CN215161331U - 一种利用微生物燃料电池连续供能处理有机废水装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种利用微生物燃料电池连续供能处理有机废水工艺装置由光合菌型MFC、芽孢杆菌型单室MFC、兼氧菌型多室并列式MFC、混合微生物污泥硝化与反硝化型双室MFC、MFC蓄电池、有机废水排放或循环利用装置组成。每个装置能降解有机废水中的不同成分，并持续提供能量、光源供微生物增殖及为MFC蓄电池提供能源存储。微生物源自有机废水，在MFC装置中富集培育，适应性强，繁殖速度快，可高效降解有机废水中的全部物质，实现废水净化及污泥全部硝化。处理过程能量来源是微生物的生物能转换为电能或热能，可维持微生物菌群在不同环境、不同气候条件下对有机废水进行处理，是废水处理工艺技术与装置的重大创新。

Description

一种利用微生物燃料电池连续供能处理有机废水装置

【技术领域】

本实用新型涉及一种利用微生物燃料电池连续供能处理有机废水装置。

【背景技术】

我国养殖业、食品加工业、有机合成等高速发展，产生大量有机废水。同时，城镇化导致大量餐厨垃圾与垃圾中转压缩液、垃圾填埋液渗滤液等高浓度、高难度废液。而排放的有机污水废液浓度高、难降解、成分多样。有机废水中含有的重金属、硫化物、有毒物质以及氮化物等物质比价多,成分十分复杂,难以排除。部分颜色浓度高且具有较明显的异味,有机废水特殊的颜色及味道使得其对周边环境的影响较大,不利于生物生长和人类生存。同时化工类有机废水强酸弱碱性强，大多数是化工生产产生的废水,具有明显的强酸弱碱性,与自然水土属性无法相融,因此其无法实现自然降解。传统的处理工艺技术，需要投资大量的设备、设施，占用大量的城镇土地，处理后有许多无法降解的污泥，必须进项二次处理，浪费了大量的资源与能源。面对困境与现有技术难题，本实用新型提供种利用微生物燃料电池连续供能处理有机废水工艺装置及其应用。微生物燃料电池(MFC)是新型的生物反应器，最终产物是二氧化碳与水，释放生物能，并转化成电能，可很好的解决这一环境处理难题。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。微生物燃料电池(MFC)是新型的生物反应器，是在电化学技术基础上发展起来的以微生物为催化剂将储存在有机物中的化学能转变成为电能的装置。MFC除了具有一般燃料电池效率高、无污染等优点外，还具有燃料来源广泛(自然界大量存在的葡萄糖、淀粉等可再生有机物都可作为燃料)、反应条件温和 (可在常温、常压和中性条件下反应)等特点。

【发明内容】

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种适应性强，繁殖速度快，可高效降解有机废水中的全部物质，实现废水净化及污泥全部硝化；能解决了不同来源、不同浓度有机废水的绿色环保处理，处理后的废水可达标排放或者循环回用，处理过程能量来源是微生物的生物能转换为电能或热能，可维持微生物菌群在不同环境、不同气候条件下对有机废水进行处理的利用微生物燃料电池连续供能处理有机废水装置。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种利用微生物燃料电池连续供能处理有机废水装置，其特征在于其包括：对有机废水进行处理的光合菌型微生物燃料电池，光合菌型微生物燃料电池与微生物燃料蓄电池连接并为微生物燃料蓄电池提供电能；及对有机废水进行处理的杆菌型单室微生物燃料电池，杆菌型单室微生物燃料电池连接有兼氧菌型多室并列式微生物燃料电池，兼氧菌型多室并列式微生物燃料电池连接有硝化与反硝化型双室微生物燃料电池；杆菌型单室微生物燃料电池，兼氧菌型多室并列式微生物燃料电池和硝化与反硝化型双室微生物燃料电池分别与微生物燃料蓄电池连接；所述的硝化与反硝化型双室微生物燃料电池还通过进水管道接收有机废水。

如上所述的一种利用微生物燃料电池连续供能处理有机废水装置，其特征在于光合菌型微生物燃料电池包括阳极室和阴极室，阳极室设有阳极进水管，阴极室设有阴极出水管，阳极室还设有阳电极，阴极室还设有阴电极，阳电极与阴电极通过外电路连接。

如上所述的一种利用微生物燃料电池连续供能处理有机废水装置，其特征在于阳极室设有光合菌群为阳极接种物，阴极室设有蓝藻为阴极微生物。

如上所述的一种利用微生物燃料电池连续供能处理有机废水装置，其特征在于微生物燃料蓄电池连接有对光合菌型微生物燃料电池提供照明的照明机构。

如上所述的一种利用微生物燃料电池连续供能处理有机废水装置，其特征在于硝化与反硝化型双室微生物燃料电池和光合菌型微生物燃料电池还连接有有机废水处理排放装置。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型处理有机废水装置中富集培育，适应性强，繁殖速度快，可高效降解有机废水中的全部物质，实现废水净化及污泥全部消化。解决了不同来源、不同浓度有机废水的绿色环保处理，处理后的废水可达标排放或者循环回用。处理过程能量来源是微生物的生物能转换为电能或热能，可维持微生物菌群在不同环境、不同气候条件下对有机废水进行处理，是废水处理工艺技术与装置的重大创新。

【附图说明】

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的光合菌型微生物燃料电池的结构示意图。

图号说明

1：光合菌型微生物燃料电池

2：微生物燃料蓄电池

3：杆菌型单室微生物燃料电池

4：兼氧菌型多室并列式微生物燃料电池

5：硝化与反硝化型双室转换室

6：进水管道

11：阳极室

12：阴极室

13：阳极进水管

14：阴极出水管

15：阳电极

16：阴电极

【具体实施方式】

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

本实用新型先对微生物燃料电池的技术原理与应用先进行阐释。物质解析：根据电子传递方式进行分类，微生物燃料电池可分为直接的和间接的微生物燃料电池。所谓直接的是指燃料在电极上氧化的同时，电子直接从燃料分子转移到电极，再由生物催化剂直接催化电极表面的反应，这种反应在化学中成为氧化还原反应；如果燃料是在电解液中或其它处所反应，电子通过氧化还原介体传递到电极上的电池就称为间接微生物燃料电池。根据电池中是否需要添加电子传递介体又可分为有介体和无介体微生物燃料电池。

分类介体：向微生物燃料电池中添加的介体主要有两种：第一类是人工合成的介体，主要是一些染料类的物质，如吩嗪、吩噻嗪、靛酚、硫堇等等。第二类为天然物。

作用原理：参与传递电子的介体与微生物和阳极之间的作用形式有三种：微生物将氧化还原反应产生的电子直接传递给溶解在溶液中的介体，介体再将电子传递给电极；介体能进入到微生物体内，参加反应被还原，从微生物体内出来后再将电子传递给电极；微生物吸附在电极表面，它将反应产生的电子传递给在细胞表面的介体，再通过介体传递给电极。

优势：与现有的其它利用有机物产能的技术相比，微生物燃料电池具有操作上和功能上的优势：首先，它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率；其次，不同于现有的所有生物能处理，微生物燃料电池在常温环境条件下能够有效运作；第三，微生物燃料电池不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的主要组分是二氧化碳，一般条件下不具有可再利用的能量；第四，微生物燃料电池不需要输入较大能量，因为若是单室微生物燃料电池仅需通风就可以被动的补充阴极气体；第五，在缺乏电力基础设施的局部地区，微生物燃料电池具有广泛应用的潜力，同时也扩大了用来满足我们对能源需求的燃料的多样性。

微生物技术的详细作用原理：微生物燃料电池(MFCs)提供了从可生物降解的、还原的化合物中维持能量产生的新机会。MFCs可以利用不同的碳水化合物，同时也可以利用废水中含有的各种复杂物质。MFCs将可以被生物降解的物质中可利用的能量直接转化成为电能。要达到这一目的，只需要使细菌从利用它的天然电子传递受体，例如氧或者氮，转化为利用不溶性的受体，比如MFC的阳极。这一转换可以通过使用膜联组分或者可溶性电子穿梭体来实现。然后电子经由一个电阻器流向阴极，在那里电子受体被还原。与厌氧性硝化作用相比，MFC能产生电流，并且生成了以二氧化碳为主的废气。与现有的其它利用有机物产能的技术相比，MFCs具有操作上和功能上的优势。首先它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率。其次，不同于现有的所有生物能处理，MFCs在常温，甚至是低温的环境条件下都能够有效运作。第三，MFC不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的主要组分是二氧化碳，一般条件下不具有可再利用的能量。第四，MFCs不需要能量输入，因为仅需通风就可以被动的补充阴极气体。第五，在缺乏电力基础设施的局部地区，MFCs具有广泛应用的潜力，同时也扩大了用来满足我们对能源需求的燃料的多样性。

微生物燃料电池中的代谢：为了衡量细菌的发电能力，控制微生物电子和质子流的代谢途径必须要确定下来。除去底物的影响之外，电池阳极的势能也将决定细菌的代谢。增加MFC的电流会降低阳极电势，导致细菌将电子传递给更具还原性的复合物。因此阳极电势将决定细菌最终电子穿梭的氧化还原电势，同时也决定了代谢的类型。根据阳极势能的不同能够区分一些不同的代谢途径：高氧化还原氧化代谢，中氧化还原到低氧化还原的代谢，以及发酵。因此，目前报道过的MFCs中的生物从好氧型、兼性厌氧型到严格厌氧型的都有分布。在高阳极电势的情况下，细菌在氧化代谢时能够使用呼吸链。电子及其相伴随的质子传递需要通过NADH脱氢酶、泛醌、辅酶Q或细胞色素。

MFC中的阳极电子传递机制：电子向电极的传递需要一个物理性的传递系统以完成电池外部的电子转移。这一目的既可以通过使用可溶性的电子穿梭体，也可以通过膜结合的电子穿梭复合体。氧化性的、膜结合的电子传递被认为是通过组成呼吸链的复合体完成的。已知细菌利用这一通路的例子有Geobacter metallireducens、嗜水气单胞菌(Aeromonas hydrophila)以及Rhodoferax ferrireducens。决定一个组分是否能发挥类似电子门控通道的主要要求在于，它的原子空间结构相位的易接近性(即物理上能与电子供体和受体发生相互作用)。门控的势能与阳极的高低关系则将决定实际上是否能够使用这一门控(电子不能传递给一个更还原的电极)。MFCs中鉴定出的许多发酵性的微生物都具有某一种氢化酶，例如布氏梭菌和微肠球菌。氢化酶可能直接参加了电子向电极的转移过程。关于电子传递，它必须结合可移动的氧化穿梭体。细菌可以使用可溶性的组分将电子从一个细胞(内)的化合物转移到电极的表面，同时伴随着这一化合物的氧化。向反应器中添加氧化型中间体比如中性红，劳氏紫 (thionin)和甲基紫萝碱(viologen)。表明这些中间体的添加通常都是很关键的。但是，细菌也能够自己制造这些氧化中间体，通过两种途径：通过制造有机的、可以被可逆的还原化合物(次级代谢物)，和通过制造可以被氧化的代谢中间物(初级代谢物)。(8)应用价值前景：微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)是一种以产电微生物为阳极催化剂将有机物中的化学能直接转化为电能的装置，在废水处理和新能源开发领域具有广阔的应用前景。

本本实用新型的一种利用微生物燃料电池连续供能处理有机废水装置，其包括：对有机废水进行处理的光合菌型微生物燃料电池1，光合菌型微生物燃料电池1与微生物燃料蓄电池2连接并为微生物燃料蓄电池提供电能；及对有机废水进行处理的杆菌型单室微生物燃料电池3，杆菌型单室微生物燃料电池3连接有兼氧菌型多室并列式微生物燃料电池4，兼氧菌型多室并列式微生物燃料电池4连接有硝化与反硝化型双室转换室5；杆菌型单室微生物燃料电池3，兼氧菌型多室并列式微生物燃料电池4和硝化与反硝化型双室转换室5分别与微生物燃料蓄电池2连接；所述的硝化与反硝化型双室转换室5还通过进水管道6接收有机废水。

本实用新型的光合菌型微生物燃料电池一般处理中低浓度有机废水如养殖业及食品加工业废水。主要为微生物燃料蓄电池蓄电，同时为光合菌生长提供照明光源。单独运行，持续处理低浓度有机废水，持续供电，处理结束的有机废水可达标排放或者循环利用，装置相对独立，是微生物燃料蓄电池2的重要能量来源。

光合菌型微生物燃料电池1包括阳极室11和阴极室12，阳极室 11设有阳极进水管13，阴极室12设有阴极出水管14，阳极室11还设有阳电极15，阴极室12还设有阴电极16，阳电极15与阴电极16 通过外电路连接。

阳极室设有光合菌群为阳极接种物，阴极室设有蓝藻为阴极微生物。

杆菌型单室微生物燃料电池3为单室，是微生物燃料蓄电池全部装置中的第一段有机废水处理装置。对有机废水的处理重点是清除有机废水中恶臭味，控制挥发性气体，降解部分有机废水中的氨氮、有机氮、无机氮等。如餐厨垃圾废水、屠宰废水等。同时为微生物燃料蓄电池蓄电。经第一段有机废水处理装置处理后的废水，进入兼氧菌型多室并列式微生物燃料电池继续处理。

兼氧菌型多室并列式微生物燃料电池4以兼氧菌富集的兼氧菌群为阳极接种物，好氧菌为阴极微生物装置对有机废水进行第二步处理。经第一段有机废水处理装置处理后的废水，进入并联的兼性厌氧型MFC装置继续处理。第一段处理的废水中，大部分物质没有被完全分解，特别是有机高分子聚合物、有机废水中的有毒有害物，需要在装置中进行深度分解处理。可以将95％的有毒有害物、有机高分子聚合物、木质素等分解成小分子、为好氧微生物提供营养。在并列式的三个装置中，连续流动，即可以满处微生物的生产、增殖、代谢营养，又可以产生大量的生物能，维持微生物对生长温度的需求及给MFC蓄电池存贮能源。其中兼氧菌型多室并列三个，可分解不同来源有机废水污染物。

硝化与反硝化双室转换室5以硝化菌群为阳极接种物，反硝化菌为阴极微生物，对有机废水进行第三部末端处理。经兼氧菌型多室并列式微生物燃料电池4对有机废水进行第二步处理后，有机废水中的 95％的有机物、有害物全部分解，生成二氧化碳、能量、氮气、氢气、高度水溶性小分子有机物、无机盐、氨氮等，需要进入硝化与反硝化双室转换室5做最后处理达标或者循环利用

微生物燃料蓄电池连接有对光合菌型微生物燃料电池提供照明的照明机构。

硝化与反硝化型双室转换室5和光合菌型微生物燃料电池1还连接有有机废水处理排放装置。

其中所述的以蓄能供电照明为主体的光合菌型微生物燃料电池 1，是本装置主要能源供给中心，为本工艺装置提供80％的能源，降解处理本实用新型工艺装置中20％的有机物。

其中所述光合菌型微生物燃料电池1以光照富集的光合菌群为阳极接种物，蓝藻为阴极微生物，对有机废水进行处理装置。所述功能主要为MFC蓄电池蓄电并为光合菌生长提供照明光源。同时为光合菌生长提供照明光源。相对单独运行，持续处理低浓度有机废水，持续供电，处理结束的有机废水可达标排放或者循环利用，装置相对独立，是蓄电的重要能量来源。该装置需要对光合菌进行富集培养，废水中含有光合菌细菌菌的，直接利用废水中的光合菌进行富集培养繁殖。废水中没有光合菌的或者数量极少的，通过购买市场成熟的光合菌菌种进行接种富集培养。光合菌型微生物燃料电池1启动阶段阳极液为有机-无机盐废水，阴极液为BG11培养基，电池稳定运行后阳极液为养殖或食品加工废水，阳极出水为阴极进水。反应器置于5000 -8000lx光照下运行，温度恒定在28℃，待输出电压降过低时更换培养液。

所述BG-11是培养蓝藻使用的培养基，具体由如下表：

所述蓝藻培养基，是进行启动培养。在培养蓝藻的成功后，连续在MFC装置中长期繁殖。

所述废水中没有光合菌的或者数量极少的，通过购买市场成熟的光合菌菌种进行接种富集培养。

所述光合细菌富集培养基配方：NH4Cl 0.1g；NaHCO30.1g； KH2PO4 0.02g；CH3COONa 0.1-0.5g；MgSO4·7H2O 0.02g；NaCl 0.05-0.2g；生长因子1ml；微量元素溶液1ml；蒸馏水97ml；PH 7.0。生长因子培养基氮源为谷氨酸钠和碳源(乙酸、丙酸、丁酸盐等)即可。其他菌的分离只要选择不同的培养基就可以选择分离。所述光合细菌培养基配方：氯化氨1克，磷酸氢二钾0.5克，氯化镁 0.2克，氯化钠2克，酵母膏0.1克，水900毫升。各成份溶解后15 磅灭菌20分钟，然后无菌的加入过滤的碳酸氢钠5.0克/50毫升水； 50毫升过滤的乙醇。用过滤的0.1N磷酸调PH＝7.0即可。

在整个装置中，三种不同类型的转换室，降解处理本实用新型工艺装置中80％的有机物，20％的蓄能作用。

其中所述杆菌型单室微生物燃料电池对有机废水进行第一步处理，有机废水在第一步处理后，废水中的物质降解减量达到10％左右，是本实用新型装置中有机废水的预处理。所述芽孢杆菌型单室MFC的微生物菌群来自污水，启动后，将温度控制在35-37度，PH值控制在7.0-7.2。利用废水中的养分供微生物生长繁殖，并将氮源提供给反硝化细菌，完成MFC的运行。

其中兼氧菌型多室并列式微生物燃料电池以兼氧菌富集的兼氧菌群为阳极接种物，好氧菌为阴极微生物，对有机废水进行第二步处理：其中所述是第一步预处理后的废水流入兼氧菌型多室并列式MFC，由由三个并列MFC组成，废水连续流入，连续处理，经该段处理后，废水中的物质降解减量达到95％左右，并将剩余能量贮藏在MFC蓄电池中。所述兼氧菌型多室并列式MFC的微生物菌群来自污水，启动后，将温度控制在30-32度，PH值控制在7.0左右。利用废水中的有机物及无机盐等供微生物生长繁殖，将兼氧菌分解后剩余的碳源等养分提供给好氧菌，完成MFC的运行。

其中所述硝化与反硝化型双室转换室，以硝化菌群为阳极接种物，反硝化菌为阴极微生物，对有机废水进行第三部末端处理，所述废水经兼氧菌型多室并列式微生物燃料电池第二步处理后，废水中的大部分物质已经分解，剩余物主要是碳氮类中小分子物质，属于类活性污泥。需要进行污泥减量硝化，并将残余氮类物质进一步移除水体。在第三部末端处理过程中，硝化将污泥全部硝化并释放能量。残余氮，经反硝化细菌的分解，转变成氮气释放。第三段处理后的清水，进入排水装置，排放或者循环利用。

本实用新型全部装置中的微生物富集、培养、启动技术属于微生物领域常规技术方法，不再赘述。

本实用新型的一种利用微生物燃料电池连续供能处理有机废水的方法，其特征在于其步骤包括：

第一步：芽孢杆菌型单室MFC对有机废水进行预处理。机废水在第一步处理后，废水中的物质降解减量达到10％左右，是本实用新型装置中有机废水的预处理。所述芽孢杆菌型单室MFC的微生物菌群来自污水，启动后，将温度控制在35-37度，PH值控制在7.0-7.2。利用废水中的养分供微生物生长繁殖，并将氮源提供给反硝化细菌，完成微生物燃料蓄电池的运行。

第二步：兼氧菌型多室并列式MFC以兼氧菌富集的兼氧菌群为阳极接种物，好氧菌为阴极微生物，对有机废水进行处理。是第一步预处理后的废水流入兼氧菌型多室并列式MFC，由由三个并列MFC组成，废水连续流入，连续处理，经该段处理后，废水中的物质降解减量达到95％左右，并将剩余能量贮藏在MFC蓄电池中。兼氧菌型多室并列式MFC的微生物菌群来自污水，启动后，将温度控制在30-32度，PH 值控制在7.0左右。利用废水中的有机物及无机盐等供微生物生长繁殖，将兼氧菌分解后剩余的碳源等养分提供给好氧菌，完成MFC的运行。

第三步：混合微生物污泥硝化与反硝化型双室MFC，以硝化菌群为阳极接种物，反硝化菌为阴极微生物，对有机废水进行第三部末端处理。废水经兼氧菌型多室并列式MFC第二步处理后，废水中的大部分物质已经分解，剩余物主要是碳氮类中小分子物质，属于类活性污泥。需要进行污泥减量硝化，并将残余氮类物质进一步移除水体。在第三部末端处理过程中，硝化菌群将污泥全部硝化。残余氮，经反硝化细菌的分解，转变成氮气释放。

第四步：水循环利用或回用。第三段处理结束后，出的清水达到一级饮用水标准，进入排水存储装置，进行水资源循环利用或者用于生产生活用水回用。

Claims (5)

1.一种利用微生物燃料电池连续供能处理有机废水装置，其特征在于其包括：对有机废水进行处理的光合菌型微生物燃料电池(1)，光合菌型微生物燃料电池(1)与微生物燃料蓄电池(2)连接并为微生物燃料蓄电池提供电能；及对有机废水进行处理的杆菌型单室微生物燃料电池(3)，杆菌型单室微生物燃料电池(3)连接有兼氧菌型多室并列式微生物燃料电池(4)，兼氧菌型多室并列式微生物燃料电池(4)连接有硝化与反硝化型双室微生物燃料电池(5)；杆菌型单室微生物燃料电池(3)，兼氧菌型多室并列式微生物燃料电池(4)和硝化与反硝化型双室微生物燃料电池(5)分别与微生物燃料蓄电池(2)连接；所述的硝化与反硝化型双室微生物燃料电池(5)还通过进水管道(6)接收有机废水。

2.根据权利要求1所述的一种利用微生物燃料电池连续供能处理有机废水装置，其特征在于光合菌型微生物燃料电池(1)包括阳极室(11)和阴极室(12)，阳极室(11)设有阳极进水管(13)，阴极室(12)设有阴极出水管(14)，阳极室(11)还设有阳电极(15)，阴极室(12)还设有阴电极(16)，阳电极(15)与阴电极(16)通过外电路连接。

3.根据权利要求2所述的一种利用微生物燃料电池连续供能处理有机废水装置，其特征在于阳极室设有光合菌群为阳极接种物，阴极室设有蓝藻为阴极微生物。

4.根据权利要求1所述的一种利用微生物燃料电池连续供能处理有机废水装置，其特征在于微生物燃料蓄电池连接有对光合菌型微生物燃料电池提供照明的照明机构。

5.根据权利要求1所述的一种利用微生物燃料电池连续供能处理有机废水装置，其特征在于硝化与反硝化型双室微生物燃料电池(5)和光合菌型微生物燃料电池(1)还连接有有机废水处理排放装置。

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