加入使能量密度提升了41.98%，库伦效率提升了47.21%。

Claims

1.一种基于生物动态膜的MFC系统，包括反应器腔体，阳极，阴极，隔膜以及外电阻；所述的反应器腔体由动态生物膜隔离成阴阳极室，阳极，阴极分别设置在阳极室以及阴极室内，阴阳极分别与外电阻连接；其特征在于：所述的隔膜为生物动态膜；所述的生物动态膜由骨架以及挂膜层构成；所述的生物动态膜骨架包括固定骨架和膜基，所述膜基包裹在固定骨架表面，提供动态生物膜附着的有效生长位点；所述的挂膜层由滤饼层和凝胶层组成。

2.根据权利要求1所述的基于生物动态膜的MFC系统，其特征在于：所述的生物动态膜骨架还包括滤料，所述的滤料包括沸石、石英砂、陶粒、砾石、火山岩中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的基于生物动态膜的MFC系统，其特征在于：所述固定骨架用于滤料的固定和塑形，固定骨架采用不锈钢网。

4.根据权利要求1所述的基于生物动态膜的MFC系统，其特征在于：所述的膜基采用具有细小网眼的网状物或织状物，包括不锈钢网、工业滤布、无纺布。

5.根据权利要求1所述的基于生物动态膜的MFC系统，其特征在于：所述滤饼层由松散附着的污泥絮凝物组成，易在气水联合扰动下被去除；所述凝胶层则紧密地粘附在支撑材料的表面，用于对污染物进行截留和过滤。

6.根据权利要求1所述的基于生物动态膜的MFC系统，其特征在于：所述阳极由碳棒，碳毡，活性炭，碳纸，碳布，碳刷或金属材料中的一种组成，所述阴极由碳棒，碳毡，活性炭，碳纸，碳布，碳刷或金属材料中的一种组成。

7.根据权利要求1所述的基于生物动态膜的MFC系统，其特征在于：所述的挂膜层采用活性污泥挂膜法和自然挂膜法实现挂膜；所述活性污泥挂膜法具体操作为：将动态生物膜膜骨架置于密闭容器中，向密闭容器中通入接种污泥和MFC配水溶液混合液，先闷曝气2 h使各种优势菌种达到对数生长期，然后停曝8 h，这时动态生物膜膜骨架与污泥充分接触，微生物附着在膜骨架上；所述自然挂膜法具体操作为向MFC通入进水，以序批式或连续式运行MFC系统，系统运行一段时间后可形成动态生物膜。

8.根据权利要求1所述的基于生物动态膜的MFC系统，其特征在于：阳极基质为乙酸钠，葡萄糖，生活污水或工业废水中的一种或几种。

9.一种基于生物动态膜的MFC系统的强化产电方法，其特征在于：采用蒽醌类中药植物，经预处理并粉碎后加入到MFC系统的阳极室，所述的MFC系统为权利要求1-8中任意一项所述的MFC系统。

10.根据权利要求9所述的基于生物动态膜的MFC系统的强化产电方法，其特征在于：所述中药加入前需粉碎成粉末，粉末粒径在100目-200目范围内。

11.根据权利要求9所述的基于生物动态膜的MFC系统的强化产电方法，其特征在于：所述的预处理为通过2%浓度酸处理后，洗涤至中性，自然晾干。

12.根据权利要求9所述的基于生物动态膜的MFC系统的强化产电方法，其特征在于：蒽醌类中药植物为大黄，所述的大黄粉末投加量控制在质量比0.5%-1%。