零价铁强化降解典型含氮杂环化合物的微生物燃料电池的方法技术

本发明专利技术公开一种利用零价铁强化厌氧‑MFC耦合降解典型含氮杂环化合物喹啉与吲哚的方法。该微生物燃料电池包括阳极、阴极、质子膜。微生物燃料电池的阳极和阴极都以碳刷纤维作为电极，阳极碳刷上分别接种了可降解含氮杂环化合物喹啉与吲哚的并有电化学活性的微生物，阴极采用铁氰化钾作为电子受体，阴阳室用质子交换膜隔开。含氮杂环化合物的溶液先在驯化好的厌氧瓶里反应24h，取厌氧瓶里的上清液作为微生物的碳源，随着阳极有机物的不断氧化和阴极反应的持续进行，外电路可以通过导线与两极碳刷相连接构成回路。此发明专利技术利用廉价的零价铁强化降解典型含氮杂环化合物的微生物燃料电池，加快典型含氮杂环化合物的降解，回收更多电能，降低工艺的能耗成本。

【技术实现步骤摘要】
零价铁强化降解典型含氮杂环化合物的微生物燃料电池的方法
本专利技术涉及一种使用零价铁强化厌氧-MFC耦合降解典型含氮杂环化合物的方法。
技术介绍
含氮杂环化合物是难降解物质的一种重要类别，它不仅毒性大、难降解，而且分布广，越来越受到了人们的关注。喹啉和吲哚是两种典型的含氮杂环化合物，是有机合成产业的重要物质，广泛存在于焦化废水、染料废水、医药废水等工业废水中，也存在于地下水和土壤中，对环境和生物造成了严重危害。由于结构含有一个苯环和一个含氮杂环，它们很难被传统的好氧工艺去除，常见的处理方式主要是利用厌氧或者缺氧的反硝化过程去除，但厌氧方式增加了处理的难度和成本。随着污染情况越来越严峻，寻求高效的降解含氮杂环化合物的方法越来也急迫。微生物燃料电池(MicrobialFuelCell，MFC)是在节能环保的时代要求下发展的新型的、绿色的可以将化学能转化为电能的装置。MFC将传统燃料电池与微生物相结合，随着阳极有机物的不断氧化和阴极反应的持续进行，形成连续电流。利用MFC技术降解有机物不仅可以实现废水中有机物的处理，还能回收电能，有很大的应用潜能。零价铁（Zerovalentiron，ZVI）作为一种绿色、廉价、可靠和具有中等强度还原性的还原剂，在废水处理、地下水修复和土壤修复等领域广泛应用。将ZVI投加到厌氧微生物体系中，在厌氧条件下，ZVI可以与H2O发生腐蚀生成OH-，OH-可以为协同体系维持稳定的pH环境，还可以为厌氧微生物提供电子。因此如能将零价铁应用于微生物燃料电池，有望提供一种更为高效的降解喹啉与吲哚的新方法。
技术实现思路
为了加快促进典型含氮杂环化合物的降解，回收更多的电能，本专利技术将ZVI投加到微生物燃料电池里应用于典型含氮杂环化合物的降解。零价铁强化降解典型含氮杂环化合物的微生物燃料电池的方法，微生物燃料电池的阳极液是按照以下步骤配制而成的：（1）向已经驯化好的厌氧反应器里加入新鲜营养液，使反应器里的厌氧污泥营养液混合后所得混合液的成分如下：11.55g/LNa2HPO4·12H2O、2.77g/LNaH2PO4·2H2O、0.31g/LNH4Cl、0.13g/LKCl、10mL/LWolf微量元素液、10mL/LWolf矿物质元素液和一定浓度的典型含氮杂环化合物溶液，再按最佳投加浓度投加处理好的零价铁后进行厌氧强化反应；（2）在厌氧反应器里反应最佳强化时间后，将该厌氧反应器里的上清液加入到已成功启动并驯化好的降解典型含氮杂环化合物的微生物燃料电池的阳极室，在阴极室加入阴极液；微生物燃料电池开始运行，典型含氮杂环化合物开始降解。微生物燃料电池的启动方法是：阳极室按污泥与营养液体积比1:10的比例接种取自某焦化厂的厌氧污泥，混合溶液成分为：11.55g/LNa2HPO4·12H2O、2.77g/LNaH2PO4·2H2O、0.31g/LNH4Cl、0.51g/LCH3COONa、0.13g/LKCl、10mL/LWolf微量元素液、10mL/LWolf矿物质元素液，设定典型含氮杂环化合物初始浓度为50mg/L，然后进行污泥驯化，周期为六天；前几个驯化周期，微生物燃料电池反应器里每个周期只更换阳极室上清液，并接种与初始时同样多的污泥，直至最大电压稳定不再增大；停止添加污泥后，微生物燃料电池在每个周期更换阴极液和阳极液，其他条件不变；多个周期后，电流值和降解率到达稳定，则说明功能微生物已在碳刷表面形成稳定生物膜，启动成功。微生物燃料电池启动成功后，典型含氮杂环化合物浓度分别以20mg/L的浓度梯度逐渐增大，周期为六天，每个周期反应后测量降解率，若降解率较低，没有达到95%，则保持当前典型含氮杂环化合物的浓度继续培养，若降解率达到或超过95%，则增大典型含氮杂环化合物的浓度继续培养，保持其他条件不变；培养多个周期，乙酸钠的量逐步减少至零，当典型含氮杂环化合物浓度都达到250mg∙L-1，乙酸钠的量为零，降解率大于95%，则成功得到驯化好的微生物燃料电池。零价铁的预处理方法是称取一定的还原铁粉，先用质量百分比浓度为1%的NaOH浸泡24h，再用2mol/L的HCl清洗，然后依次用蒸馏水和丙酮清洗，最后用氮气吹干后得到实验所用零价铁。降解含氮杂环化合物的厌氧反应器的驯化方法是在厌氧反应器内接种与步骤（1）中相同的厌氧污泥，厌氧污泥和营养液按体积比1:10加入，混合后的厌氧反应器里的成分为：0.31g/LNH4Cl、0.13g/LKCl、10mL/LWolf微量元素液、11.55g/LNa2HPO4·12H2O、2.77g/LNaH2PO4·2H2O、10mL/LWolf矿物质元素液，50mg/L的典型含氮杂环化合物，然后放入恒温震荡箱中进行污泥活性培养，周期为六天；从第二周期开始，将厌氧反应器内上清液倒出，底部污泥留下，测定本周期的降解率，若降解率较小，降解率小于95%，则保持当前典型含氮杂环化合物的浓度继续厌氧培养驯化，若降解较大，则按20mg∙L-1的浓度梯度逐步增大典型含氮杂环化合物的浓度继续培养；培养多个周期后，典型含氮杂环化合物的浓度达到250mg/L，且降解率大于95%，则成功得到驯化好的厌氧反应器。最优零价铁投加浓度的确定方法是：准备成功驯化好的厌氧反应器5个，反应器成分为：0.31g/LNH4Cl、0.13g/LKCl、10mL/LWolf微量元素液、11.55g/LNa2HPO4·12H2O、2.77g/LNaH2PO4·2H2O、10mL/LWolf矿物质元素液，250mg/L的典型含氮杂环化合物，分别按0、2、4、6、8g/L的浓度向厌氧反应器里投加零价铁后，进行零价铁强化反应；每隔12h测定典型含氮杂环化合物的降解率，重复多次测定取平均值，根据降解情况，选择最优零价铁投加浓度。零价铁最佳强化时间的确定方法是：准备成功驯化好的厌氧反应器3个，反应器成分为：0.31g/LNH4Cl、0.13g/LKCl、10mL/LWolf微量元素液、11.55g/LNa2HPO4·12H2O、2.77g/LNaH2PO4·2H2O、10mL/LWolf矿物质元素液，250mg/L的典型含氮杂环化合物，按最优佳零价铁投加浓度向3个厌氧反应瓶里添加零价铁，分别厌氧强化反应12、24、36h后，取上清液分别加入到微生物燃料电池里的阳极室进行反应，一个周期，即六天后，测定不同强化时间下的典型含氮杂环化合物降解率，重复多次测定取平均值，根据降解情况，选择出最佳零价铁强化时间。微生物燃料电池由阳极、阴极、质子交换膜三部分组成，阴阳极容积分别为28mL，采用有机玻璃制成；在阴阳两极中分别插入碳刷纤维作为电极，电极长3cm，阴阳室用质子交换膜隔开，外电路通过导线与插入阴阳两极内的碳刷相连接构成回路。阴极液的成分为：11.55g/LNa2HPO4·12H2O、2.77g/LNaH2PO4·2H2O、16.462g/LK3[Fe(CN)6]。所述典型含氮杂环化合物可以是喹啉或吲哚。为了验证本专利技术零价铁可以强化厌氧-MFC耦合降解典型含氮杂环化合物的降解效果，实验设置了三组对照，分别为下述的第一、三、四组（本申请所述方案作为第二组），其中第一组为闭路微生物反应器，阳极液为没有经零价铁厌氧强化的喹啉或吲哚溶液；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.零价铁强化降解典型含氮杂环化合物的微生物燃料电池的方法，其特征在于，微生物燃料电池的阳极液是按照以下步骤配制而成的：（1）向已经驯化好的厌氧反应器里加入新鲜营养液，使反应器里的厌氧污泥和营养液混合后所得混合液的成分如下：11.55g/LNa2HPO4·12H2O、2.77 g/L NaH2PO4·2H2O、0.31g/L NH4Cl、0.13g/L KCl、10mL/L Wolf 微量元素液、10mL/L Wolf 矿物质元素液和一定浓度的典型含氮杂环化合物溶液，再按最佳投加浓度投加处理好的零价铁后进行厌氧强化反应；（2）在厌氧反应器里反应最佳强化时间后，将该厌氧反应器里的上清液加入到已成功启动并驯化好的降解典型含氮杂环化合物的微生物燃料电池的阳极室，在阴极室加入阴极液；微生物燃料电池开始运行，典型含氮杂环化合物开始降解。

【技术特征摘要】
1.零价铁强化降解典型含氮杂环化合物的微生物燃料电池的方法，其特征在于，微生物燃料电池的阳极液是按照以下步骤配制而成的：（1）向已经驯化好的厌氧反应器里加入新鲜营养液，使反应器里的厌氧污泥和营养液混合后所得混合液的成分如下：11.55g/LNa2HPO4·12H2O、2.77g/LNaH2PO4·2H2O、0.31g/LNH4Cl、0.13g/LKCl、10mL/LWolf微量元素液、10mL/LWolf矿物质元素液和一定浓度的典型含氮杂环化合物溶液，再按最佳投加浓度投加处理好的零价铁后进行厌氧强化反应；（2）在厌氧反应器里反应最佳强化时间后，将该厌氧反应器里的上清液加入到已成功启动并驯化好的降解典型含氮杂环化合物的微生物燃料电池的阳极室，在阴极室加入阴极液；微生物燃料电池开始运行，典型含氮杂环化合物开始降解。2.如权利要求1所述的零价铁强化降解典型含氮杂环化合物的微生物燃料电池的方法，其特征在于，微生物燃料电池的启动方法是：阳极室按污泥与营养液体积比1:10的比例接种取自某焦化厂的厌氧污泥，混合溶液成分为：11.55g/LNa2HPO4·12H2O、2.77g/LNaH2PO4·2H2O、0.31g/LNH4Cl、0.51g/LCH3COONa、0.13g/LKCl、10mL/LWolf微量元素液、10mL/LWolf矿物质元素液，设定典型含氮杂环化合物初始浓度为50mg/L，然后进行污泥驯化，周期为六天；前几个驯化周期，微生物燃料电池反应器里每个周期只更换阳极室上清液，并接种与初始时同样多的污泥，直至最大电压稳定不再增大；停止添加污泥后，微生物燃料电池在每个周期更换阴极液和阳极液，其他条件不变；多个周期后，电流值和降解率到达稳定，则说明功能微生物已在碳刷表面形成稳定生物膜，启动成功。3.如权利要求2所述的零价铁强化降解典型含氮杂环化合物的微生物燃料电池的方法，其特征在于，微生物燃料电池启动成功后，典型含氮杂环化合物浓度分别以20mg/L的浓度梯度逐渐增大，周期为六天，每个周期反应后测量降解率，若降解率较低，没有达到95%，则保持当前典型含氮杂环化合物的浓度继续培养，若降解率达到或超过95%，则增大典型含氮杂环化合物的浓度继续培养，保持其他条件不变；培养多个周期，乙酸钠的量逐步减少至零，当典型含氮杂环化合物浓度都达到250mg·L-1，乙酸钠的量为零，降解率大于95%，则成功得到驯化好的微生物燃料电池。4.如权利要求1所述的零价铁强化降解典型含氮杂环化合物的微生物燃料电池的方法，其特征在于，零价铁的预处理方法是称取一定的还原铁粉，先用质量百分比浓度为1%的NaOH浸泡24h，再用2mol/L的HCl清洗，然后依次用蒸馏水和丙酮清洗，最后用氮气吹干后得到实验所用零价铁。5.如权利要求1所述的零价铁强化降解典型含氮杂环化合物的微生物燃料电池的方法，其特征在于，降解典型含氮杂环化合物的厌氧反应器的驯化方法是在厌氧反应器内接种与步骤（1）中相同的厌氧污泥，厌氧污泥和营养液按体积比1:10加入，混合后的厌氧反应器里的成分为：0.31...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪素芳，赵晓婵，岳秀萍，周爱娟，郑杰蓉，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14