[发明专利]耦合微藻培养和微生物燃料电池的集成系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成系统，具体涉及一种耦合微藻培养和微生物燃料电池的集成系统及方法。

背景技术

随着我国经济的飞速发展，城市人口剧增，不仅使能源需求量大大增加，有毒有害废物的排放也对生态环境造成极大威胁。据环保部2013年环境状况公报，2013年全国能源消费总量为37.5亿吨标准煤，其中，煤炭消费占能源消费总量的比重为66.0％，石油消费量占19.4％。化石燃料使用造成了有害烟气的大量排放，2013年，废气中的主要污染物CO₂、SO₂及氮氧化物排放总量为5000万吨以上。废水总排放量6954.4亿吨，其中主要污染物化学需氧量排放总量为2352.7万吨，总氮排放量为448.1万吨，总磷排放量48.73万吨。如此巨大的污染物排放，不仅是对环境的污染也是对资源的极大浪费。为解决能源危机和环境日益恶化的双重问题，一方面要加强对烟气污染物、污水富营养化物质等有毒有害废物的无害化、洁净化处理；同时需开发清洁友好的可再生能源如微生物能源。

微藻的光合效率高于常规作物且生产成本低、营养物质丰富、经济效益高、用途广泛，可用于能源、医药、食品、环境等领域，因此被公认为最有潜力的微生物能源。而作为新型能源工艺的微生物燃料电池，可在处理废水中有机物的同时产生电能，具有良好的发展潜力与市场前景。

微藻生长需要大量的碳源及氮、磷、硫等营养物质，可对烟气中的CO₂及废水中的氮、磷等无机物进行移除。而微生物燃料电池中的细菌可将废水中无法被微藻利用的有机物质进行脱除。若能将两者进行结合，不仅可实现废水中无机物和有机物的同时去除，还可达到二氧化碳固定和能源产出(微藻生物质能及电能)的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耦合微藻培养及微生物燃料电池的集成系统及方法，该集成系统及方法可同时实现二氧化碳固定、污水处理、微藻生物质的产出及电能的产出等多重目的。

为达到上述目的，本发明的第一个技术方案是：

一种耦合微藻培养和微生物燃料电池的集成系统，包括上盖板、下盖板、外圆桶、内圆桶、进液口、出气口、废水出口和废水进口；所述上盖板设置在外圆桶的顶部，所述下盖板设置在外圆桶的底部；

其特点是于：内圆桶设置在外圆桶内；所述外圆桶的内壁与内圆桶的外壁之间的空间作为微藻培养腔室，在微藻培养腔室中设置有微藻培养基；同时所述微藻培养腔室还作为微生物燃料电池的阴极；

所述内圆桶的壁面镂空设置，镂空壁面上交替设置阴离子交换膜和阳离子交换膜，所述内圆桶的壁面外侧设置电池阴极；所述内圆桶内设置电池阳极；

进液口和出气口设置在上盖板上，位于微藻培养腔室的上部；所述进气口设置在下盖板上，位于微藻培养腔室的下部；该进液口、出气口和进气口均与微藻培养腔室相通；废水出口和废水进口分别设置在上盖板和下盖板上，与内圆桶的内腔相通。

根据本发明所述的耦合微藻培养和微生物燃料电池的集成系统的优选方案，该集成系统还包括气体源、烟气流通管路和曝气管；气体源中的气体通过烟气流通管路和曝气管曝入微藻培养腔室中。

根据本发明所述的耦合微藻培养和微生物燃料电池的集成系统的优选方案，该集成系统还包括蠕动泵，废水通过蠕动泵以及废水进口注入内圆桶内。

根据本发明所述的耦合微藻培养和微生物燃料电池的集成系统的优选方案，所述上盖板、下盖板、外圆桶和内圆桶均由透光材料制成。

本发明的第二个技术方案是：利用耦合微藻培养与微生物燃料电池的集成系统进行固碳与产能的方法，其特点是：包括如下步骤：

第一步：将微藻培养基和废水在高压灭菌锅内进行高压蒸汽灭第一步：菌30～60min，并将集成系统在紫外线照射下灭菌24～48h；

第二步：待微藻培养基和废水温度达到常温后，将微藻菌种和细菌菌种分别接种到微藻培养基和废水内；

第三步：将已接种微藻菌种的微藻培养基通过进液口注入微藻培养腔室，培养168～288h；将已接种细菌菌种的废水存储到废液储存器内，培养72～120h；

第四步：将含有CO₂的烟气通过曝气管鼓入微藻培养腔室；所述含有CO₂的烟气从不锈钢曝气管被鼓入微藻培养腔室后形成上升气泡流，气泡流在上升的过程中，上升气泡流中的二氧化碳会以无机碳的形式溶解在微藻悬浮液中供微藻生长需要，处理后的烟气再从出气口中排出；