一种利用微生物燃料电池处理有机废气的方法与流程

本发明属于废气物化处理技术领域，涉及一种微生物燃料电池与生物质炭吸附相结合处理有机废气的方法。

背景技术：

有机废气即挥发性有机物(volatileorganiccompounds，vocs)是石油化工、制药工业、印刷工业、涂料装饰业、表面防腐、交通运输等行业排放废气中的主要污染物。通常是指在室温下饱和蒸汽压大于133.132kpa、常压沸点50-260℃以内的有机化合物，包括烃类、卤代烃、芳香烃等。会破坏臭氧层、产生光化学烟雾，同时也是导致近年来倍受关注的过敏症和建筑物综合症的原因之一。vocs的产生主要有两方面：产业方面，各种产品产量的增加导致作业环境恶化，产业界的vocs多产生于石油、化工、粘合剂、涂料、干洗、印刷、表面清洗、电子元器件、汽车等行业；民生方面，由于房地产业的迅速发展及国民消费形态的变化，出现了室内空间环境恶化等问题。

目前，有机废气治理控制技术根据处理形式可分为回收技术和销毁技术两大类。回收法主要包括吸附法、吸收法、冷凝法及膜分离法等。其中吸附法是在工业有机废气处理中较为成熟而普遍的方法，利用多孔性固体吸附剂处理流体混合物，将vocs从废气中分离、回收，是相变或是相间的转移过程，不改变vocs物质本身的化学性质。吸附法的缺陷是由于吸附容量有限，当气体浓度高流量大时，吸附易达到饱和，去除率降低，废气中有其它胶粒物质和杂质时，吸附剂易失效，同时吸附剂需要再生。销毁技术包括催化燃烧法、生物降解法、紫外光催化氧化法、电化学催化氧化法等，主要原理是通过化学、生物化学或光化学反应，依靠热能、光能、催化剂或是生物酶的作用，将vocs完全氧化分解为无毒无害的co2和水等物质的过程，完全氧化能够使得vocs高效去除，不产生二次污染，但成本较高。上述常规方法具有程序复杂，能耗高，效率低等缺陷。其中生物处理技术是近年来新兴的处理方法，它具有安全性好、无二次污染、易于管理、运行费用低等特点；但是传统的微生物处理的氧化分解速率较慢，需要很大的接触面积，对过滤介质的ph等要求高，同时微生物氧化分解产生的能量也得不到充分利用。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种利用微生物燃料电池处理有机废气的方法，在将固体废弃物进行二次利用同时，将化学能直接和间接的转化为电能，不但有利于解决高浓度有机废气以及固体废弃物造成的污染问题，同时产生的电能可以作为能源二次利用。

本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种利用微生物燃料电池处理有机废气的方法，该方法按照以下步骤进行：

(1)准备双室微生物燃料电池，所述双室微生物燃料电池包括反应器，所述反应器内设置有以交换膜隔开的阳极室与阴极室，所述阳极室内的阳极与所述阴极室内的阴极分别通过导线连接在外接电阻的两端；所述阳极室上部设置有阳极室进水口、下部设置有阳极室出水口，所述阴极室上部设置有阴极室进水口、下部设置有阴极室出水口；所述阳极室还设置有进气管道和出气管道；

(2)在所述双室微生物燃料电池的所述阳极室内填充占该阳极室容积1/2-3/4的生物质炭颗粒；

(3)将所述阳极室充满体积比为1：1的污水和磷酸盐缓冲液的混合液，其中所述污水用于接种微生物，所述磷酸盐缓冲液含2-5g/l碳源且ph为6.5-7.5；培养7-10天后，所述阳极以及所述生物质炭颗粒的表面附着有生物膜，打开所述阳极室出水口，将阳极室内的液体排出；

(4)将所述阳极室和所述阴极室分别充满ph为6.5-7.5的磷酸盐缓冲液，通过所述进气管道向所述阳极室通氮气2-3h，直至将所述阳极室内的空气排尽，停止通氮气；

(5)通过所述进气管道以20-100ml/min的流量通入有机废气，室温条件下连续通气36-72h后，检测所述进气管道的进气口和所述出气管道的出气口处气体成分和浓度。

其中，步骤(1)所述双室微生物燃料电池中的所述阳极采用碳毡、碳布、网状玻璃碳或碳纤维刷中的一种。

其中，步骤(1)所述双室微生物燃料电池中的所述阳极采用碳毡、碳布、网状玻璃碳或碳纤维刷中的一种。

其中，步骤(1)所述双室微生物燃料电池中的所述交换膜为阳离子交换膜、阴离子交换膜、微滤膜或纳滤膜。

其中，步骤(1)所述双室微生物燃料电池的所述外接电阻阻值为1000-3000ω。

其中，步骤(2)中的所述生物质炭颗粒由玉米秸秆、小麦秸秆、椰子壳、树皮、果皮或藻类中的至少一种制备而成。

其中，步骤(2)中的所述碳源为葡萄糖、乙酸钠或者淀粉中的一种。

其中，步骤(2)中用于接种微生物的所述污水可为生活废水、食品加工厂废水、啤酒废水或污水处理厂未处理污水。

其中，步骤(4)中通入的有机废气为塑料塑胶废气、化工有机废气、印刷废气或喷漆废气中的一种。

本发明的有益效果是：

(一)本发明的利用微生物燃料电池处理有机废气的方法，条件温和(常温、常压)、无毒、能耗低、操作简便、无二次污染，清洁高效。

(二)本发明的利用微生物燃料电池处理有机废气的方法，将生物质炭吸附法与微生物降解法合理结合，改善了吸附法的容量限制，同时满足了微生物法所需要的较大接触面积的需要，进一步提高了降解效率。

(三)本发明的利用微生物燃料电池处理有机废气的方法，其采用的吸附剂利用了生物质炭，生物质炭资源种类繁多，分布广泛，且价格低廉，是重要的可再生资源，其充分的开发利用对达到可持续循环发展有重要意义。

(四)本发明的利用微生物燃料电池处理有机废气的方法，不仅提高了有机废气的处理效果，而且可以获得电能以补偿废气处理成本，实现了废物资源化，为有效处理有机废气提供了新途径，对节能减排和保护环境具有重要意义。

附图说明

图1是本发明所使用的双室微生物燃料电池的结构示意图；

图2是实施例1处理废气后进气管道的进气口和出气管道的出气口各有机成分浓度图；

图3是实施例1中双室微生物燃料电池的功率密度曲线图；

图4是实施例2处理废气后进气管道的进气口和出气管道的出气口各有机成分浓度图；

图5是实施例2中双室微生物燃料电池的功率密度曲线图；

图6是实施例3处理废气后进气管道的进气口和出气管道的出气口各有机成分浓度图；

图7是实施例3中双室微生物燃料电池的功率密度曲线图；

图8是实施例4处理废气后进气管道的进气口和出气管道的出气口各有机成分浓度图；

图9是实施例4中双室微生物燃料电池的功率密度曲线图。

图中：1、反应器，2、阳极，3、阴极，4、交换膜，5、阳极室出水口，6、阳极室进水口，7、阴极室进水口，8、阴极室出水口，9、进气管道，10、出气管道，11、外接电阻。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述，以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

本发明各实施例均使用双室微生物燃料电池处理有机废气，如图1所示，双室微生物燃料电池包括反应器1，反应器1内设置有以交换膜4隔开的阳极室与阴极室，阳极室内的阳极2与阴极室内的阴极3分别通过导线连接在外接电阻11的两端；阳极室上部设置有阳极室进水口6、下部设置有阳极室出水口5，阴极室上部设置有阴极室进水口7、下部设置有阴极室出水口8；阳极室还设置有进气管道9和出气管道10。

以下各实施例中双室微生物燃料电池的阳极和阴极均采用碳毡；除此以外，本发明双室微生物燃料电池的阳极2和阴极3还可以采用碳布、网状玻璃碳、碳纤维刷等具有导电性能的碳材料。

以下各实施例中双室微生物燃料电池的交换膜4均采用阳离子交换膜；除此以外，本发明双室微生物燃料电池的交换膜4还可以采用阴离子交换膜、微滤膜或纳滤膜等允许质子透过、而基质、细菌和氧气等都被截留的微孔材料。

以下各实施例所利用的碳源均采用葡萄糖；除此以外，本发明双室微生物燃料电池的碳源还可以是乙酸钠或者淀粉等易被微生物分解的含碳有机物。

实施例1

(1)生物质炭的制备：选取玉米秸秆和小麦秸秆，自然风干后，研磨。过100目筛后，按质量比1：1混合。在氮气氛围中，以5℃/min的升温速率程序升温至800℃，再在800℃恒温1h后取出，即为生物质炭颗粒；

(2)构建上述双室微生物燃料电池，其中外接电阻11的阻值为1000ω，在双室微生物燃料电池的阳极室内填充占阳极室容积1/2的生物质炭颗粒；

(3)通过阳极室进水口6将阳极室充满体积比为1：1的生活废水和磷酸盐缓冲液的混合液，其中污水用于接种微生物，磷酸盐缓冲液含2g/l碳源且ph为6.5；培养7天后，阳极以及生物质炭颗粒的表面附着有生物膜，打开阳极室出水口5，将阳极室内的液体排出；

(4)通过阳极室进水口6和阴极室进水口7将阳极室和阴极室分别充满ph为6.5的磷酸盐缓冲液，通过进气管道9向阳极室通氮气2h，直至将阳极室内的空气排尽，停止通氮气；

(5)通过进气管道9以20ml/min的流量通入实验室模拟高浓度塑料塑胶废气，主要有机成分为乙烯、丙烯、苯乙烯、丙烯晴、丁二烯，室温条件下连续通气36h后，检测进气管道9的进气口和出气管道10的出气口处气体成分和浓度，如图2所示为进、出气口的各有机成分的浓度图，检测得乙烯、丙烯、苯乙烯、丙烯晴、丁二烯的降解率分别为39.35％、64.7％、56.55％、49.84％。图3为双室微生物燃料电池的功率密度曲线，最大功率密度为9.6mw/m²。

实施例2

(1)生物质炭的制备：选取椰子壳和杨树皮，自然风干后，研磨。过100目筛后，按质量比1：1混合。在氮气氛围中，以5℃/min的升温速率程序升温至800℃，再在800℃恒温1h后取出，即为生物质炭颗粒；

(2)构建上述双室微生物燃料电池，其中外接电阻11的阻值为3000ω，在双室微生物燃料电池的阳极室内填充占阳极室容积3/4的生物质炭颗粒；

(3)通过阳极室进水口6将阳极室充满体积比为1：1的食品加工厂废水和磷酸盐缓冲液的混合液，其中污水用于接种微生物，磷酸盐缓冲液含5g/l碳源且ph为7.5；培养10天后，阳极以及生物质炭颗粒的表面附着有生物膜，打开阳极室出水口5，将阳极室内的液体排出；

(4)通过阳极室进水口6和阴极室进水口7将阳极室和阴极室分别充满ph为7.5的磷酸盐缓冲液，通过进气管道9向阳极室通氮气3h，直至将阳极室内的空气排尽，停止通氮气；

(5)通过进气管道9以100ml/min的流量通入实验室模拟高浓度喷漆废气，主要成分有丙酮、丁醇、二甲苯、甲苯、乙酸乙酯，室温条件下连续通气72h后，检测进气管道9的进气口和出气管道10的出气口处气体成分和浓度，如图4所示为进、出气口的各有机成分的浓度图，检测得丙酮、丁醇、二甲苯、甲苯、乙酸乙酯的去除率分别为：31.36％、83.34％、45.53％、71.26％、62.46％。图5为双室微生物燃料电池的功率密度曲线，最大功率密度为7.48mw/m²。

实施例3

(1)生物质炭的制备：选取玉米秸秆和柚子皮，自然风干后，研磨。过100目筛后，按质量比1：1混合。在氮气氛围中，以5℃/min的升温速率程序升温至800℃，再在800℃恒温1h后取出，即为生物质炭颗粒；

(2)构建上述双室微生物燃料电池，其中外接电阻11的阻值为2000ω，在双室微生物燃料电池的阳极室内填充占阳极室容积5/8的生物质炭颗粒；

(3)通过阳极室进水口6将阳极室充满体积比为1：1的啤酒废水和磷酸盐缓冲液的混合液，其中污水用于接种微生物，磷酸盐缓冲液含3g/l碳源且ph为6.8；培养8天后，阳极以及生物质炭颗粒的表面附着有生物膜，打开阳极室出水口5，将阳极室内的液体排出；

(4)通过阳极室进水口6和阴极室进水口7将阳极室和阴极室分别充满ph为6.8的磷酸盐缓冲液，通过进气管道9向阳极室通氮气2.5h，直至将阳极室内的空气排尽，停止通氮气；

(5)通过进气管道9以60ml/min的流量通入实验室模拟高浓度化工废气，主要成分有甲醛、丙酮、乙酸乙酯、甲醇，室温条件下连续通气54h后，检测进气管道9的进气口和出气管道10的出气口处气体成分和浓度，如图6所示为进、出气口的各有机成分的浓度图，检测得甲醛、丙酮、乙酸乙酯、甲醇的去除率为33.88％、61.32％、52.19％、79.08％。图7为双室微生物燃料电池的功率密度曲线，最大功率密度为5.87mw/m²。

实施例4

(1)生物质炭的制备：选取玉米秸秆和海带，自然风干后，研磨。过100目筛后，按质量比1：1混合。在氮气氛围中，以5℃/min的升温速率程序升温至800℃，再在800℃恒温1h后取出，即为生物质炭颗粒；

(2)构建上述双室微生物燃料电池，其中外接电阻11的阻值为1500ω，在双室微生物燃料电池的阳极室内填充占阳极室容积3/4的生物质炭颗粒；

(3)通过阳极室进水口6将阳极室充满体积比为1：1的污水厂未加工污水和磷酸盐缓冲液的混合液，其中污水用于接种微生物，磷酸盐缓冲液含4g/l碳源且ph为7.0；培养8天后，阳极以及生物质炭颗粒的表面附着有生物膜，打开阳极室出水口5，将阳极室内的液体排出；

(4)通过阳极室进水口6和阴极室进水口7将阳极室和阴极室分别充满ph为7.0的磷酸盐缓冲液，通过进气管道9向阳极室通氮气2.2h，直至将阳极室内的空气排尽，停止通氮气；

(5)通过进气管道9以70ml/min的流量通入实验室模拟高浓度印刷废气，主要成分有甲苯、甲酸乙酯、乙醇、乙烷，室温条件下连续通气58h后，检测进气管道9的进气口和出气管道10的出气口处气体成分和浓度，如图8所示为进、出气口的各有机成分的浓度图，甲苯、甲酸乙酯、乙醇、乙烷的去除率分别为：56.22％、41.94％、79.67％、32.95％。图9为双室微生物燃料电池的功率密度曲线，最大功率密度为6.83mw/m²。

由以上实施例表明，本发明通过生物质炭的吸附，双室微生物燃料电池不仅可以直接降解被吸附的有机废气，同时微生物代谢产生的电子转化成电流，获得电能。实验证明，高浓度易被吸附的vocs，如甲苯、乙醇、甲醛等气体，都可以用本发明提供的方法进行处理，而易溶于水和易降解的简单有机气体利用本发明去除效果更好。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。