申请日2011.12.31
公开(公告)日2013.12.04
IPC分类号H01M8/16; H01M8/04; H01M8/06; C02F3/34
摘要
本发明是一种微生物燃料电池三级连续式废水脱氮处理方法及装置，其特点是：经阳极板的制作和预处理、恶臭假单胞菌的固定化，将得到的固定化恶臭假单胞菌新型阳极，固定到处理氨氮废水的阳极室中，将制作和预处理的阴极板固定到处理硝态氮废水的阴极室中，流速均为0.4～0.8mL/min，于15～35℃下连续处理15天，通过电化学工作站在线监测微生物燃料电池的输出电压，每隔24h测定氨氮废水中氨氮和硝态氮废水中硝氮含量的变化，电池输出电压始终在1.583v～1.867v，氨氮废水的氨氮去除率始终为55.6%～64.7%，硝态氮废水的硝氮去除率始终为84.6%～92.3%。所涉及的恶臭假单胞菌来源于中国普通微生物菌种保藏管理中心。
权利要求书
1.一种微生物燃料电池三级连续式废水脱氮处理方法，其特征是，它包括以下步骤：
(1)碳纤维毡阳极极板的制备
a.碳纤维毡阳极极板的制作和预处理：取规格为长×宽16.0cm×16.0cm，厚度0.5～1.0cm方形碳纤维毡一块，另取规格为长×宽16.0cm×1.0cm，厚度为0.5 ～1.0cm条形碳纤维毡16块，用碳纤维丝线将所述的条形碳纤维毡各8块间距均为1cm、且对称的固定在所述方形碳纤维毡的两侧表面上组成碳纤维毡阳极极板，将所述的碳纤维毡阳极极板放入去离子水中沸煮30min，自然冷却制得的碳纤维毡阳极极板置于4℃冰箱保存备用;
b.恶臭假单胞菌培养液的制备：将保存在斜面上的菌株编号为CGMCC NO：1.1003的恶臭假单胞菌Pseudomonas putida，接种至50mL的种子培养基中，所述的种子培养基各组分用量分别为：KNO3 0.6 g/L;KH2PO4 1.0 g/L;MgSO4·7H2O 1.0 g/L;琥珀酸钠2.4 g/L;pH=7.0，在30℃，150rpm的摇床中培养2天，得到活化好的恶臭假单胞菌培养液，4℃冰箱保存备用;所述的恶臭假单胞菌Pseudomonas putida来源于中国普通微生物菌种保藏管理中心，编号1.1003;
c.恶臭假单胞菌的固定化：将9.0～11.0g的聚乙烯醇和0.5～0.7g海藻酸钠加入到80～120mL蒸馏水中，用沸水浴加热使之溶解，并用玻璃棒搅拌均匀，冷却至室温，再与1.0～1.3g活性炭粉末混合均匀，加入8～12mL的恶臭假单胞菌培养液的混合液均匀涂抹在碳纤维毡阳极极板上，然后将其放入由碳酸钠溶液调节pH值为6.5～7.0的含2wt%的氯化钙的饱和硼酸溶液中，在4℃冰箱中静置3小时，使其凝胶化，所得电极为碳纤维毡阳极极板，用蒸馏水冲洗8～10次，将固定化恶臭假单胞菌置于4℃冰箱中保存备用;
(2)碳纤维毡阴极极板的制备
取厚度为1.0cm，长×宽16.0cm×16.0cm的方形碳纤维毡一块放入去离子水中沸煮30min，自然冷却至室温，制得碳纤维毡阴极极板，置于4℃冰箱保存备用;
(3)氨氮废水的制备
氨氮废水为阳极液，其各组分用量分别为：(NH4)2SO4 0.30～0.40 g/L;KH2PO4 0.75 g/L;K2HPO4·3H2O 2.216 g/L;MgSO4·7H2O 0.025 g/L;柠檬酸三钠 1.81 g/L;pH 6.8～7.2;4℃冰箱保存备用;
(4)硝氮废水的制备
硝氮废水为阴极液，其各组分用量分别为：KH2PO4 1.0 g/L;MgSO4·7H2O 1.0 g/L;KNO3 0.3～4.51 mg/L;L-抗坏血酸 0.1～0.2 mg/L;pH 6.0～7.0;4℃冰箱保存备用;
(5)微生物燃料电池的搭建运行与对废水的连续处理
所述方法所使用的三级连续式废水处理微生物燃料电池装置的内部按阳极室、阴极室顺序交替设置三个阳极室和三个阴极室，在阳极室均置有碳纤维毡阳极极板，在阴极室置有碳纤维毡阴极极板，每一级极室的进出口位置为对角线布置，运行温度为15～35℃，上述的每个阳极室中氨氮废水与所述的固定化恶臭假单胞菌的体积比为1:0.6～1.0，将备用的阴、阳极液均为3L分别装于阴、阳极进水装置，启动两极室进水阀门，使硝氮废水与氨氮废水进入三级连续式废水处理微生物燃料电池装置的阴阳极室中，至出水口流出废水后，再调节进水阀门，控制废水进水流速为0.4～0.8mL/min;通过电化学工作站在线监测微生物燃料电池的输出电压，每隔24h监测氨氮废水中氨氮和硝氮废水中硝氮含量的变化。
2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池三级连续式废水脱氮处理方法所使用的装置，其特征是：包括半自动封闭式进水装置Ⅰ、三级连续式废水处理微生物燃料电池装置Ⅱ和半自动封闭式收水装置Ⅲ，所述的半自动封闭式进水装置Ⅰ具有进水口和出水口，在半自动封闭式进水装置Ⅰ内的底部设置热交换盘式弯管，在半自动封闭式进水装置Ⅰ内放置阳极液，在阳极液上方悬浮液体石蜡，浮漂置于悬浮液体石蜡的液面上，在浮漂上设有气垫，半自动封闭式进水装置Ⅰ的出水口通过管路上安装的第一阀门和流量计与三级连续式废水处理微生物燃料电池装置Ⅱ的进水口连接，三级连续式废水处理微生物燃料电池装置Ⅱ的出水口经管路上安装的第二阀门与所述的半自动封闭式收水装置Ⅲ的进水口连接;半自动封闭式进水装置Ⅰ的出水口高于三级连续式废水处理微生物燃料电池装置Ⅱ的出水口，三级连续式废水处理微生物燃料电池装置Ⅱ的出水口高于半自动封闭式收水装置Ⅲ的进水口;在半自动封闭式收水装置Ⅲ设有取样口。
说明书
微生物燃料电池三级连续式废水脱氮处理方法及装置
技术领域
本发明涉及微生物燃料电池领域，特别涉及一种集产电和对生活废水进行连续式脱氮为一体的微生物燃料电池。
背景技术
当今世界，减少污染物排放量和对化石燃料的依赖是可持续性发展力求达到的两个目标。微生物燃料电池技术为在废水处理和发电领域实现这两大目标提供了可能。
微生物燃料电池是一种特殊的燃料电池。它是利用微生物作为催化剂，直接将有机物的化学能转化为电能的装置。实验研究表明微生物燃料电池不仅可以利用乙酸盐等物质作为燃料持续稳定地产生电流，也可以利用各种废水及有机污染物为燃料。目前，而微生物燃料电池在处理废水方面的研究仍存在许多问题：(1)接种微生物为活性污泥，而活性污泥中的作用微生物的种类复杂，代谢途径、底物的降解机制以及电子传递的途径不明确;(2)阳极由碳材料构成，阳极表面富集的作用微生物少，而且其来源主要靠微生物自身的主动吸附作用，故废水处理微生物燃料电池的产电能力极低;(3)城市废水中的氮含量较高，而目前研制的废水处理微生物燃料电池只能降解废水中的COD，不能对废水进行脱氮处理;(4)目前研制的废水处理微生物燃料电池装置多为间歇式运行装置，对能够实现连续废水处理的微生物燃料电池装置研究极少等。
本发明搭建的微生物燃料电池利用具有脱氮性能的恶臭假单胞菌作为微生物催化剂，采用氨氮化合物为燃料，硝氮化合物为阴极氧化剂，实现对废水的连续脱氮处理和电能的储积，达到经济和环境双赢。本发明搭建的微生物燃料电池凭借着自身独特的特点和在废水处理方面的应用，为生活废水及有机废水的资源化提供了新思路，具有重大的实际意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有微生物燃料电池处理废水并产生电能的技术和装置中不足之处，提供一种微生物燃料电池三级连续式废水脱氮处理方法及装置，在保证良好废水脱氮性能的同时可对电能完成有效回收。
本发明的目的是由以下技术方案来实现的：一种微生物燃料电池三级连续式废水脱氮处理方法，其特征是，它包括以下步骤：
(1)新型阳极的制备
a.阳极板的制作和预处理：取规格为长×宽16.0×16.0cm，厚度0.5～1.0cm方 形碳纤维毡一块，另取规格为长×宽16.0cm×1.0cm，厚度为0.5～1.0cm条形碳纤维毡16块，用碳纤维丝线将所述的条形碳纤维毡各8块间距均为1cm、且对称的固定在所述方形碳纤维毡的两侧表面上组成碳纤维毡极板，将所述的碳纤维毡极板放入去离子水中沸煮30min，自然冷却制得的碳纤维毡阳极极板置于4℃冰箱保存备用;
b.恶臭假单胞菌培养液的制备：将保存在斜面上的菌株编号为CGMCC NO：1.1003的恶臭假单胞菌Pseudomonas putida，接种至50mL的种子培养基中，所述的种子培养基各组分用量分别为：KNO3 0.6g/L;KH2PO4 1.0g/L;MgSO4·7H2O 1.0g/L;琥珀酸钠2.4g/L;pH=7.0，在30℃，150rpm的摇床中培养2d，得到活化好的恶臭假单胞菌培养液，4℃冰箱保存备用;所述的恶臭假单胞菌Pseudomonas putida来源于中国普通微生物菌种保藏管理中心，编号1.1003;
c.恶臭假单胞菌的固定化：将9.0～11.0g的聚乙烯醇和0.5～0.7g海藻酸钠加入到80～120mL蒸馏水中，用沸水浴加热使之溶解，并用玻璃棒搅拌均匀，冷却至室温，再与1.0～1.3g活性炭粉末混合均匀，加入8～12mL的恶臭假单胞菌培养液的混合液均匀涂抹在碳纤维毡阳极极板上，然后将其放入由碳酸钠溶液调节pH值为6.5～7.0的含2wt%的氯化钙的饱和硼酸溶液中，在4℃冰箱中静置3小时，使其凝胶化，所得电极为新型阳极，用蒸馏水冲洗8～10次，并置于4℃冰箱中保存备用;
(2)阴极的制备
取厚度为1.0cm，长×宽16.0×16.0cm的方形碳纤维毡一块放入去离子水中沸煮30min，自然冷却至室温，制得碳纤维毡阴极极板，置于4℃冰箱保存备用;
(3)氨氮废水的制备
氨氮废水为阳极液，其各组分用量分别为：(NH4)2SO4 0.30～0.40g/L;KH2PO4 0.75g/L;K2HPO4·3H2O 2.216g/L;MgSO4·7H2O 0.025g/L;柠檬酸三三钠1.81g/L;pH 6.8～7.2;4℃冰箱保存备用;
(4)硝氮废水的制备
硝氮废水为阴极液，其各组分用量分别为：KH2PO4 1.0g/L;MgSO4·7H2O 1.0g/L;KNO3 0.3～4.51mg/L;L-抗坏血酸0.1～0.2mg/L;pH 6.0～7.0;4℃冰箱保存备用;
(5)微生物燃料电池的搭建运行与对废水的连续处理
三级连续式废水脱氮处理微生物燃料电池装置运行温度为15～35℃，将新型阳极和碳纤维毡阴极，分别置于对应的阳极室和阴极室中，上述的每个阳极室中氨氮废水与所述的固定化菌的体积比为1∶0.6～1.0，将备用的阴、阳极液均为3L分别 装于阴、阳极进水装置，启动两极室进水阀门，使硝氮废水与氨氮废水进入连续式处理装置的阴阳极室中，至出水口流出废水后，再调节进水阀门，控制废水进水流速为0.4～0.8mL/min;通过电化学工作站在线监测微生物燃料电池的输出电压，每隔24h监测氨氮废水中氨氮和硝氮废水中硝氮含量的变化。
微生物燃料电池三级连续式废水脱氮处理方法所使用的装置，其特征是：包括半自动封闭式进水装置I、三级连续式废水处理微生物燃料电池装置II和半自动封闭式收水装置III，半自动封闭式进水装置I具有进水口和出水口，在半自动封闭式进水装置I内的底部设置热交换盘式弯管，在半自动封闭式进水装置I内放置阳极液，在阳极液上方悬浮液体石蜡，浮漂置于悬浮液体石蜡的液面上，在浮漂上设有气垫，半自动封闭式进水装置I的出水口通过管路上安装的第一阀门和流量计与三级连续式废水处理微生物燃料电池装置II的进水口连接，三级连续式废水处理微生物燃料电池装置II的内部交替对应设置若干个阳极室和阴极室，在阳极室均置有新型阳极极板，在阴极室置有碳纤维毡阴极极板，每一级极室的进出口位置为对角线布置，三级连续式废水处理微生物燃料电池装置II的出水口经管路上安装的第二阀门与半自动封闭式收水装置III的进水口连接;半自动封闭式进水装置I的出水口高于三级连续式废水处理微生物燃料电池装置II的出水口，三级连续式废水处理微生物燃料电池装置II的出水口高于半自动封闭式收水装置III的进水口;在半自动封闭式收水装置III设有取样口。
本发明与现有技术相比存在显著的进步和积极的效果：
①首次利用恶臭假单胞菌为微生物催化剂搭建废水处理微生物燃料电池。
②本发明的三级连续式废水脱氮处理微生物燃料电池充分利用了恶臭假单胞菌的产电性能和异养硝化作用，达到废水脱氮处理的同时对电能有效回收。
③利用改良后的包埋技术将菌种固定到碳纤维毡阳极表面，制成新型阳极，明显缩短电池的启动时间。
④本发明在进水装置阳极室的底部安装盘式热交换管，可对电厂等排放的冷却水进行二次利用，为冬季时低温下的恶臭假单胞菌生长提供适宜的温度环境。
⑤本发明的三级连续式废水脱氮处理微生物燃料电池装置的主体结构运用板式过滤槽原理，使废水在装置中流经路程最长，处理时间最大，处理效果最好。
⑥本发明的进水装置与收水装置采用半封闭系统设计原理，对水位进行合理控制。