一种瘤胃微生物燃料电池系统及利用水葫芦产电的方法与流程

本发明涉及一种瘤胃微生物燃料电池系统及利用水葫芦产电的方法，属于固体废物资源化利用领域。

背景技术：

湖泊水生植物可以去除水中的藻类、溶解性有机污染物质和氮磷等营养物质,并且能迅速吸收废水中的重金属离子，因此被广泛应用于湖泊的水质改善和水环境修复。但是，水生植物同时也危害着生态环境、加速湖泊沼泽化，并对水中的溶解氧产生影响，造成湖泊的二次污染。因而寻找高效、经济的水生植物处置技术是十分重要的。目前，水生植物的处置方法包括用作动物饲料、堆肥及厌氧生物消化等。当湖泊水生植物如水葫芦中有毒物质含量低时，前两种方法具有一定的应用价值；否则，由于食物链的富集作用，当水生植物用作动物饲料或堆肥时会对人、畜等带来危害。并且，由于水生植物中木质纤维素结构复杂，不易于生物降解及转化，需要先经过复杂的预处理工艺将其转化为低分子物质才能被微生物所利用，因而研究直接处理水生植物秸秆的方法尤为重要。

微生物燃料电池(mfc)是一种新型的环境修复生物技术，该技术可以实现废物处置与能源回收。将植物秸秆等废弃物作为微生物燃料电池的底物，以电能的形式回收其中含有的能源，将有利于有效的解决水生植物处理问题。目前，已有相关报道，如：中国专利文献cn104611262a公开了一种降解纤维素的产电菌及其在燃料电池中的应用，该发明提供的产电菌能够以资源丰富的纤维素为底物进行发电，将其应用于微生物燃料电池中，适应性强、产电电压大，具有较高经济价值和广阔的使用前景；但该发明需要先进行菌株的纯化和筛选，步骤较为繁琐，且其直接以纤维素为底物，未公开对植物秸秆降解的相关数据。又如中国专利文献cn101188306a公开了微生物燃料电池及利用秸秆发电的方法，该发明的微生物燃料电池由容器、催化阳极、阳极导线、空气阴极、阴极导线、阴极盖和密封盖组成；利用秸秆发电的方法包括步骤如下：秸秆的预处理；秸秆的解毒处理，得到秸秆固体底物和秸秆液体底物；电池的启动；处理秸秆固体底物或秸秆液体底物。该发明无污染，缓解了能源危机并且农村秸秆得到了有效利用；但该发明需要对秸秆进行预处理，步骤繁琐，成本较高，且降解能力有限。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种瘤胃微生物燃料电池系统，该电池系统是将能降解纤维素、半纤维素的瘤胃微生物和微生物燃料电池整合于一体的固体废物资源化装置，该装置管理维护简单、成本低。

本发明还提供一种采用上述瘤胃微生物燃料电池系统以水葫芦为底物进行产电的方法，通过瘤胃液中的微生物将水葫芦秸秆中纤维素、半纤维素降解，可以有效的将其转化为电能，实现固体废物的资源化。

术语说明：

瘤胃：瘤胃是反刍动物的第一胃，是迄今已知的降解纤维物质能力最强的天然发酵罐。

瘤胃液：瘤胃液是从反刍动物的瘤胃内取出的瘤胃内容物，包含经口腔进入的食糜，瘤胃分泌物与脱落的组织。

本发明的技术方案如下：

一种瘤胃微生物燃料电池系统，包括阳极腔室和阴极腔室，其特征在于，阳极腔室和阴极腔室通过连通管道相连接，所述连通管道内设有质子交换膜；所述阳极腔室内装有阳极液，并设置有阳极电极；所述阴极腔室内装有阴极液，并设置有阴极电极；所述阳极电极和阴极电极通过导线与外电阻连接形成闭合回路；所述阳极电极和阴极电极通过导线与数据采集系统相连接，所述数据采集系统与电脑相连接；所述阳极液包含瘤胃液和培养基。

根据本发明优选的，所述瘤胃液是山羊进食2-5小时后，从山羊瘤胃内取出的瘤胃液。所述瘤胃液中包含有食物残渣；所述质子交换膜可市购获得。

根据本发明优选的，所述培养基的组成如下：k2hpo4400-500mg/l,kh2po4400-500mg/l，nacl800-1000mg/l,(nh4)2so4200-400mg/l，cacl2·2h2o100-150mg/l，mgso450-150mg/l。

优选的，所述培养基的组成如下：k2hpo4450mg/l,kh2po4450mg/l，nacl900mg/l,(nh4)2so4300mg/l，cacl2·2h2o120mg/l，mgso490mg/l。

优选的，所述瘤胃液与培养基的质量比为1∶90-110。

根据本发明优选的，所述阳极腔室和阴极腔室的底端设置有磁力搅拌子。所述磁力搅拌子用于搅拌腔室内的液体。

根据本发明优选的，所述阳极电极和阴极电极均为碳毡。

优选的，所述碳毡为经预处理的碳毡；所述预处理方法包括步骤如下：将碳毡依次在丙酮、质量浓度为15％的稀盐酸、质量浓度为15％的稀硝酸中分别浸泡0.5-2h，然后用去离子水冲洗直至中性。

根据本发明优选的，所述阴极液为摩尔浓度为30-70mmol/l的铁氰化钾溶液；优选的，所述阴极液为摩尔浓度为50mmol/l的铁氰化钾溶液。

优选的，所述铁氰化钾溶液为铁氰化钾磷酸盐缓冲水溶液，所述铁氰化钾磷酸盐缓冲水溶液中磷酸盐的摩尔浓度为30-70mmol/l；优选的，所述铁氰化钾磷酸盐缓冲水溶液中磷酸盐的摩尔浓度为50mmol/l。

根据本发明优选的，所述阳极腔室内设置有温度探头，阳极腔室表面包覆有电加热层，所述温度探头、电加热层与控温系统相连。

根据本发明，所述控温系统为现有技术，所述控温系统包括直流电源、温度传感器和温度控制器，所述直流电源与温度控制器的电源端连接，所述温度控制器的温度信号接收端与温度传感器的温度信号输出端连接，所述温度探头通过导线与温度传感器相连，所述电加热层通过导线与温度控制器相连。

根据本发明优选的，所述阳极腔室内设置有ph探头，所述ph探头通过导线与ph传感器相连。

根据本发明优选的，所述阳极腔室和阴极腔室顶端开口设置有堵塞，堵塞上设置有通孔；所述温度探头、导线以及ph探头穿过堵塞的通孔，并固定于堵塞上。

优选的，所述堵塞为橡胶堵塞。

采用上述瘤胃微生物燃料电池系统利用水葫芦产电的方法，包括步骤如下：

(1)将水葫芦晾干后，经粉碎，制得水葫芦粉末；

(2)将步骤(1)制备得到的水葫芦粉末加入阳极腔室，与瘤胃液和培养基混合均匀；向阳极腔室充氮气除氧，密封，控制阳极液的温度为35-45℃，调节ph为7-8；阳极液和阴极液均在磁力搅拌下，以水葫芦为底物开始发电。

根据本发明优选的，步骤(1)中所述经粉碎后得到目数为35-45目的水葫芦粉末。

根据本发明优选的，步骤(2)中所述水葫芦粉末和瘤胃液的质量比为1：2-4。

根据本发明优选的，步骤(2)中向阳极腔室充氮气20分钟除氧。

根据本发明优选的，步骤(2)中用质量浓度为5-10％的naoh水溶液调ph。

有益效果如下：

(1)本发明瘤胃液中微生物数量大，且种类很多，包括细菌、真菌、原生动物和小型后生动物；细菌包括:纤维降解菌、淀粉降解菌、半纤维降解菌、蛋白降解菌、脂肪降解菌、酸利用菌、乳酸产生菌等，原生动物主要为纤毛虫与鞭毛虫；利用瘤胃微生物主导的厌氧消化过程可以将难分解的纤维素类物质高效转化成挥发性有机酸或甲烷等能源物质；然后瘤胃微生物对所产生的大部分挥发性有机酸进行氧化利用产生电能。这样一方面避免了木质纤维素后处理复杂、易造成二次污染的问题，另一方面生物质原料作为一种可再生资源被转化为电能，同时能够用于制备一定量的挥发性有机酸、氢气和甲烷等，具有一定的经济效益。

(2)本发明将瘤胃液中的微生物与微生物燃料电池系统整合于一体，不仅可以实现水葫芦的有效降解，而且可以拓展到其它水生植物的处理；对水葫芦的降解率较高，达55％左右，降解过程回收了电能，价值转化率高，实现了废弃物的资源化再利用。

(3)本发明的瘤胃微生物燃料电池系统成本低、制备方法简单，占地面积小，管理维护简单，可以直接应用于水葫芦的降解和资源化再利用。

附图说明

图1是瘤胃微生物燃料电池系统的结构示意图。

其中，1、质子交换膜；2、阳极腔室；3、控温系统；4、ph传感器；5、阳极电极；6、磁力搅拌子；7、电加热层；8、阳极液；9阴极腔室；10、阴极电极；11、阴极液；12、电阻；13、数据采集系统；14、电脑。

图2是实施例2中以水葫芦粉末为底物的产电图谱。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明，但不限于此。

同时下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

50mmol/l的磷酸盐缓冲溶液的制备步骤如下：将nah2po4·2h2o10.86105g和nah2po4·2h2o6.08595g溶解于去离子水中，并定容至1l，即得。

实施例1

一种瘤胃微生物燃料电池系统，包括阳极腔室2和阴极腔室9，阳极腔室2和阴极腔室9通过连通管道相连接，所述连通管道内设有质子交换膜1；所述阳极腔室2内装有阳极液8，并设置有阳极电极5；所述阴极腔室9内装有阴极液11，并设置有阴极电极10；所述阳极电极5和阴极电极10通过导线与外电阻12连接形成闭合回路；所述阳极电极5和阴极电极10通过导线与数据采集系统13相连接，所述数据采集系统13与电脑14相连接；所述阳极液8包含瘤胃液和培养基；所述瘤胃液是山羊进食3小时后，从山羊瘤胃内取出的瘤胃液，瘤胃液中包含有食物残渣；所述瘤胃液的质量为4g，培养基的质量为400g；培养基的组成如下：k2hpo4450mg/l，kh2po4450mg/l，nacl900mg/l，(nh4)2so4300mg/l，cacl2·2h2o120mg/l，mgso490mg/l；

所述阳极腔室2和阴极腔室9的底端设置有磁力搅拌子6；

所述阳极电极5和阴极电极10均为经预处理的碳毡；所述预处理方法包括步骤如下：将碳毡在100ml丙酮、50ml质量浓度为15％的稀盐酸和50ml质量浓度为15％的稀硝酸中分别室温浸泡0.5h，然后用去离子水冲洗直至中性；

所述阴极液11为400g铁氰化钾磷酸盐缓冲水溶液；所述铁氰化钾磷酸盐缓冲水溶液中，铁氰化钾的摩尔浓度为50mmol/l，磷酸盐的摩尔浓度为50mmol/l；所述铁氰化钾磷酸盐缓冲水溶液的制备方法如下：将铁氰化钾溶解于50mmol/l的磷酸盐缓冲溶液中，即得。

所述阳极腔室2内设置有温度探头，阳极腔室2表面包覆有电加热层7，所述温度探头、电加热层与控温系统相连；阳极腔室2内还设置有ph探头，所述ph探头通过导线与ph传感器4相连。

所述控温系统为现有技术，所述控温系统包括直流电源、温度传感器和温度控制器，所述直流电源与温度控制器的电源端连接，所述温度控制器的温度信号接收端与温度传感器的温度信号输出端连接，所述温度探头通过导线与温度传感器相连，所述电加热层通过导线与温度控制器相连。

所述阳极腔室和阴极腔室顶端开口设置有橡胶堵塞，橡胶堵塞上设置有通孔；所述温度探头、导线以及ph探头穿过橡胶堵塞上的通孔，并固定于橡胶堵塞上。

实施例2

采用实施例1所述的瘤胃微生物燃料电池系统以水葫芦为底物产电的方法，包括步骤如下：

(1)将新鲜水葫芦在室外晾干后，经粉碎得到约40目的水葫芦粉末；

(2)将2g步骤(1)制备得到的水葫芦粉末加入阳极腔室2，与瘤胃液和培养基混合均匀；向阳极腔室2充氮气20分钟除氧，密封，控制阳极液的温度为39℃，用质量浓度为10％的naoh水溶液调节阳极液的ph为7；阳极液和阴极液均在磁力搅拌下，以水葫芦为底物开始发电。

图1是利用本实施例的方法以水葫芦粉末为底物进行产电的产电图。图中为两个完整周期的产电曲线，箭头表示重新加入水葫芦粉末。在水葫芦粉末加入之后，瘤胃微生物电池输出电压上升很快，第一个周期内很快达到60mv的输出电压，约15小时之后输出电压略微下降，但很快又上升，约40小时之后输出电压再次快速升高达到70mv的输出电压，并一直维持到12天；之后，由于水葫芦中可以被瘤胃微生物分解的成分消耗殆尽，产电能力急剧下降。在第二个周期重新加入水葫芦粉末后，可以观察到同样的变化规律，而且输出电压更高一点。在第一周期内每克水葫芦回收约400c电量，第二周期每克水葫芦回收约767c电量。上述间歇周期内生物电池的电压输出曲线相似性表明，水葫芦在该瘤胃微生物电池中经历了一个复杂的降解和产电过程。

而在没有加入水葫芦粉末的瘤胃微生物电池中，输出电压很低并且很快下降，这说明在瘤胃液和培养基中的营养物质不足以维持瘤胃微生物电池电能的输出。

结合水葫芦降解过程中产物的分析与产电曲线，可以得出瘤胃微生物电池中水葫芦降解和利用可以分成两阶段：第一阶段，水葫芦粉末加入后输出电压快速升高，经过一段时间后下降到一个相对较低的水平；相应地，挥发性脂肪酸的浓度增加，而溶解性糖的浓度下降；该阶段的糖主要来源于水葫芦的水解，然后转化为挥发性脂肪酸，进而产电微生物利用这些挥发性脂肪酸产电；第二阶段，输出电压先增加后在产电结束时加速下降，相应的挥发性脂肪酸和糖浓度的变化说明该阶段的电能主要来源于水葫芦的水解和酸化产物。因此，在水葫芦的瘤胃微生物降解过程中，水葫芦首先被水解为溶解性糖，然后转化为挥发性脂肪酸，而电能主要来源于瘤胃微生物对挥发性脂肪酸的氧化利用而产生的。

据文献报道，瘤胃微生物厌氧分解木质纤维素类物质主要有三个步骤，水解、酸化和产甲烷；在使用瘤胃微生物进行厌氧发酵时，乙酸和丙酸是主要的水相发酵产物，丁酸和戊酸含量较低；气相发酵产物主要是二氧化碳、甲烷和氢气。在瘤胃微生物为生物催化剂的瘤胃微生物电池中，水葫芦的转化途径则有所不同，主要差别在于产甲烷的步骤大部分转变为产电过程，只产生少量甲烷。