专利名称：一种处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的装置及技术的制作方法
技术领域：
本发明属于废水处理领域。涉及微生物燃料电池，具体的说是ー种双室光合微生物燃料电池及其低能耗处理畜禽养殖废水的装置和方法。
背景技术：
畜牧养殖已成为水环境污染的三大源头之一，畜禽粪尿的淋溶性很强，粪尿中的氮、磷及水溶性有机物等淋溶量很大，如不妥善处理，就会通过地表径流和渗滤进入地下水层污染地下水。对地表水的影响则主要表现为，大量有机物质进入水体后，有机物的分解将大量消耗水中的溶解氧，使水体发臭；当水体中的溶解氧大幅度下降后，大量有机物质可在厌氧条件下继续分解，分解中将会产生甲烷、硫化氢等有毒气体，导致水生生物大量死亡；氮、磷可使水体富营养化，富营养化的结果会使水体中硝酸盐和亚硝酸盐浓度过高，人畜若长期饮用会引起中毒，而ー些有毒藻类的生长与大量繁殖会排放大量毒素于水体中，导致水生动物的大量死亡， 从而严重地破坏了水体生态平衡。对如何处理畜禽养殖废水，目前尚缺乏成功的经验。传统的污水生物或物化处理方法不能用于猪场的污水处理，因为对有机质与氨氮浓度都很高的猪场废水无法直接用好氧方法处理，即使经稀释或预处理后能用好氧或厌氧-好氧组合エ艺处理，也因动カ能耗大、成本高而使猪场根本无法承受，更不用说还要花同处理废水相当的资金对产生的剰余污泥进行处理处置。同吋，经这些生物方法处理后的出水N、P含量仍然很高而达不到排放标准，大量排放将造成近岸海域的富营养化和赤潮，同时也是ー种资源浪费。对如何经济有效地处理猪场废水是当今环境污染防治十分关注的问题，
近年来，畜禽养殖废水处理的技术快速发展，专利申请号为CN201210184137.8，发明名称为“利用畜禽粪便初级废水生产微藻的方法”利用位置哦对废水中的N、P及有机质有较强的去除能力降低了出水中的氮磷浓度，同时获得了生物质，但是用于养藻的废水进过稀释、通过臭氧曝气灭菌，エ序复杂，成本较高。专利申请号为CN2008201211891.5，发明名称为“一体化畜禽废水生物处理装置”处理畜禽养殖废水，装置复杂，处理周期长。因而需要发展有效、简单而又能够资源化畜禽养殖废水的方法。然而利用光合细菌与微藻应用于生物燃料电池处理养殖废水，在污水净化的同时生产菌藻蛋白和生物油脂方面的研究还没有见到任何报导。通过菌藻回收动物粪尿水中的碳、氮、磷的同时产生清洁电能具有很高的经济效益。
发明内容
1、技术方案:本发明的目的是提供ー种畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的装置及方法，阳极光合细菌代谢畜禽养殖废水中有机物产生电子和质子，降低出水C0D，阴极微藻吸收氮磷的同时光合作用提供了充足的溶氧作为电子受体，省去阴极常用的机械曝气，节省耗能；该装置在去除畜禽养殖废水有机物、氮、磷的同吋，获得菌藻蛋白和生物质并产生电能。
2、具体的运用方法:利用光微生物燃料电池处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的装置，由阳极室、阴极室、阳极、阴极、隔膜、进水口、出水ロ、外电路构成，其特征在于该装置阳极室侧壁下部分出水ロ与阴极室进水口相连，装置阴极室和阳极室采用透光材料制成，阳极室内接种光合细菌，阴极室接种微藻。所述利用光微生物燃料电池处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的装置，阳极室和阴极室采用钢化玻璃、有机玻璃、透明PVC板材、透明PC/PVC片材、压克力板透明材料制成。所述利用光微生物燃料电池处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的装置，采用红、蓝光源、白炽灯、日光灯、太阳光光源。所述利用光微生物燃料电池处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的装置，阳、阴极的材料为碳布、碳毡、碳纸、石墨板、不锈钢、钛网、及生物质碳化材料。利用光微生物燃料电池处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的方法，畜禽养殖废水通过阳极进水口加入阳极室，阳极室与空气隔绝，形成厌氧环境，阳极室光合细菌以废水中有机物为燃料，代谢有机物产生电子和质子分别通过外电路和隔膜到达阴极室，阳极室出水通过阴极室进水口进入阴极，阴极室微藻吸收阳极室出水氮磷促进其生长，光照条件下光合作用产生的氧气与来自阳极室的电子和质子结合生成水产生电能。收获阳极室光合细菌可提取细菌蛋白用于饲料生产，阴极室微藻经过浓缩、提取、转脂制备生物柴油。所述利用光微生物燃料电池处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的方法，阴极接种微藻为小球藻、拟微绿球藻、栅藻、金藻、紫球藻、三角褐脂藻、雨声红球藻、鱼腥藻、集胞藻、聚球藻。所述利用光微生物燃料电池处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的方法，阳极接种光合细菌为红螺菌、红假单胞菌和红微菌。
所述利用光微生物燃料电池处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的方法，阳极光合细菌及阴极微藻采用膜分离或离心收获菌体和微藻。所述利用光微生物燃料电池处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的方法，微生物燃料电池光照强度为2000-10000 lux，培养温度为23-35°C
所述的利用畜禽粪便初级废水生产微藻的方法，将培养至对数生长期的光合细菌和微藻以2 20%的接种量接种到阳极室和阴极室。
3、有益效果:提供ー种利用光微生物燃料电池处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的装置及方法，本发明在去除畜禽养殖废水有机物、氮、磷的同时，能够获得菌藻蛋白和用于制备生物油脂的微藻，并产生清洁电能；阴极微藻光合作用提高了阴极室溶氧，取消了常用的机械曝气；同时解决传统阴极需定期更换阴极电解液问题，实现真正意义上可持续性的MFC。该装置具有设计简单，方法可操作性強，运行费用大大降低等优点，有利于实现畜禽养殖废水资源化，降低其处理成本。
图1是本发明利用光微生物燃料电池处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的装置示意图。图中标示:1_外电阻、2-阳极进水口、3-阴极、4-阴极进水口、5-阳极出水ロ、6-阳极、7-阳极出水口、8-质子膜、9-泵。图2是本发明具体实施方式
中畜禽养殖废水阳极光合菌处理COD变化和电池电压变化过程图。图3是本发明具体实施方式
中畜禽养殖废水阳极光合菌处理铵态氮变化过程图。图4是本发明具体实施方式
中畜禽养殖废水近阳极光合细菌处理后，加入阴极培养微藻前后铵态氮含量变化过程图。图5是本发明具体实施方式
中畜禽养殖废水近阳极光合细菌处理后，加入阴极培养微藻前后总磷含量变化过程图。图6是本发明具体实施方式
中畜禽养殖废水近阳极光合细菌处理后，加入阴极培养微藻前后总氮含量变化过程图。图7是本发明具体实施方式
中畜禽养殖废水近阳极光合细菌处理后，加入阴极培养微藻过程中微藻生长曲线。图8是本发明具体实施方式
中畜禽养殖废水近阳极光合细菌处理后培养阴极微藻总脂含量
具体实施例方式本发明提供了ー种利用光微生物燃料电池处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的装置及方法，以下结合附图对具体实施方式
加以说明。装置实施例:本实施例利用光微生物燃料电池处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的装置(图1)，包括厌氧透明阳极室和好氧透明阴极室；阳极室和阴极室之间采用质子交换膜进行分隔；阳极和阴极通过导线和外电阻连成闭合回路。畜禽养殖废水从阳极进水ロ加入阳极室，在密闭的阳极厌氧环境中，阳极室内的光合细菌通过代谢将废水中的有机物产生电子、质子，电子经外电路转移到阴极，质子经由质子交换膜扩散到阴极。阳极室出水通过阴极进水孔进入阴扱，阴极微藻吸收废水中的氮磷等营养元素，通过光合作用提高阴极室溶氧，阴极室内的氧气与从阳极通过导线传递到阴极室的电子和透过质子交换膜进入阴极室的质子结合生成水达到稳定产电的同时有效去除畜禽养殖废水中C0D、N、P等污染物并获得菌藻蛋白。实施例1:通过阳极加样ロ向阳极室注入畜禽养殖废水，按2%_20%比例接种光合细菌，接种完毕后密闭阳极室与空气隔绝，以日光灯、白炽灯、LED灯或太阳作为光源，光强控制在2000-10000 lux，温度控制23-35°C，阴极微藻产光合作用产生氧气做为电子受体，系统处理50h后，畜禽养殖废水COD去除率达94.4%，外载为1000 Q条件下电压最高可到160 mv (图2)，畜禽养殖废水氨氮去除率为90.4% (图3)。实施例2:阳极出水ロ与阴极进水口相连，用泵将阳极处理万的畜禽养殖废水蹦到阴极室，将培养至对数生长期的微藻按2-20%的接种量分别接种到阴极室液体中，微藻浓度约为0.1-0.5 g/L，培养的温度为23°C-35°C。通过阳极加样ロ向阳极室注入畜禽养殖废水，按2%-20%比例接种光合细菌，以日光灯、白炽灯、LED灯或太阳作为光源，光强控制在2000-10000 lux,阳极出水培养微藻13天后，氨氮去除率为86.8% (图4)总磷和总氮去除率分别为90.4%和96.7%(图5，图6)，微藻细胞密度测定采用分光光度法，将阴极藻液稀释至一定倍数，測定波长680nm下的吸光度，畜禽养殖废水未经阳极光合细菌处理直接养藻组接种初期OD68tl为0.952，培养13天后为1.23，经过阳极光合细菌处理后畜禽养殖废水泵入阴极室培养微藻，微藻OD68tl由初始的0.932经过13天的生长后达4.04 (图7)。实施例3:阴极室微藻培养13天后油脂含量为28.2%，略低于BGll培养基培养相同时间微藻油脂含量(图8)，具体測定方法为取40 mL藻液，离心浓缩至0.8 mL，向其中加入2 mL甲醇和I mL氯仿,充分混合2 min.再加入I mL氯仿,混合30 s;加入ImL水,混合30 s,4000 rpm离心10 min,吸取全部氯仿层(底层)，60°C氮吹.将吹干后的离心管置于室温下干燥至恒重，称取离心管前后质量变化，即油脂重量，油脂重量与提取油脂藻干重之比即可得出油脂含量。实施例4:本实施例利用畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的装置，阳极室和阴极室为有效容积4cm*4cm*6cm的长方体，隔开阳极室和阴极室的质子交换膜有效面积为16cm2。电路中1000 Q外电阻，输出电压通过数据米集器(Model 27XX integral series,Keithley Intruments Inc USA)自动记录到计算机中(5min/次),开路电压用数字万用表測定。阳极进水自厦门某畜禽养 殖场。
权利要求
1.用光微生物燃料电池处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的装置，由阳极室、阴极室、阳极、阴极、隔膜、进水口、出水ロ、外电路构成，其特征在于该装置阳极室侧壁下部出水口与阴极室上部进水口相连，装置阴极室和阳极室采用透光材料制成，阳极室内接种光合细菌，阴极室接种微藻。
2.根据权利要求1所述的利用光微生物燃料电池处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的装置，其特征在于:阳极室和阴极室采用钢化玻璃、有机玻璃、PVC透明板材、PC/PVC透明片材、压克力板透明材料制成。
3.根据权利要求1所述的利用光微生物燃料电池处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的装置，其特征在于:所述光微生物燃料电池采用LED红、蓝光源、白炽灯、日光灯、太阳光光源。
4.根据权利要求1所述的利用光微生物燃料电池处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的装置，其特征在于:所述阳、阴极材料为碳布、碳毡、碳纸、石墨板、不锈钢、钛网、及生物质碳化材料。
5.用光微生物燃料电池处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的方法，其特征在于:畜禽养殖废水通过阳极进水口加入阳极室，阳极室与空气隔绝，形成厌氧环境，阳极室光合细菌以废水中有机物为燃料，代谢有机物产生电子和质子分别通过外电路和隔膜到达阴极室，阳极室出水通过阴极室进水口进入阴极，阴极室微藻吸收阳极室出水氮磷促进其生长，光照条件下光合作用产生的氧气与来自阳极室的电子和质子结合生成水产生电能；收获阳极室光合细菌可提取细菌蛋白用于饲料生产，阴极室微藻经过浓缩、提取、转脂制备生物柴油。
6.根据权利要求5所述的利用光微生物燃料电池处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的方法，其特征在于:阴极接种微藻为小球藻、拟微绿球藻、栅藻、金藻、紫球藻、三角褐脂藻、雨声红球藻、鱼腥藻、集胞藻、聚球藻。
7.根据权利要求5所述的利用光微生物燃料电池处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的方法，其特征在于阳极接种光合细菌为红螺菌、红假单胞菌和红微菌。
8.根据权利要求5所述的利用光微生物燃料电池处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的方法，其特征在于阳极光合细菌及阴极微藻采用膜分离或离心收获菌体和微藻。
9.根据权利要求5所述的利用光微生物燃料电池处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的方法，其特征在于微生物燃料电池光照强度2000-10000 lux，培养温度为23-35°C。
10.根据权利要求5所述的利用畜禽粪便初级废水生产微藻的方法，其特征在于将培养至对数生长期的光合细菌和微藻以2-20%的接种量分别接种到阳极室和阴极室。
全文摘要
本发明属于污水控制技术领域的利用光微生物燃料电池处理畜禽养殖废水耦合生产生物柴油的装置及方法。本发明涉及的光生物燃料电池，包括接种光合细菌的透光阳极室和接种微藻透光阴极室，两室之间由质子交换膜隔开，阳极和阴极分别固定于阳、阴极室内。阳极室与空气隔绝形成厌氧环境，阳极光合细菌代谢畜禽养殖废水中的有机物产生质子和电子，阴极室接种的微藻吸收阳极出水氮、磷促进其生长，微藻光合作用提供了充足的溶解氧作为电子受体。本装置阳、阴极室接种光合微生物，提高了光利用率，阳极室光合细菌可用于生产菌蛋白，阴极室微藻可提取油脂。本方法具有有机物、N、P处理好，抗冲击负荷能力强、经济效益高等优点。
文档编号C12R1/89GK103086520SQ20131002531
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月23日 优先权日2013年1月23日
发明者赵峰, 吴义诚, 王鲁, 郑越 申请人:中国科学院城市环境研究所