[发明专利]微生物燃料电池处理发酵废水的工艺方法

说明书

技术领域

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

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0.1mWm^-2提升到6800mWm^-2，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2.87kWm^-3,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迁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。

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

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。

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2-20cm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），α-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2-20cm的碳布、碳毡用酸解法进行活化，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，α-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、碳毡；