一種菌藻聯(lián)用生物電化學(xué)裝置及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種菌藻聯(lián)用生物電化學(xué)裝置及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]全球性的能源危機使得研究學(xué)者們將關(guān)注點越來越多地放在開發(fā)可替代電力的生產(chǎn)方式上，新的電力生產(chǎn)方式應(yīng)該是來自于可再生資源并且不增加二氧化碳排放的。微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)由于其可以將儲存在有機化合物中的化學(xué)能通過微生物的催化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能的新型能源產(chǎn)生方式，而引起了學(xué)術(shù)研究學(xué)者的極大興趣。在MFC中微生物被用于系統(tǒng)的產(chǎn)電，同時還能實現(xiàn)有機物或廢物的生物降解。
[0003]小球藻(Chlorella spp.)是一類普生性單細胞綠藻，屬于綠藻門(Chlorphyta)，早在20億年前就出現(xiàn)在地球上。小球藻可在自養(yǎng)條件下，利用光能和二氧化碳，同時吸收氮、磷進行正常的自養(yǎng)生長，也可以在抑氧培養(yǎng)條件下，利用有機碳源進行生長和繁殖，并能吸收重金屬物質(zhì)；同時，由于其種類繁多，在淡水、海水中均有分布，且易于培養(yǎng)，生長速度快，因此，現(xiàn)已被越來越多地運用于污水處理領(lǐng)域。
[0004]目前，運用藻類作為微生物燃料電池中的光合生物進行污水處理的相關(guān)技術(shù)已有報道。
[0005]例如，授權(quán)公告號為CN 101764241 B的中國專利公開了一種藻類陰極雙室微生物燃料電池，將藻類懸浮在陰極電解液中，相較于附著在電極上增加了藻類的生物量，充分利用了光源。但相較于直接將藻類附著在電極上，這種構(gòu)型無法將藻類光合作用產(chǎn)生的電子充分傳遞到外電路形成回路，對MFC的電能輸出沒有利處;且雙室的構(gòu)造需要質(zhì)子交換膜，無形中增大了裝置的成本。
[0006]另，授權(quán)公告號為CN104112868 B的中國專利公開了一種單室無介體藻類微生物燃料電池，將藻類微生物懸浮液加入到玻璃容器中，在玻璃容器中插入陽極和陰極碳棒，硝酸纖維素涂布于陰極碳棒上以防止藻類的附著，利用藻類光合作用產(chǎn)生的氧氣作為電子受體。這種構(gòu)型結(jié)構(gòu)簡單，無需質(zhì)子交換膜和電子中介體。
[0007]然而，上述專利均只利用了單一藻類，無法避免藻類在夜晚時無法進行光合作用，使得污水處理缺少電子受體的缺點，同時，對于外部進水流量及污染物濃度的變化也沒有相應(yīng)的調(diào)節(jié)機制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，可進行模塊化組合，基于藻類、兼性厭氧菌及空氣陰極協(xié)同作用，來進行污水處理的菌藻聯(lián)用生物電化學(xué)系統(tǒng)及其應(yīng)用。
[0009]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0010]一種菌藻聯(lián)用生物電化學(xué)裝置，該系統(tǒng)包括模塊反應(yīng)腔體、設(shè)置在模塊反應(yīng)腔體頂部的空氣陰極、設(shè)置在模塊反應(yīng)腔體底部作為陽極的碳氈以及設(shè)置在空氣陰極與碳氈之間的碳刷，所述的模塊反應(yīng)腔體頂部兩端分別設(shè)有進水口及出水口，所述的空氣陰極與碳氈相對設(shè)置，并且所述的碳氈上附著生長有兼性厭氧菌，所述的碳刷上附著生長有藻類植物，所述的空氣陰極通過外接電路與碳氈連接。
[0011]所述的碳刷沿模塊反應(yīng)腔體內(nèi)壁垂直設(shè)置在碳氈上。
[0012]所述的碳刷底部設(shè)有金屬桿，并通過金屬桿與碳氈固定連接。
[0013]所述的兼性厭氧菌為紅螺菌，所述的藻類植物為球藻。
[0014]所述的外接電路為設(shè)有可調(diào)電阻的外接電路，并且所述的可調(diào)電阻的阻值變化范圍為0-9999 Ω。
[0015]所述的模塊反應(yīng)腔體頂部兩端分別設(shè)有凸起腔，所述的進水口、出水口均分別通過凸起腔與模塊反應(yīng)腔體連通。
[0016]所述的進水口與出水口的高度相同，并且所述的進水口的高度大于空氣陰極的高度，這樣能使進水可充滿模塊反應(yīng)腔體，保證空氣陰極與污水的充分接觸，提高空氣陰極的有效利用面積；同時，在多個模塊反應(yīng)腔體堆疊時，可以給空氣陰極留出充分的暴露于空氣中的空間。
[0017]所述的模塊反應(yīng)腔體的頂部、底部還分別設(shè)有用于將兩模塊反應(yīng)腔體堆疊連接的連接座。
[0018]多個模塊反應(yīng)腔體通過連接座由下而上依次堆疊組合在一起，并且上下相鄰兩模塊反應(yīng)腔體之間通過管道連通，污水由頂部模塊反應(yīng)腔體的進水口進入，并由上而下依次流經(jīng)各個模塊反應(yīng)腔體，對污水進行多級處理。
[0019]在實際使用時，可以采用提升栗將污水栗入至頂部模塊反應(yīng)腔體。
[0020]—種菌藻聯(lián)用生物電化學(xué)裝置的應(yīng)用，所述的裝置用于處理有機污水。
[0021 ]所述的有機污水為含有氮、磷及重金屬的有機污水，pH約為7.5-8.5，溶解氧濃度約為 0.5mg/L。
[0022]本發(fā)明裝置中，陽極主體為附著生長兼性厭氧菌的碳氈，上面附著的兼性厭氧菌發(fā)生氧化反應(yīng)，降解有機物的同時，產(chǎn)生電子;所述的碳刷設(shè)置在模塊反應(yīng)腔體四壁位置處，吸收光能，碳刷上附著生長的球藻，可進行光合作用，水解H2O并產(chǎn)生H+、電子和氧氣，同時吸收氮、磷進行正常的自養(yǎng)生長，也可在異養(yǎng)培養(yǎng)條件下利用有機碳源進行生長和繁殖；而產(chǎn)生的氧氣上浮到達空氣陰極下表面，產(chǎn)生的電子經(jīng)由底部金屬桿傳遞到碳氈進而通過外接電路到達陰極主體，兩者均能促進陰極還原反應(yīng)的發(fā)生，加強反應(yīng)器的電能輸出；陰極主體為空氣陰極，空氣陰極上部充分接觸空氣，下部接收部分球藻光合作用產(chǎn)生的氧氣，在空氣陰極部分，氧氣作為電子受體，與電子發(fā)生還原反應(yīng)。
[0023]由于所述的模塊反應(yīng)腔體內(nèi)同時存在厭氧兼性菌、藻類及空氣陰極，在有外部光照的情況下可以充分利用光能，藻類光合作用產(chǎn)生的氧氣上浮至空氣陰極下表面，增大了空氣陰極處氧氣的濃度以及空氣陰極的反應(yīng)面積，產(chǎn)生的電子可以通過底部金屬桿經(jīng)碳氈收集，再由外電路傳遞至空氣陰極，兩者均能促進空氣陰極還原反應(yīng)的發(fā)生，加強了模塊反應(yīng)腔體的產(chǎn)電能力；而在無外部光照的情況下，兼性厭氧菌與空氣陰極仍然可以進行有機物的降解，這就能夠有效彌補純藻類微生物燃料電池夜間不能進行污水處理的缺點。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明裝置可以將藻類、兼性厭氧菌及空氣陰極協(xié)同作用進行污水處理，彌補了藻類夜晚無法繼續(xù)利用光合作用產(chǎn)生電子受體進行污水處理的缺陷；同時，可以利用藻類吸收氮、磷及部分有機物用于自身生長的特點對污水進行進一步的優(yōu)化處理;藻類光合作用產(chǎn)生的氧氣和電子也能對陰極還原反應(yīng)有促進作用，加強模塊反應(yīng)腔體的產(chǎn)電能力;本發(fā)明還采用模塊化設(shè)計，可通過上下堆疊多個模塊反應(yīng)腔體，來實現(xiàn)對有機污水的多級處理，進一步提高污水的處理效果。本發(fā)明具有以下特點:
[0025]I)聯(lián)合利用菌、藻及空氣陰極對污水中的有機物、氮、磷及部分重金屬進行處理；
[0026]2)碳刷設(shè)置在模塊反應(yīng)腔體四壁位置，上面附著生長的小球藻可以充分利用光能，通過光合作用產(chǎn)生氧氣和電子，產(chǎn)生的氧氣上浮到達空氣陰極，空氣陰極上部充分接觸空氣，下部接收部分小球藻光合作用產(chǎn)生的氧氣，促進了氧氣與電子還原反應(yīng)的發(fā)生，產(chǎn)生的電子對模塊反應(yīng)腔體電能的輸出也有加強作用；
[0027]3)污水中所含的有機物、氮、磷及部分重金屬經(jīng)由藻類、兼性厭氧菌及空氣陰極的聯(lián)合處理后，可提升對污水的處理效果；
[0028]4)模塊反應(yīng)腔體為模塊化設(shè)計，腔體的頂部及底部分別設(shè)有連接座，可以通過上下堆疊多個模塊反應(yīng)腔體，各模塊反應(yīng)腔體之間通過軟管連接，并通過外部提升栗一次提升污水，污水由頂部模塊反應(yīng)腔體進入，從上往下依次流經(jīng)各個模塊反應(yīng)腔體，進一步提升污水的處理效果；
[0029]5)模塊反應(yīng)腔體內(nèi)同時存在厭氧兼性菌、藻類及空氣陰極，在有外部光照的情況下可以充分利用光能提高反應(yīng)器的電能輸出和污染物處理效果，在無