一种同步实现废水处理、CO2固定和微生物蛋白原位合成的微生物电化学系统装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种同步实现废水处理、CO2固定和微生物蛋白原位合成的微生物电化学系统装置及方法，装置包括阳极腔室、阴极腔室、产蛋白腔室、电源、混合气气罐、蠕动泵；所述阳极腔室、阴极腔室和产蛋白腔室从左到右依次设置；所述阳极腔室和阴极腔室之间为阳离子交换膜；所述阴极腔室和产蛋白腔室之间也为阳离子交换膜；所述阳极腔室内设有阳极，该阳极通过导线和电源的正极连接，且在连接阳极和电源正极的导线上设有电阻。本发明专利技术将微生物化学系统和产蛋白体系耦合形成“氨氮回收

【技术实现步骤摘要】
一种同步实现废水处理、CO2固定和微生物蛋白原位合成的微生物电化学系统装置及方法


[0001]本专利技术涉及一种微生物蛋白合成
更具体地，涉及一种同步实现废水处理、CO2固定和微生物蛋白原位合成的微生物电化学系统装置及方法。

技术介绍

[0002]1900年，Haber
‑
Bosch工艺的出现使得工业氮肥迅速增加，也让农作物产量达到了历史性增长。氮肥改变了氮循环，有30％的氮是由于人类活动产生(主要是氮肥的生产和利用)，并且这个数据预计还会升高。由此带来的环境问题有很多，例如：将废水排放到自然环境中会导致富营养化和生态系统恶化。
[0003]据报道，2050年世界人口预计增长到100亿，粮食需求将增加30％
‑
60％。世界人口的快速增长使得蛋白质的需求量增大，而传统的蛋白质循环中，畜牧业和农业生产的过程中蛋白质流失量高达72％；牧场养殖过程中蛋白质流失量高达82％。最新研究预测，自然界中氮循环效率仅为16％。传统的蛋白质生产方式需要大量占用耕地，并对环境产生不良影响，如温室气体排放、水污染和土壤侵蚀等。据报道，仅农业就占全球温室气体排放量的10％
‑
12％。因此，需要寻求一种新的蛋白质供应方式，减少活性氮的损失，提高蛋白质的供应量。
[0004]温室效应已成为人类活动可持续发展的限制因素之一，温室效应导致全球变暖，甚至造成生态平衡紊乱。而二氧化碳是重要的温室气体之一，因此，CO2问题亟待解决，需要找到一种固定二氧化碳的解决方法。
[0005]微生物蛋白也可称为生物蛋白、单细胞蛋白，它可以由藻类、酵母、细菌和真菌产生，是一种高附加值的产品，它可作为动物饲料中的蛋白质补充剂。通过氢氧化细菌从高氨氮废水中生产微生物蛋白的优点包括：1)降低废水处理运行成本；2)微生物蛋白生产对土地的依赖性较低，减轻了对耕地的压力；3)具有CO2固定能力，从而减少温室效应。
[0006]在世界人口增长、粮食危机逐渐增加的情况下，将废物回收利用为高价值产品的研究越来越多，例如含氮废水以及各种相关微生物生产微生物蛋白的研究。今年，不少国内外学者致力于研究通过电化学系统回收氨氮后生产微生物蛋白，解决传统蛋白质生产供应不足的问题。
[0007]目前，许多研究者采用电化学回收氨氮产生微生物蛋白的方法，只是将回收的氨氮异位转移至另一个反应器中进行产蛋白。在转移过程中，会产生损耗和损失。且产蛋白也需要将回收的氨氮进行稀释，使得氨氮浓度适宜产蛋白微生物的生产。这些过程都极大增加了损失和能耗。
[0008]综上所述，需要提供一种全新的微生物蛋白合成的方法，能同步进行废水处理，将二氧化碳固定，原位地将体系中的活性氮转化为高蛋白产品，并且能够减少损失和能耗。

技术实现思路

[0009]本专利技术要解决的第一个技术问题是提供一种同步实现废水处理、CO2固定和微生物蛋白原位合成的微生物电化学系统装置。
[0010]本专利技术要解决的第二个技术问题是提供一种利用上述微生物电化学系统装置同步实现废水处理、CO2固定和微生物蛋白原位合成的方法。
[0011]本专利技术将微生物化学系统和产蛋白体系耦合形成“氨氮回收
‑
原位合成蛋白”微生物电化学系统，该系统能够原位将活性氮转化为高附加值蛋白产品；该系统能够同步处理废水、回收氨氮，固定二氧化碳，具有极佳的环境效益。
[0012]为解决上述第一个技术问题，专利技术采用如下的技术方案：
[0013]一种同步实现废水处理、CO2固定和微生物蛋白原位合成的微生物电化学系统装置，包括阳极腔室、阴极腔室、产蛋白腔室、电源、混合气气罐、蠕动泵；
[0014]所述阳极腔室、阴极腔室和产蛋白腔室从左到右依次设置；
[0015]所述阳极腔室和阴极腔室之间为阳离子交换膜；
[0016]所述阴极腔室和产蛋白腔室之间也为阳离子交换膜；
[0017]所述阳极腔室内设有阳极，该阳极通过导线和电源的正极连接，且在连接阳极和电源正极的导线上设有电阻；
[0018]所述阴极腔室内设有阴极，该阴极通过导线和电源的负极连接；
[0019]所述产蛋白腔室通过一进气管和出气管与混合气气罐连接相通，形成一循环回路，所述蠕动泵设置在进气管上。
[0020]优选地，所述阳极腔室通过管道外通第一储存气袋，所述阴极腔室通过管道外通第二储存气袋。
[0021]优选地，所述阳极腔室和阴极腔室均通过管道直接连通混合气气罐。
[0022]优选地，所述阳极的材料为碳刷；所述阴极的材料为石墨板。
[0023]为解决上述第二个技术问题，专利技术采用如下的技术方案：
[0024]一种利用微生物电化学系统装置同步实现废水处理、CO2固定和微生物蛋白原位合成的方法，包括如下步骤：
[0025]S1、制作微生物电化学系统所需的阳极碳刷、阴极电极，并进行预处理；
[0026]S2、向阳极腔室内接种厌氧污泥，加入营养液，并通入氮气维持严格厌氧环境；阴极腔室内加入铁氰化钾溶液；对厌氧污泥进行培养与驯化，使得阳极上富集产电微生物；
[0027]S3、在阳极腔室内产电微生物培养和驯化完成后，将阴极腔室内的铁氰化钾溶液替换为磷酸盐缓冲溶液；同时向产蛋白腔室内加入产蛋白培养基，形成三室微生物电化学系统；
[0028]S4、在不同的温度下，电源施加不同电压，将驯化的产蛋白微生物接种至产蛋白腔室内并通入包含二氧化碳、氢气和氧气的混合气，进行产蛋白培养，得到“氨氮回收
‑
原位合成蛋白”微生物电化学系统；
[0029]S5、将产蛋白腔室内的培养产物进行处理，得到微生物蛋白。
[0030]作为技术方案的进一步改进，步骤S1中，所述预处理包括如下步骤：
[0031]S1
‑
1、将碳纤维丝和直径为0.8
‑
1.2mm的钛丝加工成碳刷；
[0032]S1
‑
2、将碳刷用0.9
‑
1.1mol
·
L
‑1的NaOH溶液浸泡5
‑
7h，去除杂质离子；
[0033]S1
‑
3、用0.9
‑
1.1mol
·
L
‑1HCL浸泡5
‑
7h，用去离子水超声清洗至中性；
[0034]S1
‑
4、用去离子水煮2.5
‑
3.5h，每隔25
‑
35min更换一次水；
[0035]S1
‑
5、用马弗炉加热处理，得到实验所需碳刷；
[0036]S1
‑
6、将石墨板切割成4cm*4cm*0.5cm的方块；
[0037]S1
‑
7、用0.9
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1.1mol
·
L
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1的NaOH溶液浸泡4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种同步实现废水处理、CO2固定和微生物蛋白原位合成的微生物电化学系统装置，其特征在于：包括阳极腔室、阴极腔室、产蛋白腔室、电源、混合气气罐、蠕动泵；所述阳极腔室、阴极腔室和产蛋白腔室从左到右依次设置；所述阳极腔室和阴极腔室之间为阳离子交换膜；所述阴极腔室和产蛋白腔室之间也为阳离子交换膜；所述阳极腔室内设有阳极，该阳极通过导线和电源的正极连接，且在连接阳极和电源正极的导线上设有电阻；所述阴极腔室内设有阴极，该阴极通过导线和电源的负极连接；所述产蛋白腔室通过一进气管和出气管与混合气气罐连接相通，形成一循环回路，所述蠕动泵设置在进气管上。2.根据权利要求1所述的微生物电化学系统装置，其特征在于：所述阳极腔室通过管道外通第一储存气袋，所述阴极腔室通过管道外通第二储存气袋。3.根据权利要求1所述的微生物电化学系统装置，其特征在于：所述阳极腔室和阴极腔室均通过管道直接连通混合气气罐。4.根据权利要求1所述的微生物电化学系统装置，其特征在于：所述阳极的材料为碳刷；所述阴极的材料为石墨板。5.一种使用如权利要求1
‑
4中任一所述微生物电化学系统装置同步实现废水处理、CO2固定和微生物蛋白原位合成的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、制作微生物电化学系统所需的阳极碳刷、阴极电极，并进行预处理；S2、向阳极腔室内接种厌氧污泥，加入营养液，并通入氮气维持严格厌氧环境；阴极腔室内加入铁氰化钾溶液；对厌氧污泥进行培养与驯化，使得阳极上富集产电微生物；S3、在阳极腔室内产电微生物培养和驯化完成后，将阴极腔室内的铁氰化钾溶液替换为磷酸盐缓冲溶液；同时向产蛋白腔室内加入产蛋白培养基，形成三室微生物电化学系统；S4、在不同的温度下，电源施加不同电压，将驯化的产蛋白微生物接种至产蛋白腔室内并通入包含二氧化碳、氢气和氧气的混合气，进行产蛋白培养，得到“氨氮回收
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原位合成蛋白”微生物电化学系统；S5、将产蛋白腔室内的培养产物进行处理，得到微生物蛋白。6.根据权利要求5所述的同步实现废水处理、CO2固定和微生物蛋白原位合成的方法，其特征在于，步骤S1中，所述预处理包括如下步骤：S1
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1、将碳纤维丝和直径为0.8
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1.2mm的钛丝加工成碳刷；S1
‑
2、将碳刷用0.9
‑
1.1mol
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L
‑1的NaOH溶液浸泡5
‑
7h，去除杂质离子；S1
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3、用0.9
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1.1mol
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L
‑1HCL浸泡5
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7h，用去离子水超声清洗至中性；S1
‑
4、用去离子水煮2.5
‑
3.5h，每隔25
‑
35min更换一次水；S1
‑
5、用马弗炉加热处理，得到实验所需碳刷；S1
‑
6、将石墨板切割成4cm*4cm*0.5cm的方块；S1
‑
7、用0.9
‑
1.1mol
·
L
‑
1的NaOH溶液浸泡4
‑
6h，去除杂质离子；S1
‑
8、用0.9
‑
1.1mol
·
L
‑
1的HCL浸泡5
‑
7h，用去离子水超声清洗至中性，得到阴极所需的石墨板；优选地，步骤S1
‑
1中，所述碳刷长5
‑
7cm，直径为3
‑
5cm；
优选地，步骤S1
‑
5中，所述马弗炉加热处理的温度为480
‑
520℃，处理时间为9
‑
11分钟。7.根据权利要求5所述的同步实现废水处理、CO2固定和微生物蛋白原位合成的方法，其特征在于，步骤S2包括如下具体步骤：S2
‑
1、采用污水处理厂浓缩池处的厌氧污泥作为接种泥，将所取厌氧污泥沉降后倒去上清液；S2
‑
2、将厌氧污泥与营养液加入具有碳刷的阳极腔室中，形成阳极液；S2
‑
3、向阳极腔室中持续通入氮气，除去阳极腔室中的氧，维持严格厌氧环境；S2
‑
4、将铁氰化钾溶液加入阴极腔室作为阴极溶液；S2
‑
5、所述阳极、电阻、电源和阴极串联，构成微生物燃料电池，在25
‑
32℃适宜温度，于阳极碳刷上对来源于厌氧污泥的产电微生物进行培养和驯化，使得阳极上富集产电微生物；优选地，步骤S2
‑
2中，所述营养液的配方为每升溶液中含有以下的物质：3mg硫酸镁，0.13mg氯化锌，0.005mg七水硫酸锌，1.5mg氨三乙酸，0.5mg一水合硫酸锰，310mg氯化铵，130mg氯化钾，0.01mg硼酸，0.01mg六水合氯化钴，5mg烟酸，2mg叶酸，0.01mg五水合硫酸铜，0.024mg六水合氯化镍，0.024mg二水合钨酸钠，0.1mgB
‑
12，5mg维生素B1，6mg维生素B2，10mg维生素B6，6mg对氨基苯甲酸，2000mg乙酸钠；优选地，步骤S2
‑
2中，所述阳极腔室中的阳极液pH为6.5
‑
7.5；优选地，步骤S2
‑
2中，厌氧污泥与营养液的体积比为1:1；优选地，步骤S2
‑
3中，所述通入氮气的时间为9
‑
11分钟；优选地，步骤S2
‑
4中，所述铁氰化钾溶液浓度为15
‑
17g/L；优选地，步骤S2
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨紫怡，伍诗敏，王雯，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：