申请日2011.07.18
公开(公告)日2011.12.14
IPC分类号C02F3/30; H01M8/16; C02F3/34
摘要
本发明涉及一种厌氧-好氧一体的微生物燃料电池污水处理系统，它是通过在微生物燃料电池的阳极室内构建兼性产电菌和兼性降解菌，并通过厌氧、好氧交替的运行模式，达到利用有机物厌氧产电及将其好氧降解的目的。它克服了以往的微生物燃料电池系统利用有机废水产电时，有机物降解不彻底的问题，实现了有机废水的资源化和无害化。它具体特征在于：燃料电池系统包括阴极室，阳极室，阳极室的阳极，阴极室的阴极，阴阳两极间有分隔膜，阴极室和阳极室均设置曝气头;阳极室的阳极附着兼性产电微生物，阳极室溶液中有兼性降解微生物，通过厌氧、好氧交替的运行方式，实现厌氧条件下废水产电和好氧条件下有机物快速降解。
权利要求书
1.厌氧-好氧一体的微生物燃料电池污水处理系统，其特征在于：它包括阴极室，阳极室， 阳极室的阳极，阴极室的阴极，阴阳两极间有分隔膜，阴极室和阳极室均设置曝气头; 阳极室的阳极附着兼性产电微生物，阳极室溶液中有兼性降解微生物;阳极室采用厌氧、 好氧交替的运行方式，厌氧条件下阳极产电微生物利用有机废水产电，好氧条件兼性降 解菌将废水中有机物快速降解。
2.根据权利要求1所述的所述的阳极材料，包括碳纸、碳布、碳纤维、碳纳米管、碳毡和 石墨棒。
3.根据权利要求1所述的阴极材料，包括碳布和碳纸，阴极材料上载有催化剂。
4.根据权利要求1所述的阳极兼性产电微生物，其富集方法步骤包括：向双室的微生物燃 料电池系统的阳极室内接种厌氧污泥和好氧污泥的混合物，加入1000～1500mg/l COD易 降解有机物构成的废水、磷酸盐缓冲溶液和微量元素，其体积占阳极室容积的70～80%; 阴极室内加入磷酸盐缓冲溶液;将阴阳两极与1000欧外电阻连接;采用厌氧、好氧交替 的方式进行阳极兼性产电菌的富集，当连续两个周期厌氧条件下负载最大输出电压高于 200mV时，阳极兼性产电菌富集成功。
5.根据权利要求1所述的阳极室内兼性降解微生物，其培养及接种步骤包括：向某一反应 器内加入厌氧和好氧污泥的混合物，并加入浓度为800～1500mg/l COD的以待处理有机 废水，采用厌氧、好氧交替的序批式运行模式进行兼性降解菌的培养，每个周期具体包 括：进水5～30min，厌氧降解8～12h，好氧降解2～6h，沉淀0.5～1h，排水10～30min， 培养时间5～120天。
6.根据权利要求1所述的阳极室厌氧、好氧运行方式，具体步骤包括：向成功富集了兼性 产电菌的燃料电池阳极室内加入占阳极室4/5体积的有机物废水，并接种兼性降解菌1～ 4g/l，将导线与阴、阳两极及负载外电阻相连，根据废水中污染物特点，设置厌氧、好氧 交替运行的时间及模式，厌氧阶段时间依据产电情况设置，当负载外阻(1000欧)电压 下降至150mV以下时，结束厌氧产电，转入好氧降解模式，好氧阶段曝气量控制在0.5～ 1.5l/min，曝气时间控制在1～10h。
说明书
厌氧-好氧一体的微生物燃料电池废水处理系统
所属技术领域
本发明涉及一种厌氧-好氧一体的微生物燃料电池废水处理系统，属于环境保护与资源综 合-水污染防治领域。
发明背景
近年来，随着全球能源危机的发展，燃料电池技术的进步，利用电化学活性微生物(产 电微生物)进行污染治理及能源回收的研究日益引起国内外研究者的关注(Rabaey et al.，2005; Logan et al.，2006;Lovley，2006)。电化学活性微生物的典型特征是代谢有机物的同时能够使电 子从胞内向胞外传递，借助电极和导线形成闭路来回收电能。微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)是当前利用电化学活性微生物产电的主要系统。利用微生物燃料电池系统可同步 达到电能回收和废水处理的目的。常规的微生物燃料电池系统，通常将阳极室通过氮吹控制 在厌氧状态，以保持产电微生物的活性同时减少氧存在对产电的影响。目前，微生物燃料电 池系统已经尝试用于多种高浓度有机废水的处理及能量回收，如啤酒废水、糠醛废水、化工 废水和含酚废水等。高浓度有机废水经过微生物燃料电池系统回收电能后，废水中有机物往 往得不到彻底去除，阳极室出水还含有原水20～30%的有机物，需要进一步处理后方可排放。 此外，当某些高浓度有机废水中含有一定量的有毒有害难降解有机物时，如何实现难降解有 机物分解和电能回收也是一亟待解决的问题。目前大多数微生物燃料电池相关专利都没能够 实现在燃料电池系统内污染物的彻底转化。专利(CN101924228A)公开了一种微生物燃料 电池及其处理苯胺废水的方法，它是一种基于双室的微生物燃料电池，产电系统对苯胺废水 的去除率达到70%，但该专利没有给出产电后苯胺废水的处理方法。发明专利(CN1364146A) 提出了一种用于废水处理的使用废水和活性污泥的生物燃料电池，它是采用双室型燃料电池， 利用化粪池废水和畜禽养殖废水产电，但产电后废水COD浓度仍然为250～350mg/l，有待 于进一步处理。据申请者调研，目前仅有一专利(公开号101383425A)涉及微生物燃料电池 系统实现产电和污水彻底净化，它提出了两段式的微生物燃料电池工艺，将阳极室产电后的 废水导入到微生物作为催化剂的阴极室，在好氧条件下继续进行废水处理。
产电微生物种类很多，主要有Aeromonas hydrophila，Desulfuromonas acetoxidans， Geobacter metallireducens，Geobacter sulfurreducens，Geopsychrobacter elcetrodophilus， Pseudomonas aeruginosa，Rhodopseudomonas ferrireducens，Shewanella putrefaciens，Geothrix fermentan(Schaetzle et al.，2008)。这些菌有一些是严格厌氧菌，但多数是兼性菌。兼性微生物 的适应范围广，在有氧或无氧的环境中均能生长。一般以有氧生长为主，有氧时靠呼吸产能; 兼具厌氧生长能力，无氧时通过发酵或无氧呼吸产能。因此，阳极室内的产电微生物对氧的 存在并非异常敏感。有时，在好氧条件下反而表现出更好的产电活性。如Biffinger et al(2007) 在微型微生物燃料电池系统内研究了Shewanella oneidensis DSP 10在厌氧和好氧条件下利用 不同有机物产电的情况。发现当阳极液中有氧气时，利用葡萄糖产电的功率密度达到 270±10W/m3，在严格好氧条件下，该菌利用葡萄糖产电的功率密度则小于100W/m3，说明该 菌不仅能够在厌氧条件下产电，在好氧条件下也具有良好的产电效能和降解功能。一些废水 处理工艺，如序批式活性污泥法，也常常采用厌氧、好氧交替的运行模式，通过兼性微生物 在厌氧、好氧条件下的功能转化达到污染物去除和脱氮除磷的目的。因此，在微生物燃料电 池废水处理系统的阳极室内，可充分利用兼性产电菌和兼性降解菌在厌氧和好氧条件下能够 共存的机制，通过厌氧、好氧交替的运行模式实现产电和有机物彻底分解。
发明内容
通常的微生物燃料电池系统在利用废水产电的过程中，往往通过氮吹密闭等方式使阳极室 处于厌氧状态，以获得较高的产电效率。但当废水中有机物含量下降到一定程度或当废水中 含有一些难降解有机物时，厌氧条件下有机物很难彻底分解转化，且利用其产电的效率也往 往较低。本发明提出了在阳极室内直接进行厌氧产电-好氧降解的一体化微生物燃料电池污水 处理系统，该方法通过富集兼性产电菌和兼性降解菌，使两类微生物在阳极室内共存，并通 过厌氧、好氧交替的运行模式，在阳极室内进行厌氧分解产电及好氧生物降解两个过程，彻 底达到污染物去除和电能回收的目的。这种方法不需要额外的反应器，简单，方便，且能够 实现废水的资源化与无害化。
厌氧-好氧一体的微生物燃料电池污水处理系统，其特征在于：它包括阴极室，阳极室， 阳极室内插入阳极，阴极室内插入阴极，阴阳两极间有分隔膜，阴阳室均设置曝气头。阳极 室的阳极附着兼性产电微生物，阳极室还有兼性降解微生物;阳极室采用厌氧、好氧交替的 运行方式，厌氧条件下阳极产电微生物利用有机废水产电，好氧条件下降解菌将废水中的有 机物分快速降解。
所述的阳极材料，包括碳纸、碳布、碳纤维、碳纳米管、碳毡和石墨棒中。
所述的阴极材料，包括碳布和碳纸，阴极材料上载有催化剂。
所述的阴阳两极间的分隔膜为质子交换膜和阳离子交换膜中的任一种。
所述的阳极兼性产电微生物，其富集方法步骤包括：向双室的微生物燃料电池系统中的 阳极接种厌氧污泥和好氧污泥的混合物，加入由易降解有机物构成的废水，其浓度为1000～ 1500mg/l COD，并加入一定量的磷酸盐缓冲溶液和微量元素，溶液体积占阳极室容积的70～ 80%;阴极室内加入磷酸盐缓冲溶液;将阴阳两极与1000欧外电阻连接;采用厌氧、好氧交 替的方式进行阳极兼性产电菌的富集，当连续两个周期厌氧条件下负载最大输出电压高于 200mV时，阳极兼性产电菌富集成功。
所述的阳极室内兼性降解微生物，其培养及接种步骤包括：向某一反应器内加入厌氧和好 氧污泥的混合物，并加入调整至适宜浓度的待处理有机废水，采用厌氧、好氧交替的序批式 运行模式进行兼性降解菌的培养，每个周期具体包括：进水5～30min，厌氧降解8～12h，好 氧降解2～6h，沉淀0.5～1h，排水10～30min，培养时间5～120天。
所述的阳极室厌氧、好氧运行方式，具体步骤包括：向阳极室内加入占阳极室4/5体积的 高浓度有机物废水，兼性降解菌1～4g/l，将导线与阴、阳两极及负载外电阻相连，根据废水 中污染物特点，设置厌氧、好氧交替运行的时间及模式，厌氧阶段时间依据产电情况设置， 当负载外阻(1000欧)电压下降至150mV以下时，结束厌氧产电，转入好氧降解模式，好 氧阶段控制时间1～10h，曝气量0.5～1.5l/min。
