[发明专利]一种采用透光导电生物阴极的菌藻生物电化学系统处理污水的装置及方法

说明书

本发明提供了一种采用透光导电生物阴极的菌藻生物电化学系统处理污水的装置及方法，该装置包括透光导电阴极、生物阳极以及设置在反应器内部的膜曝气生物膜和微曝气装置，所述的透光导电阴极上附着生长微藻，另专门设置有微藻收集刮板，并且所述的生物阳极通过外接电路与透光导电阴极电连接，所述的系统可用于处理有机废水，与现有技术相比，本发明系统污水处理效果好，产电效率高，操作过程耗能低，整个系统运行稳定，高效节能，兼具污染物处理和产电功能，具有很好的开发运用前景。

技术领域

本发明属于污水处理技术与设备技术领域，涉及一种采用透光导电生物阴极的菌藻生物电化学系统处理污水的方法和应用。

背景技术

随着化石燃料的耗竭和二氧化碳排放过多对环境的破坏加剧，寻找生产清洁能源的替代技术显得尤为迫切。在生物电化学系统中，微生物燃料电池能在处理废水的同时将储存在有机物中的化学能转化为电能，既可以有效回收生物资源，又可以处理废水，所以是公认的一项很有潜力的技术。

近年来，将藻类引入微生物燃料电池阴极的光合藻类微生物燃料电池受到了广泛关注。在传统的微生物燃料电池中，阴极室的电子受体基本上是氧气，所以通常需要进行持续的机械曝气以保持阴极的还原反应正常进行，这就导致了经济成本的增加。而光合藻类微生物燃料电池就可以采用光合藻类作为生物阴极，通过光合藻类固定二氧化碳，同时进行光合作用产生氧气，这就可以为电极提供电子受体。这种方法既能处理废水又能收获微藻和电能，还能实现二氧化碳的固定。这就有望为人类面临的能源、水资源和环境这三大问题的解决提供一个新型的解决方案。

运用光合藻类微生物燃料电池的相关技术已有报道。

申请号为CN201910045387.5和CN202110007434.4的中国专利都公开了一种光合藻类微生物燃料电池，主要由阳极室、阴极室、质子交换膜和外电路系统组成，阴极表面附着有微藻生物膜。待处理的污水进入阳极室之后，由阳极室的微生物降解污水中的有机物，生成二氧化碳同时产生电子和质子，电子通过导线流至阴极从而产生电流。阴极上的微藻生物膜利用二氧化碳和污水中的氮和磷进行光合作用产生氧气，为阴极室内的还原反应提供电子受体。上述专利的技术方案虽然可以实现产电、微藻培养和污水处理的功能，但反应器构型为单室长方体型和双室H型，并不能像圆柱形构型的微生物燃料电池一样多角度接收光照。同时上述专利的反应器也无法让反应器的污水处于完全混合状态。

另外，申请号为CN201210136613.9和201510409538.2的专利分别公开了一种圆柱型的光合藻类微生物燃料电池反应器。其中，CN201210136613.9专利中的反应器是将微生物燃料电池与光生物反应器两个独立反应器相互耦合形成分体式结构，使废水经微生物燃料电池的阳极室后直接流入阴极室，阴极室中培养有微藻，阴极作为光生物反应器，阴极室和阳极室之间设有交换膜。201510409538.2专利中的反应器分为内圆桶和外圆桶，内圆桶和外圆桶之间的空间作为微藻培养腔室和放置微生物燃料电池的阴极。内圆桶壁上进行壁面镂空处理，并交替粘贴阴离子交换膜和阳离子交换膜。上述专利的技术方案虽然应用了圆柱型的反应器构型，并且器壁都为透光材料，但并不是直接将透光材料用作阴极。虽然都在阴极室培养微藻，但没有设置专门的微藻收集刮板，能在电池工作时进行微藻收集。虽然有供气单元，但是并不是膜曝气装置，脱氮除磷效率不高。虽然阳极都处于反应器中心，但是并不能起到导流作用。并且都装有离子交换膜，让结构更加复杂。

发明内容

本发明的目的在于设计一种直接将透光导电材料作为微生物燃料电池阴极和反应器器壁，并且能够同时实现产电、污水处理以及培养微藻的需求的圆柱形微生物燃料电池反应器及其应用。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：