【CN109650548A】一种微藻与微生物燃料电池的耦合系统及其应用【专利】
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本发明属于水污染处理与能源回收领域，更 具体地，涉及一种微藻与微生物燃料电池的耦合 系统及其在处理生活垃圾渗滤液中的应用，在降 解生活垃圾渗滤液的同时 ，产生电能和藻生物 质。将耗氧生物膜层固定在MFC的阳极和阴极之 间，藻生物膜位于阴极与耗氧生物膜层之间 ，通 过耗氧生物膜层消除 微藻 和微生物燃料电 池的 拮抗作用，发挥两者的协同作用，形成微藻和MFC 耦合系统。该系统在12h对10％生活垃圾渗滤液 的COD降解效率达到87 .47％ ，氨氮降解率达到 81 .50％。
权 利 要 求 书
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1 .一种微藻和微生物燃料电池的耦合系统，其特征在于，该耦合系统包括微藻、耗氧生 物膜和微生物燃料电池，其中：
所述微生物燃料电池的阳极、阴极和电阻串联于单室反应器中； 所述耗氧生物膜固定在所述阳极 和阴极之间 ，所述耗氧生物膜负载于多孔载体上 ，所 述多孔载体易于微生物生长附 着、无生物毒性且能 够使溶液透过 ；所述耗氧生物膜表面附 着有好氧菌； 微藻以 藻生物膜形式 存在 ，所述藻生物膜负载于微藻载体上 ，该藻生物膜位于所述耗 氧生物膜和所述阴极之间； 除所述藻生物膜所在位置外，其余部分均做遮光处理； 所述藻生物膜为所述微生物燃料电池的阴极提供氧气，并协同所述微生物燃料电池降 解有机物 ；所述耗氧生物膜 用于 消耗微藻产生的 氧气 ，以 消除 藻生物膜和微生物燃料电 池 的拮抗作用并协助降解污染物。 2 .如权利要求1所述的耦合系统，其特征在于，所述耗氧生物膜消耗所述藻生物膜产生 的氧气并使得到达阳极的氧气的浓度低于0 .2mg/L。 3 .如权利要求1所述的耦合系统，其特征在于，所述多孔载体为立体支撑填料。 4 .如权利要求1所述的耦合系统，其特征在于，所述耗氧生物膜通过如下方法获得：将 所述多孔载体接种含有多元微生物的城镇污水或污泥，曝气培养3-5天，然后采用待处理废 水从低浓度到高浓度逐步进行驯化，使得在该多孔载体表面形成能够适应该待处理废水的 耗氧生物膜。 5 .如权利要求1所述的耦合系统，其特征在于，所述藻生物膜通过如下方法获得：用含 有微藻的水体接种所述微藻载体，微藻在所述微藻载体上生长，获得藻生物膜。 6 .如权利要求1所述的耦合系统 ，其特征在于，所述微藻载体为纤维填料、棉织物、滤 纸、泡沫或聚苯乙烯塑料。 7 .如权利要求1所述的耦合系统，其特征在于，所述藻生物膜以悬浮形式位于所述耗氧 生物膜和所述阴极之间。 8 .一种利用如权利要求1至7任一项所述的耦合系统处理垃圾渗沥液的方法，其特征在 于 ，将耗氧生物膜固定于 启动成功的微生物燃料电 池阳极 和阴极之间 ，再将负载有藻生物 膜的 微藻载体置于耗氧生物膜和阴极之间 ，阳极 和耗氧生物膜所在区域 用锡箔纸遮光 ，以 待处理垃圾渗滤液为待降解基质，阴阳两极之间通过钛丝连接 ，并外接电阻 ； 在光照条件下，通过微藻、耗氧生物膜、以及微生物燃料电池阳极微生物之间的代谢协 同作用，实现垃圾渗沥液中有机物的降解，通过微藻的同化作用，以及耗氧生物膜与微生物 燃料电池阴极的厌氧氨氧化、硝化反硝化作用实现氨氮的去除。 9 .如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述阴极为空气阴极。 10 .如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述藻生物膜中含有一种或多种藻类。
(10)申请公布号 CN 109650548 A (43)申请公布日 2019.04.19 C02F 103/06(2006 .01) C02F 101/30(2006 .01) C02F 101/16(2006 .01)
权利要求书1页 说明书8页 附图5页
CN 109650548 A
CN 109650548 A
2
CN 109650548 A
Βιβλιοθήκη Baidu
说 明 书
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一种微藻与微生物燃料电池的耦合系统及其应用
技术领域 [0001] 本发明属于水污染处理与能源回收领域，更具体地，涉及一种微藻与微生物燃料 电 池的 耦合系统及其在处理生活垃圾渗滤液中的应 用，在降 解生活垃圾渗滤液的同时 ，产 生电能和藻生物质。
背景技术 [0002] 随着经济的增长和国民生活水平的提升，城镇及乡村地区的生活垃圾产生量逐年 递增，其中卫生填埋是目前成本较低，采用较广泛的生活垃圾处理处置技术。生活垃圾渗滤 液是卫生填埋过程中从填埋区渗滤出来的 液体 ，含有各 种有机有毒污染物 ，主要特点是有 机物、氨氮和离子含量高 ，总磷含量低 ，含有重金属及致病菌 ，在排入环境前必须进行达标 处理。生活垃圾渗滤液被认为是目 前最难处理的 有机废水之一 ，国内外关于生活垃圾渗滤 液的研究已有多年，目前主要采用的方法包括：与生活废水协同处理、生活垃圾渗滤液回灌 填埋场、臭氧氧化、吸附法、膜处理以及生物法等。随着未来技术的成熟，生物法被认为是未 来最具成本效应和可重复使用的方法。 [0003] 微生物燃料电池利用附着于阳极的微生物群落(生物膜) ，将有机底物进行生物降 解 ，最终降 解产物为水 和二氧化碳。在此生物反应过程中 产生的电 子通过阳极及外电 路到 达阴极 ，产生的 质子通过溶液传递到阴极 ，最终在阴极发生还原反应从而形成电 流。因此 ， 微生物燃料电 池在降 解有机物的同时 ，产生了生物电 能。目前已 有微生物燃料电 池处理生 活垃圾渗滤液的 相关研究 ，然而 ，微生物燃料电 池更易利用渗滤液中的有机物 ，对于氮的去 除能力有限。 [0004] 藻类在光和二氧化碳同时存在的情况下通过光合作用固定二氧化碳，产生氧气， 并吸收水中的养分用于自身的生长繁殖。与陆生植物相比 ，微藻的生长速率更快，效率更 高 ，是陆生植物的10～50倍 ，同时是一种非常有前景的生物燃料。此外 ，微藻可以 适应各种 类型的水体生长，同时回收污水中的养分，与第一代和第二代生物燃料的原料相比 ，微藻具 有明显的优势，不与粮食作物竞争有限的土地资源，具备高生物质生产力和高脂质含量。但 是利用藻作为生物能源时主要面临收获成本高的问 题 ，采 用藻生物膜的形式 ，将藻固定生 长 ，可以 大大降 低回收的成本。利用微藻处理污水时 ，由于其本身的光合作 用，不能有效去 除有机物，但对氮磷等营养元素的去除取得较好的效果。 [0005] 目前将微藻与微生物燃料电池耦合用于有机废水的处理，大多将微藻引入MFC阴 极室 ，利 用微藻产生的 氧气为MFC阴极提供氧气 ，通过 质子交换膜阻 止氧气进入阳极室 ，降 低MFC阴极曝 气的成本 ，这些 系统中阴极室将充满缓 冲溶液或 用于培养光合微生物的限 定 培养基，需要额外的水和营养供应，有文献将污水直接引入阴极室，氮的去除取得较好的效 果 ，而有机物却没有得到有效去除 ，主要是因为阴极室中 ，降解效果的实现主要通过微藻的 代谢作用，而微藻主要进行自养代谢 ，将无机碳转化为生物 质，并未改善有机碳的去除 ，并 且有文献提到将废水直接送入阴极室将刺激异养细菌的生长，并且有机物可以充当与阴极 竞争的电子供体，这将损害MFC的发电功能。
(74)专利代理机构 华中科技大学专利中心 42201
代理人 曹葆青 李智
(51)Int .Cl . C02F 3/32(2006 .01) C02F 3/00(2006 .01) H01M 8/16(2006 .01)
( 54 )发明 名称 一 种微藻 与微生物燃料电 池的 耦合 系统 及
其应用 ( 57 )摘要
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910045387 .5
(22)申请日 2019 .01 .17
(71)申请人 华中科技大学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037号
(72)发明人 刘冰川 郭胜霞 汪东亮 胡敬平 侯慧杰 杨家宽 肖可可 梁莎 黎建峰 潘静怡
权 利 要 求 书
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1 .一种微藻和微生物燃料电池的耦合系统，其特征在于，该耦合系统包括微藻、耗氧生 物膜和微生物燃料电池，其中：
所述微生物燃料电池的阳极、阴极和电阻串联于单室反应器中； 所述耗氧生物膜固定在所述阳极 和阴极之间 ，所述耗氧生物膜负载于多孔载体上 ，所 述多孔载体易于微生物生长附 着、无生物毒性且能 够使溶液透过 ；所述耗氧生物膜表面附 着有好氧菌； 微藻以 藻生物膜形式 存在 ，所述藻生物膜负载于微藻载体上 ，该藻生物膜位于所述耗 氧生物膜和所述阴极之间； 除所述藻生物膜所在位置外，其余部分均做遮光处理； 所述藻生物膜为所述微生物燃料电池的阴极提供氧气，并协同所述微生物燃料电池降 解有机物 ；所述耗氧生物膜 用于 消耗微藻产生的 氧气 ，以 消除 藻生物膜和微生物燃料电 池 的拮抗作用并协助降解污染物。 2 .如权利要求1所述的耦合系统，其特征在于，所述耗氧生物膜消耗所述藻生物膜产生 的氧气并使得到达阳极的氧气的浓度低于0 .2mg/L。 3 .如权利要求1所述的耦合系统，其特征在于，所述多孔载体为立体支撑填料。 4 .如权利要求1所述的耦合系统，其特征在于，所述耗氧生物膜通过如下方法获得：将 所述多孔载体接种含有多元微生物的城镇污水或污泥，曝气培养3-5天，然后采用待处理废 水从低浓度到高浓度逐步进行驯化，使得在该多孔载体表面形成能够适应该待处理废水的 耗氧生物膜。 5 .如权利要求1所述的耦合系统，其特征在于，所述藻生物膜通过如下方法获得：用含 有微藻的水体接种所述微藻载体，微藻在所述微藻载体上生长，获得藻生物膜。 6 .如权利要求1所述的耦合系统 ，其特征在于，所述微藻载体为纤维填料、棉织物、滤 纸、泡沫或聚苯乙烯塑料。 7 .如权利要求1所述的耦合系统，其特征在于，所述藻生物膜以悬浮形式位于所述耗氧 生物膜和所述阴极之间。 8 .一种利用如权利要求1至7任一项所述的耦合系统处理垃圾渗沥液的方法，其特征在 于 ，将耗氧生物膜固定于 启动成功的微生物燃料电 池阳极 和阴极之间 ，再将负载有藻生物 膜的 微藻载体置于耗氧生物膜和阴极之间 ，阳极 和耗氧生物膜所在区域 用锡箔纸遮光 ，以 待处理垃圾渗滤液为待降解基质，阴阳两极之间通过钛丝连接 ，并外接电阻 ； 在光照条件下，通过微藻、耗氧生物膜、以及微生物燃料电池阳极微生物之间的代谢协 同作用，实现垃圾渗沥液中有机物的降解，通过微藻的同化作用，以及耗氧生物膜与微生物 燃料电池阴极的厌氧氨氧化、硝化反硝化作用实现氨氮的去除。 9 .如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述阴极为空气阴极。 10 .如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述藻生物膜中含有一种或多种藻类。
(10)申请公布号 CN 109650548 A (43)申请公布日 2019.04.19 C02F 103/06(2006 .01) C02F 101/30(2006 .01) C02F 101/16(2006 .01)
权利要求书1页 说明书8页 附图5页
CN 109650548 A
CN 109650548 A
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CN 109650548 A
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说 明 书
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一种微藻与微生物燃料电池的耦合系统及其应用
技术领域 [0001] 本发明属于水污染处理与能源回收领域，更具体地，涉及一种微藻与微生物燃料 电 池的 耦合系统及其在处理生活垃圾渗滤液中的应 用，在降 解生活垃圾渗滤液的同时 ，产 生电能和藻生物质。
背景技术 [0002] 随着经济的增长和国民生活水平的提升，城镇及乡村地区的生活垃圾产生量逐年 递增，其中卫生填埋是目前成本较低，采用较广泛的生活垃圾处理处置技术。生活垃圾渗滤 液是卫生填埋过程中从填埋区渗滤出来的 液体 ，含有各 种有机有毒污染物 ，主要特点是有 机物、氨氮和离子含量高 ，总磷含量低 ，含有重金属及致病菌 ，在排入环境前必须进行达标 处理。生活垃圾渗滤液被认为是目 前最难处理的 有机废水之一 ，国内外关于生活垃圾渗滤 液的研究已有多年，目前主要采用的方法包括：与生活废水协同处理、生活垃圾渗滤液回灌 填埋场、臭氧氧化、吸附法、膜处理以及生物法等。随着未来技术的成熟，生物法被认为是未 来最具成本效应和可重复使用的方法。 [0003] 微生物燃料电池利用附着于阳极的微生物群落(生物膜) ，将有机底物进行生物降 解 ，最终降 解产物为水 和二氧化碳。在此生物反应过程中 产生的电 子通过阳极及外电 路到 达阴极 ，产生的 质子通过溶液传递到阴极 ，最终在阴极发生还原反应从而形成电 流。因此 ， 微生物燃料电 池在降 解有机物的同时 ，产生了生物电 能。目前已 有微生物燃料电 池处理生 活垃圾渗滤液的 相关研究 ，然而 ，微生物燃料电 池更易利用渗滤液中的有机物 ，对于氮的去 除能力有限。 [0004] 藻类在光和二氧化碳同时存在的情况下通过光合作用固定二氧化碳，产生氧气， 并吸收水中的养分用于自身的生长繁殖。与陆生植物相比 ，微藻的生长速率更快，效率更 高 ，是陆生植物的10～50倍 ，同时是一种非常有前景的生物燃料。此外 ，微藻可以 适应各种 类型的水体生长，同时回收污水中的养分，与第一代和第二代生物燃料的原料相比 ，微藻具 有明显的优势，不与粮食作物竞争有限的土地资源，具备高生物质生产力和高脂质含量。但 是利用藻作为生物能源时主要面临收获成本高的问 题 ，采 用藻生物膜的形式 ，将藻固定生 长 ，可以 大大降 低回收的成本。利用微藻处理污水时 ，由于其本身的光合作 用，不能有效去 除有机物，但对氮磷等营养元素的去除取得较好的效果。 [0005] 目前将微藻与微生物燃料电池耦合用于有机废水的处理，大多将微藻引入MFC阴 极室 ，利 用微藻产生的 氧气为MFC阴极提供氧气 ，通过 质子交换膜阻 止氧气进入阳极室 ，降 低MFC阴极曝 气的成本 ，这些 系统中阴极室将充满缓 冲溶液或 用于培养光合微生物的限 定 培养基，需要额外的水和营养供应，有文献将污水直接引入阴极室，氮的去除取得较好的效 果 ，而有机物却没有得到有效去除 ，主要是因为阴极室中 ，降解效果的实现主要通过微藻的 代谢作用，而微藻主要进行自养代谢 ，将无机碳转化为生物 质，并未改善有机碳的去除 ，并 且有文献提到将废水直接送入阴极室将刺激异养细菌的生长，并且有机物可以充当与阴极 竞争的电子供体，这将损害MFC的发电功能。
(74)专利代理机构 华中科技大学专利中心 42201
代理人 曹葆青 李智
(51)Int .Cl . C02F 3/32(2006 .01) C02F 3/00(2006 .01) H01M 8/16(2006 .01)
( 54 )发明 名称 一 种微藻 与微生物燃料电 池的 耦合 系统 及
其应用 ( 57 )摘要
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910045387 .5
(22)申请日 2019 .01 .17
(71)申请人 华中科技大学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037号
(72)发明人 刘冰川 郭胜霞 汪东亮 胡敬平 侯慧杰 杨家宽 肖可可 梁莎 黎建峰 潘静怡