提高微藻阴极微生物燃料电池产电和脱氮除磷性能方法与流程

[0001]
本发明涉及污水控制技术领域，特指一种提高微藻阴极微生物燃料电池产电和脱氮除磷性能方法。


背景技术：

[0002]
随着工农业快速发展，氨氮废水的污染源的数量和排放总量呈现日益增加趋势，由此引起的水体富营养化和水体黑臭严重威胁到水体生态平衡和人类正常的生产生活，水体中氨氮的治理刻不容缓。研究开发经济、高效的除氮处理技术已成为水污染控制工程领域研究的重点领域之一。
[0003]
生物电化学系统中通过利用产电微生物的自身代谢进而实现了从化学能向电能的转化，其中，微生物燃料电池技术通过产电微生物代谢，将污染物蕴含的化学能转化成电能，在环境修复领域受到越来越广泛的关注。微藻处理法是目前新兴的污水处理方式，畜禽养殖污水中含有的丰富的氮、磷等营养物质可为微藻提供营养，利用微藻处理污水同时可与微藻的大规模生产相藕联，实现资源的循环利用。微藻应用于微生物阴极，通过光合作用产生氧气可以提供充足电子受体，根据微生物燃料电池系统中微藻的作用划分，微藻型微生物燃料电池可分为微藻生物阴极、微藻生物阳极以及微藻阳极底物三种。
[0004]
藻类作为水生态环境重要的初级生产者，应用于微生物燃料电池阴极，吸收水中氮、磷维持其生长和繁殖，通过光合作用固定二氧化碳，产生的氧气可以充当电子受体，提高污染物资源化程度。
[0005]
微藻固定化技术实现了藻细胞高密度培养，增强了其抗逆性，提高了微藻微生物燃料电池产电和废水处理能力。然而，以海藻酸钠和壳聚糖等为代表的固定化材料制备的微藻胶球传质性能较差，限制了胶球中微藻的生长和水中污染物的去除。
[0006]
因此，本发明人对此做进一步研究，研发出一种提高微藻阴极微生物燃料电池产电和脱氮除磷性能方法，本案由此产生。


技术实现要素：

[0007]
本发明所要解决的技术问题在于提供一种提高微藻阴极微生物燃料电池产电和脱氮除磷性能方法，能高效去除废水中氮、磷的同时，还能够获得更多用于制备生物油脂的微藻，并能够提高微生物燃料电池产电。
[0008]
为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：
[0009]
一种提高微藻阴极微生物燃料电池产电和脱氮除磷性能方法，包括以下步骤：
[0010]
步骤一：生物炭-海藻酸钠联合固定化微藻胶球的制备：1)取藻液于离心管，离心，舍弃部分上清液，离心浓缩藻液；2)称取海藻酸钠粉加水并利用磁力搅拌加热炉加热溶解，待溶解完全之后，加入适量的生物炭，搅拌均匀，待溶液温度降低至室温加入藻液，混合均匀；3)将混合液逐滴滴入0.5％-3％的cacl2溶液之中，静置，用去离子水冲洗，得到生物炭-海藻酸钠联合固定化微藻胶球；
[0011]
步骤二：构建双室微生物燃料电池：由阴极室、阳极室构成，中间由质子交换膜分隔，微藻生物阴极双室微生物燃料电池的阳极室接种活性污污泥，阳极液为人工废水，阳极室内的微生物分解废水中的有机物，经过分解代谢之后产生h
+
、e-以及co2，在双室微生物燃料电池的阴极室中，阴极接种生物炭-藻酸钠联合固定化微藻胶球，通过光合作用可产生o2，直接将其作为电子受体，h
+
通过质子交换膜传递到阴极，e-则通过外部导线传至阴极电子受体氧气，形成闭合回路。
[0012]
进一步，步骤一中，离心条件为：在3500r/min条件下离心3min。
[0013]
进一步，所述生物炭为废弃生物质碳化制备后研磨后获得。
[0014]
进一步，废弃生物质具体为秸秆或柚子皮。
[0015]
进一步，在步骤一中，藻液里的微藻为小球藻、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、集胞藻和聚球藻中的一种或多种。
[0016]
进一步，在步骤二中，阴极和阳极的电极材料均采用碳毡。
[0017]
采用上述方案后，由于生物炭由于孔隙结构发达、比表面积大和生物相容性好等特点，生物炭介导海藻酸钠固定化小球藻制备胶球，提高固定化胶球的传质性能，充分发挥生物炭吸附和微生物降解的协同作用，建立吸附-降解-吸附协同工艺，实现微生物燃料电池阴高密度微藻去除高浓度氮磷，促进了微藻生长获得更多微藻生物质的同时，提高了固定化微藻阴极微生物燃料电池脱氮除磷和产电性能。本方法具有脱氮除磷及产电性能好，抗冲击负荷能力强、处理成本低等优点。
附图说明
[0018]
图1本发明的流程示意图；
[0019]
图2是在光暗条件下三种微藻生物阴极双室微生物燃料电池的输出电压变化曲线；
[0020]
图3是固定化小球藻的生长影响变化对比曲线；
[0021]
图4是固定化微藻阴极微生物燃料电池总磷的去除变化对比曲线；
[0022]
图5是固定化微藻阴极微生物燃料电池氨氮的去除变化对比曲线。
具体实施方式
[0023]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。本发明所揭示的是一种提高微藻阴极微生物燃料电池产电和脱氮除磷性能方法，如图1所示，为本发明的较佳实施例，包括以下步骤：
[0024]
步骤一：生物炭-海藻酸钠联合固定化微藻胶球的制备：1)取藻液于离心管，在3500r/min条件下离心3分钟，舍弃部分上清液，离心浓缩藻液；2)称取海藻酸钠粉加水并利用磁力搅拌加热炉加热溶解，待溶解完全之后，加入适量的生物炭，搅拌均匀，待溶液温度降低至室温加入藻液，混合均匀；3)采用注射器将混合液逐滴滴入0.5％-3％(在本实施例中，优选值为1％)的cacl2(氯化钙)溶液之中，静置30min，用水冲洗3遍，即可放入培养基之中，得到生物炭-海藻酸钠联合固定化微藻胶球；
[0025]
步骤二：构建双室微生物燃料电池：由阴极室、阳极室构成，中间由质子交换膜分隔，微藻生物阴极微生物燃料电池的阳极室中，阳极接种活性污污泥，阳极液为人工废水，
阳极室内的微生物分解废水中的有机物，经过分解代谢之后产生h
+
、e-以及co2，在微生物燃料电池阴极室中，阴极接种生物炭-藻酸钠联合固定化微藻胶球，藻类通过光合作用可产生o2，直接将其作为电子受体，h
+
通过质子交换膜传递到阴极，e-则通过外部导线传至阴极电子受体氧气，形成闭合回路，反应持续进行。
[0026]
其反应过程可用下式表示：
[0027]
阳极反应：(ch2o)
n
+nh2o
→
nco2+4ne-+4nh
+
[0028]
阴极反应：o2+4h
+
+4e-→
2h2o
[0029]
进一步，所述生物炭为废弃生物质碳化制备后研磨后获得。
[0030]
进一步，具体为秸秆或柚子皮。
[0031]
进一步，在步骤一中，藻液里的微藻为小球藻、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、集胞藻和聚球藻中的一种或多种。
[0032]
进一步，在步骤二中，阴极和阳极的电极材料均采用碳毡。
[0033]
采用透明亚克力板构建的双室微生物燃料电池，阳极接种活性污污泥，阳极液为人工废水，阴极分别接种接种自由藻、海藻酸钠固定化藻、生物炭-海藻酸钠联合固定化藻，在相同光照等运行条件下考察电池的电压输出，图2是三种不同形式小球藻阴极微生物燃料电池(分别是海藻酸钠固定、生物炭-海藻酸钠共固定和悬浮藻)在黑暗条件下以及加光照条件下(1500lux光强)的输出电压变化曲线，外接电阻为1000ω。由图2可以看到，黑暗环境下加生物炭的电池输出电压在40mv以下，而自由藻组以及固定化组的电池输出电压均只有4mv左右。当加光照之后，三种电池的输出电压均有明显的提高，最终保持稳定输出。光照条件下，加生物炭的电池输出电压稳定在0.181v，固定化组的电池输出电压稳定在0.114v，而自由藻组的电池输出电压稳定在0.075v。光照显著降低微藻阴极的电阻，提高了微藻型微生物燃料电池的性能；固定化微藻进一步提高了微藻型微生物燃料电池产电，生物炭的加入进一步提高了微藻型微生物燃料电池的产电，且促进效果明显。
[0034]
在本实施例中，藻液采用是小球藻，设置3个生物炭-海藻酸钠联合固定化小球藻阴极微生物燃料电池，阴极液为氨氮浓度为120mg/l的人工废水，每两天测定藻细胞浓度绘制藻生长曲线如图3所示。由图3可知，随着培养时间的延长，小球藻在两种胶球中的藻密度的差值逐渐增大，培养至第8天，生物炭-海藻酸钠联合固定化小球藻胶球中小球藻细胞密度达到了2.45
×
106细胞/ml，而在海藻酸钠单独固定化胶球中只有1.72
×
106细胞/ml。由此可见，生物炭促进了固定化小球藻在海藻酸钠胶球中的生长，可能的原因是生物炭的加入，增加了胶球的比表面积，加之生物的吸附作用，便于胶球中的小球藻更容易获得营养物，进而促进其生长。
[0035]
总磷的去除性能测定阴极液为含有40mg/l总磷的人工废水，每天取一次样测定培养基中总磷的浓度并计算总磷的去除率，测定周期为五天。从图4可知，接种自非固定的游离藻总磷去除速率较为缓慢，五天之后总磷去除效率仅为32.55％，游离藻对总磷的去除远低于海藻酸钠固定小球藻组的62.21％和生物炭海藻酸钠联合固定化小球藻组的91.23％。海藻酸钠固定小球藻组与生物炭海藻酸钠联合固定化小球藻组在前两天总磷去除速率基本相同，但在第二天后，联合和固定化组的总磷去除效率开始大于海藻酸钠固定化组，且随着处理时间的延长，差距愈发明显。
[0036]
由图5可知，加生物炭联合固定化藻、不加生物炭固定化藻(海藻酸钠单独固定的
小球藻)以及生物炭空胶球(不加小球藻)三个处理组第1天氨氮含量迅速下降，可能跟胶球对氨氮有较强的吸附有关，联合固定化空胶球由于吸附饱和，随着处理时间的延长，水中氨氮浓度随着处理时间的延长变化不大，而固定化小球藻处理组氨氮浓度持续降低，联合固定化小球藻处理组氨氮浓度下降最为明显。悬浮微藻通过代谢，待处理水中氨氮浓度持续下降，但是氨氮去除速率较慢，处理4天溶液中氨氮的浓度略低于空胶球处理组。
[0037]
廉价的生物炭具有较大的比表面积，能够改善传统固定化胶球的传质性能，促进氮磷等营养元素进入胶球与高密度的微藻接触，促进了微藻的生长和脱氮除磷，光合作用产生的更多的氧气为微藻微生物燃料电池提供了足够的氧气作为电子受体，最终提高了固定化微藻微生物燃料电池的脱氮除磷及产电性能。
[0038]
本发明在高效去除废水中氮、磷的同时，能够获得更多用于制备生物油脂的微藻，并能够提高微生物燃料电池产电；生物炭的加入改善了胶球传质性能，促进了微藻更好的获得营养物质更快的生长，高密度的微藻光合作用产生足够的氧气，取消了常用的机械曝气(机械曝气是指借助机械设备，如叶片、叶轮等，使活性污泥法曝气池中废水和污泥充分混合，并使混合液液面不断更新与空气接触，来增加水中的溶解氧的方法)。
[0039]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。