專利名稱：將有機廢水能源化的微生物燃料電池接種和馴化啟動方法
技術領域：
本發(fā)明涉污水處理領域，特別是一種用于處理高濃度有機廢水的微生物燃料電 池接種和馴化啟動方法，如可用于處理醬釀造廢水類似的高濃度有機廢水，也可以 用于處理生活污水。
背景技術：
科學技術的進步推動社會經(jīng)濟快速發(fā)展，方便了人們的現(xiàn)代生活，而這種快 速發(fā)展是以能源消耗和環(huán)境污染為代價的。能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要資 源，傳統(tǒng)能源日益枯竭，能源供需矛盾日趨明顯，不可再生的化石燃料的大量消耗 污染了環(huán)境，環(huán)境污染的代價日趨沉重。水是不可替代的重要自然資源，是人類生 產(chǎn)生活不可或缺的物資，更是生態(tài)系統(tǒng)的重要控制性因素。傳統(tǒng)能源面臨枯竭而價 格不斷走高的壓力，其使用過程污染了水源水質，使水資源危機更加突出。能源、 環(huán)境和水資源短缺問題的多重壓力限制了社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。
解決上述問題需要綜合考慮能源、環(huán)境和水資源問題之間的相互作用關系。綠 色可更新能源的開發(fā)利用是緩解能源、環(huán)境和水資源短缺問題的有效途徑之一。我 國城市和工業(yè)行業(yè)每年排放數(shù)百億噸廢水，多數(shù)種類的廢水含有的主要污染物是 BODs禾B COD,每年COD去除量近1.5X107t，近年來廢水處理費用快速攀升，超 過了 4X1(T元，將來這一費用還要快速升高；各類廢水都遠遠超過環(huán)境負荷，其 生態(tài)毒性明顯；另一方面，廢水有機污染含有大量可以回收利用的化學能，處理廢 水的同時回收能源，將含有大量COD的廢水開發(fā)為綠色可更新能源，可同時收獲 環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。微生物燃料電池能夠產(chǎn)生電能，同時去除有機污染物，是利 用微生物作為生物催化劑，將廢水中有機污染物化學鍵中儲存的化學能轉化為電 能，通過電荷轉移，即呼吸作用產(chǎn)生的電子傳遞到電極上將能量輸出，在常溫常壓 下完成能量轉換。微生物燃料電池通常由兩個電極室組成陽極室和陰極室。在陽 極室內(nèi)，厭氧產(chǎn)電菌將作為電子供體的有機污染物氧化釋放電子和質子，電子經(jīng)過 外電路轉移到陰極并釋放攜帶的能量，質子經(jīng)過離子交換膜專轉移到陰極。在陰極 室內(nèi)，電子、質子和電子受體發(fā)生還原反應。微生物燃料電池技術出現(xiàn)使將有機廢 水開發(fā)為可更新能源變?yōu)榭赡?，在能源和環(huán)境問題日益突出的今天，這無疑具有重
4大環(huán)境和經(jīng)濟效益。
近年來微生物燃料電池技術取得較大進展，但在處理有機廢水并產(chǎn)電的運行實 驗中，仍面對菌種選擇、運行操作方面各類問題，如啟動時間過長，即產(chǎn)電菌富集 和馴化時間長，產(chǎn)電效果差等問題，這些問題在中試和未來的生產(chǎn)性實驗都將影響 微生物燃料電池技術的應用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種將有機廢水能源化的微生物燃料電池接種和馴化啟 動方法。該方法通過對微生物燃料電池厭氧微生物產(chǎn)電菌的選擇，為高效的有機污 染物生化處理和電能回收打下基礎，在微生物燃料電池陽極室富集產(chǎn)電菌，通過使 用待處理廢水循序漸進馴化產(chǎn)電菌，提高微生物燃料電池產(chǎn)電性能和有機污染物去 除效率。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了一種將有機廢水能源化的微生物燃料電池接種 和馴化啟動方法，其特征在于所述陽極室內(nèi)加入微生物營養(yǎng)液，并接種混合菌種液 作為啟動陽極液，陰極室以硝酸鈉溶液為陰極液，陽極液經(jīng)過多次逐步更換微生物 營養(yǎng)液，在多個產(chǎn)電周期后，使電池保持穩(wěn)定電壓輸出，陽極液中的產(chǎn)電菌富集完 成；然后再對陽極液多次逐步更換微生物營養(yǎng)液和待處理有機廢水的混合液，馴化 產(chǎn)電菌，直至營養(yǎng)液全部更換成待處理有機廢水做為陽極液，且保持穩(wěn)定電壓輸 出，完成馴化啟動。
本發(fā)明具有以下有益效果
1) 保證了產(chǎn)電菌種來源的多樣性，產(chǎn)電菌的代謝活動是微生物燃料電池產(chǎn)電 的基礎，高效的產(chǎn)電菌種是微生物燃I4電池高效率的保證；
2) 循序漸進馴化，在陽極產(chǎn)電菌富集完成后，以不影響電壓輸出為前提，逐 步增加待處理廢水，馴化過程平穩(wěn)；
3) 操作簡單，本方法具有可操作性，步驟簡單，在實際工程應用中容易實 施；
4) 實用性強，對于用于處理不同廢水的微生物燃料電池，都可以使用；
5) 成本低，所使用產(chǎn)電菌營養(yǎng)液常規(guī)成分簡單，使用成本低，具有經(jīng)濟有效 性；
6) 適合用于對廢水的分散處理和集中處理的微生物燃料電池的接種和馴化和 啟動。7)采用本發(fā)明，可以較低成本有效啟動微生物燃料電池處理各類有機廢水， 能以較高庫倫效率將有機污染物中的化學能以電能的形式回收，去除廢水 中有機污染物。
圖l適合微生物燃料電池處理的有機廢水樣品； 圖2是處理醬油釀造廢水的微生物燃料電池電壓輸出曲線。
具體實施例方式
本發(fā)明將有機廢水能源化的微生物燃料電池接種和馴化啟動方法，具體按下列 步驟進行
1) 混合菌種液制備采集土壤上清液，按照體積比10-50%加入0.5-1.5g/L乙
酸鈉溶液，放入?yún)捬跖囵B(yǎng)箱中保存?zhèn)溆茫?br>
2) 混合菌種液接種在陽極室中注入乙酸鈉溶液50-150ml，接種步驟l)中 制備的混合菌種液50-350ml，并加入微生物營養(yǎng)液5-20ml;在陰極中注 滿硝酸鈉溶液；
3) 在室溫下放置，直到開始穩(wěn)定輸出電壓；
4) 產(chǎn)電菌富集當電壓出現(xiàn)下降時，用微生物營養(yǎng)液更換30-100%陽極液，
電壓恢復穩(wěn)定并持續(xù)運行；電壓輸出再次下降，再次更換30-100%陽極 液，輸出電壓升高并穩(wěn)定輸出；直到每個循環(huán)的輸出電壓穩(wěn)定峰值相同， 產(chǎn)電菌富集完成；
5) 產(chǎn)電菌馴化當電壓再次出現(xiàn)下降，開始用微生物營養(yǎng)液和待處理有機廢 水的混合液更換陽極液；第一次更換陽極液時，待處理有機廢水占陽極室 體積5-10%，電壓恢復穩(wěn)定并持續(xù)運行；之后每次電壓輸出出現(xiàn)下降，均 使用微生物營養(yǎng)液和待處理有機廢水的混合液更換陽極液，且每次待處理 有機廢水比例以5-15%的倍數(shù)逐步提高，直至全部使用待處理有機廢水更 換陽極液；
6) 完成啟動陽極液完全更換為待處理有機廢水，輸出電壓穩(wěn)定時，微生物 燃料電池接種和馴化啟動完畢，進入穩(wěn)定的運行狀態(tài)。
所述混合菌種液由下列菌種制備污水廠入口處生活污水，活性污泥法污水處 理廠二沉池活性污泥，土壤濾清液或廢水處理生物反應器中液體的一種或幾種。
所述微生物營養(yǎng)液成分為乙酸鈉500-1200mg/L， N元素50-120mg/L， P元素3000-7000mg/L和K元素30-150 mg/L。
所述待處理有機廢水可以是生活污水或其它有機廢水。
下面結合具體實施例來闡述應用本發(fā)明對微生物燃料電池的啟動
1. 混合菌種液制備對于產(chǎn)電菌種采集，可以是污水廠入口處生活污水，活 性污泥法污水處理廠二沉池活性污泥，土壤濾清液或廢水處理生物反應器 中液體的一種或幾種，可供給保證產(chǎn)電菌種來源。按照體積比10-50%在 所采集樣品中加入0.8-lg/L乙酸鈉溶液，放入?yún)捬跖囵B(yǎng)箱中保存?zhèn)溆谩?br>
2. 采用適合產(chǎn)電菌需要的微生物營養(yǎng)液，微生物營養(yǎng)液成分為乙酸鈉800-1000mg/L， N元素80-100mg/L， P元素5000-6000mg/L， K元素80-100 mg/L 。
3. 產(chǎn)電菌富集在注有乙酸鈉溶液80-100ml和8-15ml微生物營養(yǎng)液的微生 物燃料電池陽極室中，接種采集到的混合菌種液100-200ml，在陰極中注 滿硝酸鈉溶液，開始運行，輸出電壓經(jīng)過上升、穩(wěn)定和下降這一周期后， 用微生物營養(yǎng)液更換30-100%更換陽極液，進入下一個產(chǎn)電周期，這樣經(jīng) 過多個產(chǎn)電周期后，輸出電壓最高值不再升高，產(chǎn)電菌富集完成。
4. 產(chǎn)電菌馴化在產(chǎn)電菌富集步驟完成基礎上開始產(chǎn)電菌馴化。在第一個產(chǎn) 電周期，于陽極室內(nèi)注入體積比為5-10%待處理有機廢水，此后周期以5-15%的倍數(shù)逐漸增加待處理廢水注入量，以不影響電壓輸出穩(wěn)定為準，直 至營養(yǎng)液全部提換成有機廢水。
5. 完成啟動在5)步驟完成后，在幾個運行周期內(nèi)電壓輸出基本保持平 穩(wěn)，可以逐步縮減水力停留時間HRT,調(diào)整微生物燃料電池運行條件，接 近生產(chǎn)要求，完成啟動。待處理有機廢水逐步加入。
本發(fā)明可以用來處理不同種類的有機廢水，例如圖1所示1為醬油釀造廢 水，處理難點是高COD，高色度，懸浮物含量高；2為生活污水，植物營養(yǎng)元素 含量高；3為食醋釀造廢水，pH值低，揮發(fā)性氣體含量高，COD含量高。本發(fā)明 也可以用于處理其他種類廢水。
本發(fā)明通過將有機廢水能源化的微生物燃料電池接種和馴化啟動，直至全部使 用待處理有機廢水做為陽極液的過程，使微生物燃料電池能夠產(chǎn)生電能，同時去除 有機污染物，是利用產(chǎn)電菌作為生物催化劑，將廢水中有機污染物化學鍵中儲存的 化學能轉化為電能，通過電荷轉移，即呼吸作用產(chǎn)生的電子傳遞到電極上將能量輸 出，在常溫常壓下完成能量轉換。在陽極室內(nèi)，厭氧產(chǎn)電菌將作為電子供體的有機
7污染物氧化釋放電子和質子，電子經(jīng)過外電路轉移到陰極并釋放攜帶的能量，質子 轉移到陰極。在陰極上，電子、質子和電子受體發(fā)生還原反應。
實施例1
用微生物燃料電池處理生活污水、回收電能。
1) 混合菌種制備，取土壤上清液，按照體積比10%在土壤上清液中加入lg/L
乙酸鈉溶液，放入?yún)捬跖囵B(yǎng)箱中保存?zhèn)溆茫?br>
2) 選擇陰陽極反應室有效容積為200ml、陰陽極間距5cm的微生物燃料電 池；
3) 在陽極中注入lg/L乙酸鈉溶液和1)步驟中制備的混合菌種液各150ml 禾口 50ml,并加入N、 P、 K元素，其濃度分別為80mg/L、 5000mg/L和 3000mg/L，陰極中注入100mg/L硝酸鈉溶液200ml;
4) IOOOQ電阻接入外電路，連接好導線和監(jiān)測設備；
5) 在室溫下放置，直到電壓開始穩(wěn)定輸出約200mV并出現(xiàn)下降(如圖2)， 開始更換lg/L乙酸鈉溶液，電壓恢復到200mV并持續(xù)運行，電壓輸出再 次下降，再次更換乙酸鈉后，輸出電壓升高到450mV左右。
附圖2所示為處理生活污水的微生物燃料電池電壓輸出曲線，可以看出經(jīng)過 500小時運行，微生物燃料電池電壓輸出達到最大值，實現(xiàn)了有機廢水能源化，啟 動成功。
實施例2
與實施例1不同之處在于所處理的廢水為醬油釀造廢水，在運行過程中定期 排放揮發(fā)性氣體。
1) 混合菌種制備，取土壤上清液，按照體積比10%在土壤上清液中加入lg/L 乙酸鈉溶液，放入?yún)捬跖囵B(yǎng)箱中保存?zhèn)溆茫?br>
2) 選擇陰陽極反應室有效容積為200ml、.陰陽極間距5cm的微生物燃料電 池；
3) 在陽極中注入lg/L乙酸鈉溶液和1)步驟中制備的混合菌種液各150ml和 50ml，并加入N、 P、 K元素，其濃度分別為80mg/L、 5000mg/L和 3000mg/L，陰極中注入100mg/L硝酸鈉溶液200ml;
4) IOOOQ電阻接入外電路，連接好導線和監(jiān)測設備；5) 在室溫下放置，直到電壓開始穩(wěn)定輸出約200mV并出現(xiàn)下降，開始更換 lg/L乙酸鈉溶液，電壓恢復到200mV并持續(xù)運行，電壓輸出再次下降， 再次更換乙酸鈉后，輸出電壓升高到450mV左右；
6) 與步驟5)方法相同，再次出現(xiàn)下降后開始補充乙酸鈉和醬油釀造廢水混 合物。第一次補充醬油釀造廢水比例10%，以后該比例以倍數(shù)逐步提高直 至全部使用醬油釀造廢水更換陽極液，微生物燃料電池進入穩(wěn)定的運行狀 態(tài)。
實施例3
與實施例1和2不同之處在于所使用產(chǎn)電菌采集自廢水處理廠活性污泥。
權利要求
1.一種將有機廢水能源化的微生物燃料電池接種和馴化啟動方法，其特征在于所述陽極室內(nèi)加入微生物營養(yǎng)液，并接種混合菌種液作為啟動陽極液，陰極室以硝酸鈉溶液為陰極液，陽極液經(jīng)過多次逐步更換微生物營養(yǎng)液，在多個產(chǎn)電周期后，使電池保持穩(wěn)定電壓輸出，陽極液中的產(chǎn)電菌富集完成；然后再對陽極液多次逐步更換微生物營養(yǎng)液和待處理有機廢水的混合液，馴化產(chǎn)電菌，直至營養(yǎng)液全部更換成待處理有機廢水做為陽極液，且保持穩(wěn)定電壓輸出，完成馴化啟動。
2. 根據(jù)權利要求1所述的將有機廢水能源化的微生物燃料電池接種和馴化啟動 方法，其特征在于按下列步驟進行-1) 混合菌種液制備采集土壤上清液，按照體積比10-50%加入0.5-1.5g/L乙 酸鈉溶液，放入?yún)捬跖囵B(yǎng)箱中保存?zhèn)溆茫?) 混合菌種液接種在陽極室中注入乙酸鈉溶液50-150ml，接種步驟l)中 制備的混合菌種液50-350ml，并加入微生物營養(yǎng)液5-20ml;在陰極中注 滿硝酸鈉溶液；3) 在室溫下放置，直到開始穩(wěn)定輸出電壓；4) 產(chǎn)電菌富集當電壓出現(xiàn)下降時，用微生物營養(yǎng)液更換30-100%陽極液，電壓恢復穩(wěn)定并持續(xù)運行；電壓輸出再次下降，再次更換30-100%陽極 液，輸出電壓升高并穩(wěn)定輸出；直到每個循環(huán)的輸出電壓穩(wěn)定峰值相同， 產(chǎn)電菌富集完成；5) 產(chǎn)電菌馴化當電壓再次出現(xiàn)下降，開始用微生物營養(yǎng)液和待處理有機廢 水的混合液更換陽極液；第一次更換陽極液時，待處理有機廢水占陽極室 體積5-10%,電壓恢復穩(wěn)定并持續(xù)運行；之后每次電壓輸出出現(xiàn)下降，均 使用微生物營養(yǎng)液和待處理有機廢水的混合液更換陽極液，且每次待處理有機廢水比例以5-15%的倍數(shù)逐步提高，直至全部使用待處理有機廢水更 換陽極液；6)完成啟動陽極液完全更換為待處理有機廢水，輸出電壓穩(wěn)定時，微生物 燃料電池接種和馴化啟動完畢，進入穩(wěn)定的運行狀態(tài)。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的將有機廢水能源化的微生物燃料電池接種和馴化 啟動方法，其特征在于所述混合菌種液由下列菌種制備污水廠入口處生活 污水，活性污泥法污水處理廠二沉池活性污泥，土壤濾清液或廢水處理生物 反應器中液體的一種或幾種。
4. 根據(jù)權利要求1或2所述的將有機廢水能源化的微生物燃料電池接種和馴化 啟動方法，其特征在于所述微生物營養(yǎng)液成分為乙酸鈉500-1200mg/L， N 元素50-120mg/L， P元素3000-7000mg/L和K元素30-150 mg/L。
5. 根據(jù)權利要求1或2所述的將有機廢水能源化的微生物燃料電池接種和馴化 啟動方法，其特征在于所述待處理有機廢水是生活污水或其它有機廢水。
全文摘要
本發(fā)明涉及有機廢水的能源化處理，具體地說是一種將有機廢水能源化的微生物燃料電池接種和馴化啟動方法，用以將有機污染物中化學能以電能形式回收。首先在陽極室中，以混合菌種接種，調(diào)整培養(yǎng)條件，在每個運行周期電壓輸出峰值穩(wěn)定后，接種完成后開始在陽極室中加入待處理廢水，在第一個運行周期加入少量待處理廢水，以不影響電壓輸出穩(wěn)定為宜，此后周期逐步增加待處理廢水比例，直至全部使用待處理廢水，微生物燃料電池馴化啟動完成。本方法可操作性強，馴化過程循序漸進，效果穩(wěn)定。
文檔編號H01M8/16GK101667649SQ20091007069
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月29日 優(yōu)先權日2009年9月29日
發(fā)明者周啟星, 李鳳祥, 李白崑 申請人:南開大學