專利名稱：一種處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的裝置及技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于廢水處理領(lǐng)域。涉及微生物燃料電池，具體的說是ー種雙室光合微生物燃料電池及其低能耗處理畜禽養(yǎng)殖廢水的裝置和方法。
背景技術(shù)：
畜牧養(yǎng)殖已成為水環(huán)境污染的三大源頭之一，畜禽糞尿的淋溶性很強，糞尿中的氮、磷及水溶性有機物等淋溶量很大，如不妥善處理，就會通過地表徑流和滲濾進入地下水層污染地下水。對地表水的影響則主要表現(xiàn)為，大量有機物質(zhì)進入水體后，有機物的分解將大量消耗水中的溶解氧，使水體發(fā)臭；當(dāng)水體中的溶解氧大幅度下降后，大量有機物質(zhì)可在厭氧條件下繼續(xù)分解，分解中將會產(chǎn)生甲烷、硫化氫等有毒氣體，導(dǎo)致水生生物大量死亡；氮、磷可使水體富營養(yǎng)化，富營養(yǎng)化的結(jié)果會使水體中硝酸鹽和亞硝酸鹽濃度過高，人畜若長期飲用會引起中毒，而ー些有毒藻類的生長與大量繁殖會排放大量毒素于水體中，導(dǎo)致水生動物的大量死亡， 從而嚴(yán)重地破壞了水體生態(tài)平衡。對如何處理畜禽養(yǎng)殖廢水，目前尚缺乏成功的經(jīng)驗。傳統(tǒng)的污水生物或物化處理方法不能用于豬場的污水處理，因為對有機質(zhì)與氨氮濃度都很高的豬場廢水無法直接用好氧方法處理，即使經(jīng)稀釋或預(yù)處理后能用好氧或厭氧-好氧組合エ藝處理，也因動カ能耗大、成本高而使豬場根本無法承受，更不用說還要花同處理廢水相當(dāng)?shù)馁Y金對產(chǎn)生的剰余污泥進行處理處置。同吋，經(jīng)這些生物方法處理后的出水N、P含量仍然很高而達不到排放標(biāo)準(zhǔn)，大量排放將造成近岸海域的富營養(yǎng)化和赤潮，同時也是ー種資源浪費。對如何經(jīng)濟有效地處理豬場廢水是當(dāng)今環(huán)境污染防治十分關(guān)注的問題，
近年來，畜禽養(yǎng)殖廢水處理的技術(shù)快速發(fā)展，專利申請?zhí)枮镃N201210184137.8，發(fā)明名稱為“利用畜禽糞便初級廢水生產(chǎn)微藻的方法”利用位置哦對廢水中的N、P及有機質(zhì)有較強的去除能力降低了出水中的氮磷濃度，同時獲得了生物質(zhì)，但是用于養(yǎng)藻的廢水進過稀釋、通過臭氧曝氣滅菌，エ序復(fù)雜，成本較高。專利申請?zhí)枮镃N2008201211891.5，發(fā)明名稱為“一體化畜禽廢水生物處理裝置”處理畜禽養(yǎng)殖廢水，裝置復(fù)雜，處理周期長。因而需要發(fā)展有效、簡單而又能夠資源化畜禽養(yǎng)殖廢水的方法。然而利用光合細(xì)菌與微藻應(yīng)用于生物燃料電池處理養(yǎng)殖廢水，在污水凈化的同時生產(chǎn)菌藻蛋白和生物油脂方面的研究還沒有見到任何報導(dǎo)。通過菌藻回收動物糞尿水中的碳、氮、磷的同時產(chǎn)生清潔電能具有很高的經(jīng)濟效益。

發(fā)明內(nèi)容
1、技術(shù)方案:本發(fā)明的目的是提供ー種畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的裝置及方法，陽極光合細(xì)菌代謝畜禽養(yǎng)殖廢水中有機物產(chǎn)生電子和質(zhì)子，降低出水C0D，陰極微藻吸收氮磷的同時光合作用提供了充足的溶氧作為電子受體，省去陰極常用的機械曝氣，節(jié)省耗能；該裝置在去除畜禽養(yǎng)殖廢水有機物、氮、磷的同吋，獲得菌藻蛋白和生物質(zhì)并產(chǎn)生電能。
2、具體的運用方法:利用光微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的裝置，由陽極室、陰極室、陽極、陰極、隔膜、進水口、出水ロ、外電路構(gòu)成，其特征在于該裝置陽極室側(cè)壁下部分出水ロ與陰極室進水口相連，裝置陰極室和陽極室采用透光材料制成，陽極室內(nèi)接種光合細(xì)菌，陰極室接種微藻。所述利用光微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的裝置，陽極室和陰極室采用鋼化玻璃、有機玻璃、透明PVC板材、透明PC/PVC片材、壓克力板透明材料制成。所述利用光微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的裝置，采用紅、藍光源、白熾燈、日光燈、太陽光光源。所述利用光微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的裝置，陽、陰極的材料為碳布、碳?xì)?、碳紙、石墨板、不銹鋼、鈦網(wǎng)、及生物質(zhì)碳化材料。利用光微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的方法，畜禽養(yǎng)殖廢水通過陽極進水口加入陽極室，陽極室與空氣隔絕，形成厭氧環(huán)境，陽極室光合細(xì)菌以廢水中有機物為燃料，代謝有機物產(chǎn)生電子和質(zhì)子分別通過外電路和隔膜到達陰極室，陽極室出水通過陰極室進水口進入陰極，陰極室微藻吸收陽極室出水氮磷促進其生長，光照條件下光合作用產(chǎn)生的氧氣與來自陽極室的電子和質(zhì)子結(jié)合生成水產(chǎn)生電能。收獲陽極室光合細(xì)菌可提取細(xì)菌蛋白用于飼料生產(chǎn)，陰極室微藻經(jīng)過濃縮、提取、轉(zhuǎn)脂制備生物柴油。所述利用光微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的方法，陰極接種微藻為小球藻、擬微綠球藻、柵藻、金藻、紫球藻、三角褐脂藻、雨聲紅球藻、魚腥藻、集胞藻、聚球藻。所述利用光微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的方法，陽極接種光合細(xì)菌為紅螺菌、紅假單胞菌和紅微菌。

所述利用光微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的方法，陽極光合細(xì)菌及陰極微藻采用膜分離或離心收獲菌體和微藻。所述利用光微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的方法，微生物燃料電池光照強度為2000-10000 lux，培養(yǎng)溫度為23-35°C
所述的利用畜禽糞便初級廢水生產(chǎn)微藻的方法，將培養(yǎng)至對數(shù)生長期的光合細(xì)菌和微藻以2 20%的接種量接種到陽極室和陰極室。
3、有益效果:提供ー種利用光微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的裝置及方法，本發(fā)明在去除畜禽養(yǎng)殖廢水有機物、氮、磷的同時，能夠獲得菌藻蛋白和用于制備生物油脂的微藻，并產(chǎn)生清潔電能；陰極微藻光合作用提高了陰極室溶氧，取消了常用的機械曝氣；同時解決傳統(tǒng)陰極需定期更換陰極電解液問題，實現(xiàn)真正意義上可持續(xù)性的MFC。該裝置具有設(shè)計簡單，方法可操作性強，運行費用大大降低等優(yōu)點，有利于實現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖廢水資源化，降低其處理成本。


圖1是本發(fā)明利用光微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的裝置示意圖。圖中標(biāo)示:1_外電阻、2-陽極進水口、3-陰極、4-陰極進水口、5-陽極出水ロ、6-陽極、7-陽極出水口、8-質(zhì)子膜、9-泵。圖2是本發(fā)明具體實施方式
中畜禽養(yǎng)殖廢水陽極光合菌處理COD變化和電池電壓變化過程圖。圖3是本發(fā)明具體實施方式
中畜禽養(yǎng)殖廢水陽極光合菌處理銨態(tài)氮變化過程圖。圖4是本發(fā)明具體實施方式
中畜禽養(yǎng)殖廢水近陽極光合細(xì)菌處理后，加入陰極培養(yǎng)微藻前后銨態(tài)氮含量變化過程圖。圖5是本發(fā)明具體實施方式
中畜禽養(yǎng)殖廢水近陽極光合細(xì)菌處理后，加入陰極培養(yǎng)微藻前后總磷含量變化過程圖。圖6是本發(fā)明具體實施方式
中畜禽養(yǎng)殖廢水近陽極光合細(xì)菌處理后，加入陰極培養(yǎng)微藻前后總氮含量變化過程圖。圖7是本發(fā)明具體實施方式
中畜禽養(yǎng)殖廢水近陽極光合細(xì)菌處理后，加入陰極培養(yǎng)微藻過程中微藻生長曲線。圖8是本發(fā)明具體實施方式
中畜禽養(yǎng)殖廢水近陽極光合細(xì)菌處理后培養(yǎng)陰極微藻總脂含量
具體實施例方式本發(fā)明提供了ー種利用光微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的裝置及方法，以下結(jié)合附圖對具體實施方式
加以說明。裝置實施例:本實施例利用光微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的裝置(圖1)，包括厭氧透明陽極室和好氧透明陰極室；陽極室和陰極室之間采用質(zhì)子交換膜進行分隔；陽極和陰極通過導(dǎo)線和外電阻連成閉合回路。畜禽養(yǎng)殖廢水從陽極進水ロ加入陽極室，在密閉的陽極厭氧環(huán)境中，陽極室內(nèi)的光合細(xì)菌通過代謝將廢水中的有機物產(chǎn)生電子、質(zhì)子，電子經(jīng)外電路轉(zhuǎn)移到陰極，質(zhì)子經(jīng)由質(zhì)子交換膜擴散到陰極。陽極室出水通過陰極進水孔進入陰扱，陰極微藻吸收廢水中的氮磷等營養(yǎng)元素，通過光合作用提高陰極室溶氧，陰極室內(nèi)的氧氣與從陽極通過導(dǎo)線傳遞到陰極室的電子和透過質(zhì)子交換膜進入陰極室的質(zhì)子結(jié)合生成水達到穩(wěn)定產(chǎn)電的同時有效去除畜禽養(yǎng)殖廢水中C0D、N、P等污染物并獲得菌藻蛋白。實施例1:通過陽極加樣ロ向陽極室注入畜禽養(yǎng)殖廢水，按2%_20%比例接種光合細(xì)菌，接種完畢后密閉陽極室與空氣隔絕，以日光燈、白熾燈、LED燈或太陽作為光源，光強控制在2000-10000 lux，溫度控制23-35°C，陰極微藻產(chǎn)光合作用產(chǎn)生氧氣做為電子受體，系統(tǒng)處理50h后，畜禽養(yǎng)殖廢水COD去除率達94.4%，外載為1000 Q條件下電壓最高可到160 mv (圖2)，畜禽養(yǎng)殖廢水氨氮去除率為90.4% (圖3)。實施例2:陽極出水ロ與陰極進水口相連，用泵將陽極處理萬的畜禽養(yǎng)殖廢水蹦到陰極室，將培養(yǎng)至對數(shù)生長期的微藻按2-20%的接種量分別接種到陰極室液體中，微藻濃度約為0.1-0.5 g/L，培養(yǎng)的溫度為23°C-35°C。通過陽極加樣ロ向陽極室注入畜禽養(yǎng)殖廢水，按2%-20%比例接種光合細(xì)菌，以日光燈、白熾燈、LED燈或太陽作為光源，光強控制在2000-10000 lux,陽極出水培養(yǎng)微藻13天后，氨氮去除率為86.8% (圖4)總磷和總氮去除率分別為90.4%和96.7%(圖5，圖6)，微藻細(xì)胞密度測定采用分光光度法，將陰極藻液稀釋至一定倍數(shù)，測定波長680nm下的吸光度，畜禽養(yǎng)殖廢水未經(jīng)陽極光合細(xì)菌處理直接養(yǎng)藻組接種初期OD68tl為0.952，培養(yǎng)13天后為1.23，經(jīng)過陽極光合細(xì)菌處理后畜禽養(yǎng)殖廢水泵入陰極室培養(yǎng)微藻，微藻OD68tl由初始的0.932經(jīng)過13天的生長后達4.04 (圖7)。實施例3:陰極室微藻培養(yǎng)13天后油脂含量為28.2%，略低于BGll培養(yǎng)基培養(yǎng)相同時間微藻油脂含量(圖8)，具體測定方法為取40 mL藻液，離心濃縮至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離心10 min,吸取全部氯仿層(底層)，60°C氮吹.將吹干后的離心管置于室溫下干燥至恒重，稱取離心管前后質(zhì)量變化，即油脂重量，油脂重量與提取油脂藻干重之比即可得出油脂含量。實施例4:本實施例利用畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的裝置，陽極室和陰極室為有效容積4cm*4cm*6cm的長方體，隔開陽極室和陰極室的質(zhì)子交換膜有效面積為16cm2。電路中1000 Q外電阻，輸出電壓通過數(shù)據(jù)米集器(Model 27XX integral series,Keithley Intruments Inc USA)自動記錄到計算機中(5min/次),開路電壓用數(shù)字萬用表測定。陽極進水自廈門某畜禽養(yǎng) 殖場。
權(quán)利要求
1.用光微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的裝置，由陽極室、陰極室、陽極、陰極、隔膜、進水口、出水ロ、外電路構(gòu)成，其特征在于該裝置陽極室側(cè)壁下部出水口與陰極室上部進水口相連，裝置陰極室和陽極室采用透光材料制成，陽極室內(nèi)接種光合細(xì)菌，陰極室接種微藻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的裝置，其特征在于:陽極室和陰極室采用鋼化玻璃、有機玻璃、PVC透明板材、PC/PVC透明片材、壓克力板透明材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的裝置，其特征在于:所述光微生物燃料電池采用LED紅、藍光源、白熾燈、日光燈、太陽光光源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的裝置，其特征在于:所述陽、陰極材料為碳布、碳?xì)?、碳紙、石墨板、不銹鋼、鈦網(wǎng)、及生物質(zhì)碳化材料。
5.用光微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的方法，其特征在于:畜禽養(yǎng)殖廢水通過陽極進水口加入陽極室，陽極室與空氣隔絕，形成厭氧環(huán)境，陽極室光合細(xì)菌以廢水中有機物為燃料，代謝有機物產(chǎn)生電子和質(zhì)子分別通過外電路和隔膜到達陰極室，陽極室出水通過陰極室進水口進入陰極，陰極室微藻吸收陽極室出水氮磷促進其生長，光照條件下光合作用產(chǎn)生的氧氣與來自陽極室的電子和質(zhì)子結(jié)合生成水產(chǎn)生電能；收獲陽極室光合細(xì)菌可提取細(xì)菌蛋白用于飼料生產(chǎn)，陰極室微藻經(jīng)過濃縮、提取、轉(zhuǎn)脂制備生物柴油。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用光微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的方法，其特征在于:陰極接種微藻為小球藻、擬微綠球藻、柵藻、金藻、紫球藻、三角褐脂藻、雨聲紅球藻、魚腥藻、集胞藻、聚球藻。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用光微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的方法，其特征在于陽極接種光合細(xì)菌為紅螺菌、紅假單胞菌和紅微菌。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用光微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的方法，其特征在于陽極光合細(xì)菌及陰極微藻采用膜分離或離心收獲菌體和微藻。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用光微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的方法，其特征在于微生物燃料電池光照強度2000-10000 lux，培養(yǎng)溫度為23-35°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用畜禽糞便初級廢水生產(chǎn)微藻的方法，其特征在于將培養(yǎng)至對數(shù)生長期的光合細(xì)菌和微藻以2-20%的接種量分別接種到陽極室和陰極室。
全文摘要
本發(fā)明屬于污水控制技術(shù)領(lǐng)域的利用光微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水耦合生產(chǎn)生物柴油的裝置及方法。本發(fā)明涉及的光生物燃料電池，包括接種光合細(xì)菌的透光陽極室和接種微藻透光陰極室，兩室之間由質(zhì)子交換膜隔開，陽極和陰極分別固定于陽、陰極室內(nèi)。陽極室與空氣隔絕形成厭氧環(huán)境，陽極光合細(xì)菌代謝畜禽養(yǎng)殖廢水中的有機物產(chǎn)生質(zhì)子和電子，陰極室接種的微藻吸收陽極出水氮、磷促進其生長，微藻光合作用提供了充足的溶解氧作為電子受體。本裝置陽、陰極室接種光合微生物，提高了光利用率，陽極室光合細(xì)菌可用于生產(chǎn)菌蛋白，陰極室微藻可提取油脂。本方法具有有機物、N、P處理好，抗沖擊負(fù)荷能力強、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點。
文檔編號C12R1/89GK103086520SQ20131002531
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月23日
發(fā)明者趙峰, 吳義誠, 王魯, 鄭越 申請人:中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所