一种同时处理高浓度淀粉废水和无碳源含硝酸盐废水的光微生物燃料电池及其应用制造技术

本发明专利技术属微生物燃料电池处理废水技术领域，为克服利用传统生物方法处理低碳源的含氮废水需额外补碳源，增加成本且不能回收能量，单独处理高浓度淀粉废水效率低等不足，提供一种同时处理高浓度淀粉废水和无碳源含氮废水的微生物燃料电池及其应用，阴极室固定于阳极室内壁，阴极进水口和出水口分别设置于两个圆形有机玻璃上，通过管道与阳极室外连通；阳极进水口与阴极进水口、阳极出水口与阴极出水口同向设置；阳极室内放附着混合光合菌群的阳极碳毡，阴极室内放附着硝化菌的阴极碳刷，阳极和阴极由外接电阻连接成完整电路。淀粉废水COD去除率80~90%，硝态氮的去除率大于95%，实现了同时处理高浓度淀粉废水和无碳源硝酸盐废水。

A Photomicrobial Fuel Cell for Simultaneous Treatment of High Concentration Starch Wastewater and Carbon-free Nitrate-containing Wastewater and Its Application

The invention belongs to the technical field of wastewater treatment by microbial fuel cell. In order to overcome the shortcomings of using traditional biological methods to treat nitrogen-containing wastewater with low carbon sources, such as additional carbon sources, increasing cost and energy recovery, and low efficiency of treating high concentration starch wastewater alone, a microbial fuel cell and its application, cathode, are provided for simultaneously treating high concentration starch wastewater and carbon-free nitrogen-containing wastewater. The chamber is fixed on the inner wall of the anode chamber, and the cathode inlet and outlet are respectively arranged on two circular plexiglass, which are connected with the anode outdoor through pipes; the anode inlet and the cathode inlet, the anode outlet and the cathode outlet are set in the same direction; the anode felt with mixed photosynthetic bacteria is placed in the anode chamber, and the cathode carbon brush with nitrifying bacteria is placed in the cathode chamber, and the anode and cathode are set out from the outside. Connect resistance to complete circuit. The COD removal rate of starch wastewater is 80-90%, and the nitrate removal rate is more than 95%. The simultaneous treatment of high concentration starch wastewater and carbon-free nitrate wastewater is realized.

【技术实现步骤摘要】
一种同时处理高浓度淀粉废水和无碳源含硝酸盐废水的光微生物燃料电池及其应用
本专利技术属于微生物燃料电池处理废水
，具体涉及一种同时处理高浓度淀粉废水和无碳源含氮废水的微生物燃料电池及其应用。
技术介绍
随着社会的发展和经济的进步，全球工业化水平越来越高，随之带来的环境问题也日益严重，例如在水污染方面，含氮废水的污染尤其突出，传统污水处理方法处理此类污水需要额外添加碳源，增加处理成本。因此，寻求一种效率高、运行费用低、能在低碳氮比条件下去除硝酸盐的污水处理技术很重要。微生物燃料电池(microbialfuelcell，MFC)是一种新型生物反应器，它是一种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清洁无污染的优点之外，还具有燃料来源广泛、反应条件温和的特点。采用生物电极的双室MFC中，阳极室可以利用有机废水作为电子供体，然后通过外电路到达阴极，将阴极室中的硝酸根离子还原成氮气达到脱氮的目的。光微生物燃料电池可以利用光来促进有机物的厌氧微生物氧化产生电流。这种类型的燃料电池中使用的主要代谢途径是光发酵。此外，利用光合细菌的一个很好的优点是可以光合产氢，进一步实现能量的回收。在淀粉加工过程中，会产生大量高浓度有机废水，这些废水中主要成分是淀粉，还包含一些悬浮物及胶体蛋白，废水COD高，通常为1000~30000mg/L,不仅排放量大，而且多为间歇性排放，季节性强。如将废水直接排放，不仅对环境造成严重危害，也造成水资源的浪费，因此可以将淀粉废水作为微生物燃料电池的阳极，利用光合菌将其降解并为阴极提供电子。对于含硝酸盐的废水处理，通常采用传统生物反硝化脱氮技术，该技术需要在厌氧并有充足碳源的条件下才能实现。近年来的好氧反硝化技术，克服了传统反硝化的缺点。该技术具有不需外加碱调节pH、适应能力强、硝化和反硝化可在同一反应器内同时完成等优点。但是在脱氮过程中，仍存在一些不足，其脱氮效果往往受碳源浓度的影响，使最佳C/N比的比值一般都偏高，大多数好氧反硝化菌处理废水的最佳C/N比范围在8~20。但实际上，我国工业废水、生活污水和地下水中的有机物浓度和氮浓度是不同的，尤其地下水中往往存在碳源不充足的问题，因此不同废水中的C/N比相差较大。利用异养硝化-好氧反硝化脱氮技术在处理低C/N比废水时，仍会面临溶液中碳源不足的现象。因此为了满足实际各种废水的处理需求，寻找一个新型、节能以及可持续化的污废水技术迫在眉睫。
技术实现思路
本专利技术为了克服单独利用生物方法处理低碳源的含氮废水需要额外补充大量碳源，增加成本且不能回收其中能量，而单独利用厌氧生物法处理高浓度淀粉废水效率低等不足，提供了一种同时处理高浓度淀粉废水和无碳源含氮废水的微生物燃料电池及其应用，该微生物燃料电池利用混合细菌去除淀粉废水和污水脱去硝态氮的电子互补性，以阳极的淀粉为电子供体，阴极的硝酸盐为电子受体，弥补了传统污水处理方法单独脱氮（或处理高浓度淀粉废水）缺少电子供体（或电子受体）的不足，实现了同时处理高浓度淀粉废水和低碳氮比甚至无碳源的含氮废水，并回收能量的效果。本专利技术由如下技术方案实现的：一种同时处理高浓度淀粉废水和无碳源含氮废水的微生物燃料电池，包括分别设置有进出水口的阳极室和阴极室，所述阳极室为有机玻璃的圆柱体，阳极室两侧为圆形；阳极室内壁上内切固定阴极室，阴极室壁为阳离子交换膜折弯形成的密封筒体，阳离子交换膜的两侧固定于阳极室两侧的圆形有机玻璃上；阳离子交换膜外侧设置附着有混合光合菌群的阳极碳毡，阳离子交换膜内侧安装阴极碳刷，阳极碳毡和阴极碳刷由外接电阻连接成完整电路；所述阳极进水口设置于阳极室一侧上端，阳极出水口设置于阳极室另一侧圆形玻璃下端，阴极进水口与阳极进水口同向设置于阳极室一侧的圆形有机玻璃上部，阴极出水口与阳极出水口同向设置于阳极室另一侧的圆形有机玻璃下部。所述阳极室与阴极室长度相同，阳极室与阴极室内切处固定连接。利用所述的同时处理高浓度淀粉废水和无碳源含氮废水的微生物燃料电池处理废水的方法，具体步骤如下：（1）阳极碳毡接种混合光合菌群，阴极碳刷接种硝化细菌，使得混合光合菌群和硝化细菌分别附着在阳极室电极材料表面和阴极室电极材料表面，形成生物膜；（2）构建微生物燃料电池并通过导线与外电阻连接，形成闭合回路；阳极室通入高浓度淀粉废水，阴极室通入无碳源含氮废水；（3）阳极室混合光合菌群在自然光照下通过暗发酵、光发酵和微生物自身代谢将淀粉降解，淀粉被利用的过程中产生的电子通过外电路传递给阴极作为电子供体，阴极室内微生物利用外电路传递过来的电子将硝氮转化成氮气并排放，阳极室和阴极室分别排出的上清液即为去除淀粉有机物和无碳源废水中氮污染物的处理水，电子由阳极传递到阴极的过程中产生电流，回收电能。所述混合光合菌群为：红假单胞菌属Rhodopseudomonas39.54%；Dysgonomonas属23.83%；变形杆菌属Proteus16.26%；枸橼酸杆菌属Citrobacter2.14%；沙门氏菌Salmonella1.49%；其他菌种16.74%；阳极混合光合菌群的COD值为10000~15000mg/L；所述阴极室硝化菌为异养硝化细菌。所述混合光合菌群的培养方法为：以250ml的锥形瓶为培养容器，接种20%处于对数生长期OD值为1.6的污水二沉池活性污泥样品液，然后用橡胶塞密封；以100W的白炽灯做光源，在4500lux的光照条件，室温和120r/min下进行厌氧光照培养,培养4至5天为一个周期，培养3个周期后备用；其中：阳极室采用的培养基为高浓度淀粉废水培养液，配方为：淀粉12.6g/L,NH4Cl0.32g/L，MgSO40.2g/l,NaCl1g/l,K2HPO40.5g/L,酵母膏0.2g/L,复合维生素B溶液1mL/L，微量元素溶液1mL/L；微量元素溶液g/L：MnSO4•4H2O2.1，H3BO32.8，ZnSO4•7H2O0.248，FeSO4•7H2O1.8，(NH4)6Mo7O24•4H2O8.0；复合维生素B溶液g/L：维生素B16.0，维生素B23.0，维生素B320.0，维生素B60.4；阴极室采用的培养基为无碳源的硝酸盐废水培养液，配方为：NaNO30.608g/L,MgSO4·7H2O0.05g/L,K2HPO40.2g/L,NaCl0.12g/L,MnSO4·4H2O0.01g/L,FeSO40.01g/L，CuSO40.16g/L，其中硝态氮为100mg/L；具体培养方法为：将含有120mL培养基和碳刷的锥形瓶通过高压蒸汽灭菌锅在1.05kg/cm2、121℃条件下灭菌20min后，分别以1%的比例中接入处于对数生长期的异养硝化细菌菌液，在30℃，120r/min条件下培养，4至5天为一个周期，培养3个周期后备用。所述外电阻为500欧姆。本专利技术阳极室所述混合光合菌群由太原市污水厂二沉池的活性污泥中分离纯化得到，具体分离纯化所用培养基为（g/L）：MgCl2•6H2O0.2g，CH3COONa•3H2O3.0g，NH4Cl0.5g，Na2HPO4•12H2O0.5g，NaCl2.0g，蛋白胨1.0g，酵母膏0.2g，微量元素溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同时处理高浓度淀粉废水和无碳源含氮废水的微生物燃料电池，包括分别设置有进出水口的阳极室（1）和阴极室（2），其特征在于：所述阳极室（1）为有机玻璃的圆柱体，阳极室两侧为圆形；阳极室（1）内壁上内切固定阴极室（2），阴极室（2）壁为阳离子交换膜（3）折弯形成的密封筒体，阳离子交换膜（3）的两侧固定于阳极室两侧的圆形有机玻璃上；阳离子交换膜（3）外侧设置附着有混合光合菌群的阳极碳毡（4），阳离子交换膜（3）内侧安装阴极碳刷（5），阳极碳毡（4）和阴极碳刷（5）由外接电阻（6）连接成完整电路；所述阳极进水口（7）设置于阳极室一侧上端，阳极出水口（8）设置于阳极室另一侧圆形玻璃下端，阴极进水口（9）与阳极进水口（7）同向设置于阳极室一侧的圆形有机玻璃上部，阴极出水口（10）与阳极出水口（8）同向设置于阳极室另一侧的圆形有机玻璃下部。

【技术特征摘要】
1.一种同时处理高浓度淀粉废水和无碳源含氮废水的微生物燃料电池，包括分别设置有进出水口的阳极室（1）和阴极室（2），其特征在于：所述阳极室（1）为有机玻璃的圆柱体，阳极室两侧为圆形；阳极室（1）内壁上内切固定阴极室（2），阴极室（2）壁为阳离子交换膜（3）折弯形成的密封筒体，阳离子交换膜（3）的两侧固定于阳极室两侧的圆形有机玻璃上；阳离子交换膜（3）外侧设置附着有混合光合菌群的阳极碳毡（4），阳离子交换膜（3）内侧安装阴极碳刷（5），阳极碳毡（4）和阴极碳刷（5）由外接电阻（6）连接成完整电路；所述阳极进水口（7）设置于阳极室一侧上端，阳极出水口（8）设置于阳极室另一侧圆形玻璃下端，阴极进水口（9）与阳极进水口（7）同向设置于阳极室一侧的圆形有机玻璃上部，阴极出水口（10）与阳极出水口（8）同向设置于阳极室另一侧的圆形有机玻璃下部。2.根据权利要求1所述的一种同时处理高浓度淀粉废水和无碳源含氮废水的微生物燃料电池，其特征在于：所述阳极室与阴极室长度相同，阳极室与阴极室内切处固定连接。3.利用权利要求1或2所述的同时处理高浓度淀粉废水和无碳源含氮废水的微生物燃料电池处理废水的方法，其特征在于：具体步骤如下：（1）阳极碳毡接种混合光合菌群，阴极碳刷接种硝化细菌，使得混合光合菌群和硝化细菌分别附着在阳极室电极材料表面和阴极室电极材料表面，形成生物膜；（2）构建微生物燃料电池并通过导线与外电阻连接，形成闭合回路；阳极室通入高浓度淀粉废水，阴极室通入无碳源含氮废水；（3）阳极室混合光合菌群在自然光照下通过暗发酵、光发酵和微生物自身代谢将淀粉降解，淀粉被利用的过程中产生的电子通过外电路传递给阴极作为电子供体，阴极室内微生物利用外电路传递过来的电子将硝氮转化成氮气并排放，阳极室和阴极室分别排出的上清液即为去除淀粉有机物和无碳源废水中氮污染物的处理水，电子由阳极传递到阴极的过程中产生电流，回收电能。4.根据权利要求3所述的利用同时处理高浓度淀粉废水和无碳源含氮废水的微生物燃料电池处理废水的方法，其特征在于：所述混合光合菌群为：红假单胞菌属Rhodopseudomonas39.54%；Dysgonomonas属23...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘玉香，梁涛，李风雷，任瑞鹏，李亚青，吕永康，任玉莹，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14