微生物燃料电池处理发酵废水的工艺方法

微生物燃料电池处理发酵废水的工艺方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种处理废水的工艺，特别是涉及一种微生物燃料电池处理发酵废水的工艺方法。微生物燃料电池用阳极材料的表面活化、改性，微生物燃料电池处理发酵污水体系的构建。尤其涉及以碱解法活化导电玻璃、酸解法活化碳布或碳毡、层层自组装多层膜修饰导电玻璃、碳布、碳毡阳极，处理以荷塘污泥、微生物驯化液及发酵污水构建的阳极底物体系，及微生物燃料电池处理发酵废水的工艺设计。
【背景技术】
[0002]微生物燃料电池(MFC)是以微生物为阳极催化剂，将有机质的化学能直接转化成电能的装置，具有产电与废物处理的双重功效。MFC的产电功率密度从最初的0.1 mff m2提升到6800 mff m2，发展迅猛，但还不足以面向实际应用。Fan等通过扩大反应器尺寸，采取双电极阵列以乙酸盐为底物使产电的体积功率密度达到了 2.87 kff m3,为MFC的工业化应用提供了可能，但是长时间运行后，MFC性能下降显著，距离MFC实现工业化的差距仍然很大。MFC的产电过程包括底物于阳极室在微生物作用下被氧化产生电子、质子及代谢产物；产生的电子从微生物细胞传递至阳极表面使电极还原；电子经由外电路到达阴极；产生的质子从阳极室迀移至阴极室到达阴极表面；在阴极室中的氧化态物质与阳极传递来的质子和电子于阴极表面发生还原反应五个步骤。MFC运行过程中电子不断产生、传递、流动形成电流，完成产电过程，污水底物被微生物氧化分解实现废物处理，其性能受生物电化学和传质过程的联合控制。
[0003]微生物附着并形成生物膜的基底是阳极材料的表面，因此，阳极材料表面的物化性质对微生物的附着与生物膜的形成起着关键作用，进而影响着阳极区域内的电子、质子、底物和产物的传输。研究表明，现有的阳极材料的表面通常缺少活性基团，并较为疏水，极大的阻碍了导电微生物的附着和成膜，而通过碱解法、酸解法活化材料表面，可较大程度的提高材料的亲水性能，从而加速微生物的附着。而基于层层自组装技术的聚电解质多层膜具有优良的电化学及质子传导性能，通过改变多层膜结构或引入功能性组分如纳米粒子等可以改变阳极材料表面的物化性能，促进微生物的附着和成膜，并加速电子从生物膜到阳极的传递，质子从生物膜向膜外区扩散。发酵废水含有丰富的有机质等能量，荷塘污泥中含有丰富的微生物群落，因此，用MFC处理发酵废水，研究含有荷塘污泥的阳极底物体系的产电性能，将有利于此体系中优势产电菌的发现和筛选。为MFC的发展做出更多的贡献。

【发明内容】

[0004]本发明的目的在于提供一种微生物燃料电池处理发酵废水的工艺方法，该方法以碱解法活化导电玻璃、酸解法活化碳布或碳毡、层层自组装多层膜修饰导电玻璃、碳布、碳毡阳极，处理以荷塘污泥、微生物驯化液及发酵污水构建的阳极底物体系，及微生物燃料电池处理发酵废水的工艺构建，提高以荷塘污泥为微生物源处理发酵废水的产电效率，COD去除率，获得高效产电和处理污水能力的微生物燃料电池体系及工艺。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
微生物燃料电池处理发酵废水的工艺方法，所述方法用碱解法活化导电玻璃，使其表面产生活性基团，用酸解法活化碳布和碳毡，使其表面带有氨基，用层层自组装技术在上述活化后的材料表面进行多层膜的组装，将活化及多层膜修饰后的阳极材料用于微生物燃料电池反应器处理发酵废水；包括如下工艺:
1)将长为2-20Cm，宽为2-20 cm的导电玻璃，用碱解法活化导电玻璃，层层组装，在活化后的导电玻璃表面交替组装上阳离子型和阴离子型化合物，阳离子型化合物包括水溶性壳聚糖、聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDADMAC)、聚丙烯氨盐酸盐(PAH)阳离子型聚电解质，阴离子型化合物包括聚苯乙烯磺酸盐(PSS)，a -Fe2O3等阴离子型聚电解质或负电性纳米粒子;
2)将长为2-20cm，宽为2-20 cm的碳布、碳租用酸解法进行活化，之后在酸性活化的碳布、碳毡上交替组装上阳离子型和阴离子型化合物，阳离子型化合物包括水溶性壳聚糖、PDADMAC, PAH等阳离子型聚电解质，阴离子型化合物包括PSS，a -Fe2O3等阴离子型聚电解质或负电性纳米粒子；
3)碱解法活化导电玻璃，用1-5%的乙酸/氢氧化钠溶液，在超声中处理3-10分钟；
4)酸解法活化碳布或碳毡，用弄硝酸处理碳布或碳毡5-20分钟，获得表面酸化，亲水性良好的导电碳布、碳租;
5)微生物燃料电池处理发酵废水的阳极液组成:0-100g河塘污泥、0-500ml发酵废水、
0-300ml微生物驯化液(每500ml阳极液)在恒温培养箱37°C下培养0_7天所得；阴极液组成:10-200mM铁氰化钾或氯化钠溶液；
6)微生物燃料电池的组装:外接电阻为0-99999欧姆，采用电流或电压数据采集卡，微生物燃料电池阳极生物膜的电化学活性测量采用电化学工作站进行测量；
7)微生物燃料电池反应装置为双室型微生物燃料电池反应器，以杜邦N117质子交换膜分隔阳极室和阴极室。
[0006]所述的微生物燃料电池处理发酵废水的工艺方法，所述用碱解法活化导电玻璃，及在酸性活化的碳布、碳毡上交替组装上阳离子型和阴离子型化合物，其组装层数为0-12层，单层组装时间为20分钟，交换溶液时用水或微生物驯化液浸泡3分钟。
[0007]所述的微生物燃料电池处理发酵废水的工艺方法，所述阳离子型化合物，及阴离子型化合物，其溶液浓度为0.05-lmg/mL。
[0008]所述的微生物燃料电池处理发酵废水的工艺方法，所述微生物燃料电池阳极材料，其特征在于电极的长度为2-20cm，宽度为2-20cm。
[0009]所述的微生物燃料电池处理发酵废水的工艺方法，所述导电基底材料包括导电玻璃、碳布或碳毡。
[0010]本发明的微生物燃料电池处理发酵污水系统，以微生物含量丰富的荷塘污泥及发酵污水为底物。
[0011]通常，每500ml阳极液底物中荷塘污泥的含量为0-100g，发酵废水0_500ml、微生物驯化液0-300ml，在恒温培养箱37°C下培养0_7天所得。其中，微生物驯化液的配方如下:2.5g碳酸氢钠，0.08g氯化钙，0.2g氯化镁，1g氯化钠，0.82g乙酸钠，Ig氯化铵。以10-200mM的铁氰化钾或氯化钠溶液作为阴极液。
[0012]微生物燃料电池处理发酵废水的具体步骤:
O导电玻璃的表面活化:将切好的导电玻璃置于1-5%的乙酸的氢氧化钠溶液中超声5-20分钟，然后在再在无水乙醇中超声5-20分钟，最后用超纯水超声5-20分钟。
[0013]2)碳布或碳毡的表面活化:将剪好的碳布浸泡在浓硝酸里，37°C下酸解5-20分钟，然后用超纯水清洗几遍，待洗净后备用。
[0014]3)层层自组装化合物修饰阳极材料:将活化后的导电玻璃或碳布、碳毡通过层层自组装组装上阳离子和阴离子化合物，阳离子型化合物包括水溶性壳聚糖、PDADMAC, PAH,阴离子型化合物包括PSS，C1-Fe2O3等阴离子型聚电解质或电负性纳米粒子。组装层数为
0-10层。单层组装时间为20分钟，交换溶液时用水或微生物驯化液浸泡3分钟。由于微生物带负电，因此组装最外层为带正电的水溶性壳聚糖、PDADMAC, PAH等。
4)以步骤1)、2)、3)制得的阳极材料为微生物燃料电池反应器的阳极，以未处理的相应的导电玻璃、碳布和碳毡为阴极。以驯化0-7天的污水为阳极液，以10-200mM的铁氰化钾或氯化钠为阴极液组装微生物燃料电池。为了防止导出电子的夹子被腐蚀，电极材料的高度设置为高出液面1cm，电极材料距质子膜的距离为l-6cm。采用电流或电压数据采集卡，外接电阻为0-99999 Ω，连通电路后电池正式开始运行，采用的是间歇流，运行时间为7-14天。检测参数包括:阳极材料表面形貌、改性后阳极材料表面形貌、微生物燃料电池的产电量、COD去除率、pH值、总固、电导率、最大输出功率、电池内阻等。
[0015]本发明中，所说的微生物燃料电池反应器是双室型微生物燃料电池反应器，以杜邦NI 17质子交换膜分隔阴极室和阳极室。
[0016]本发明的优点与效果是:
MFC作为新兴的科技，它不仅能处理各种有机废水而且在处理废水时变废为宝，产生电能。它的出现是对传统有机废水处理技术和观念的重大革新，目前正在引起世界范围内的广泛关注，日渐成为环境科学与工程和电化学领域一个新的研究热点。在目前能源短缺，环境污染的前提下，若MFC实现工业化运行，必将带来很大的社会经济效益。由于各种因素的限制，比如产电效率底，材料昂贵等，MFC远没有实现商业化运行，目前只是停留在实验室研究阶段，本发明主要是利用碱解法活化导电玻璃、酸解法活化碳布或碳毡，改变材料表面的表面电荷、亲疏水性以促进微生物的附着和成膜，通过层层自组装对活化后阳极材料进行改性，改变材料表面物化性能以促进优势产电菌的附着和成膜，以微生物源丰富的荷塘污泥为底物处理发酵废水，监测其产电量，微生物活性，COD去除率等。以期获得产电率高、COD去除率好的微生物燃料电池体系，并着重于提高其产电效率。在兼顾发电和同步废水处理的双重目标基础上，为MFC运行的优化提供切实可行的理论依据，具有重要的科学意义和参考价值。