[发明专利]使用超声波预处理产电微生物的回型微生物燃料电池装置

摘要

本发明是一种使用超声波预处理产电微生物的回型微生物燃料电池装置，其特点是，包括电极的制备、阳极活性污泥、阴极施式假单胞菌培养液的培养、超声波预处理、阳极活性污泥的固定化、阴极施式假单胞菌培养液的固定化、阳极液、阴极液的制备和回型微生物燃料电池装置的构建与运行等步骤，其结构简单、占地空间小，性能可靠，能够在实现对废水连续处理的同时显著提高了电池产电性能，产电速率高，废水处理效率高。

主权项

一种使用超声波预处理产电微生物的回型微生物燃料电池装置，其特征是，它包括以下步骤：(1)电极的制备a.阳极制备取规格长×宽为4.0×4.0cm，厚度为1.0cm的碳毡两片，中间夹有规格长×宽为4.0×4.0cm的铜片，用碳纤维丝线将铜片固定在碳毡上作为阳极；b.阴极制备使用规格长×宽为4.0×4.0cm的铜片作为阴极；(2)阳极活性污泥、阴极施式假单胞菌培养液的培养a.阳极活性污泥的培养将购自上海道承环境工程有限公司的颗粒活性污泥200g加入到800mL的培养基中，所述培养基各组分用量分别为：醋酸钠0.54g/L，无水氯化亚铁4.2mg/L，磷酸二氢钾0.06g/L，磷酸氢二钾2.412g/L，氯化钙0.48g/L，NH₄Cl0.3g/L，MgSO₄·7H₂O0.08g/L，MnSO₄0.6mg/L，pH6.5‑7.5，在烧杯中经过3d的密闭、室温、静止培养后得到阳极活性污泥；b.阴极施式假单胞菌培养液的培养将保存在斜面上的购自中国普通微生物菌种保藏管理中心的菌株编号为CGMCC1.8597的施式假单胞菌接入到50mL的种子培养基中，所述种子培养基各组分用量分别为：KNO₃0.8g/L，KH₂PO₄1.5g/L，MgSO₄·7H₂O0.8g/L，琥珀酸钠2.5g/L，H₂O1L，pH7.5，在30℃，150rpm的摇床中培养3d，得到阴极施式假单胞菌培养液，4℃冰箱保存备用；(3)超声波预处理将20mL经过步骤(2)a培养得到的阳极活性污泥和20mL经过步骤(2)b培养得到的施式假单胞菌培养液分别用超声波细胞粉碎机进行超声波处理，设定超声波功率为200～600W，超声时间为10～20min；(4)阳极活性污泥的固定化、阴极施式假单胞菌培养液的固定化a.阳极活性污泥的固定化取12～14g聚乙二醇溶于含有0.6％～0.8％N，N，N，，N，‑四亚甲基二元胺和0.8g活性炭的150mL除盐水中，然后向其中加入12～16mL经步骤(3)处理后的活性污泥充分混合，然后再加入3.0mL，40％过硫酸钾于烧杯中，经过24h，将形成的凝胶切成边长为3mm立方体；b.阴极施式假单胞菌培养液的固定化取12～14g的聚乙烯醇和0.8～1.2g海藻酸钠，加入150mL除盐水中，用沸水浴加热使之溶解，冷却到室温，再与0.8g活性炭混合，在无菌单人双面净化台中加入12～16mL经步骤(3)处理的施式假单胞菌培养液，混合均匀后转移到经碳酸钠溶液调节pH值为6.7并含有重量百分含量为4wt％氯化钙的饱和硼酸溶液中，在4℃条件下交联4h，然后再将其转移到0.5～1.0mol/L^‑1的硫酸钠溶液中交联8h，将形成的凝胶切成边长为3mm立方体；(5)阳极液、阴极液的制备a.阳极液的制备有机废水为回型微生物燃料电池的阳极液，其各组分用量分别为：醋酸钠0.54g/L，无水氯化亚铁4.2mg/L，磷酸二氢钾0.06g/L，磷酸氢二钾2.412g/L，氯化钙0.48g/L，NH₄Cl0.3g/L，MgSO₄·7H₂O0.08g/L，MnSO₄0.6mg/L，pH6.5‑7.5；b.阴极液的制备硝态氮废水为回型微生物燃料电池的阴极液，其各组分用量分别为：KNO₃0.8g/L，KH₂PO₄1.5g/L，MgSO₄·7H₂O0.8g/L，丁二酸纳2.5g/L；pH7.5；(6)回型微生物燃料电池装置的构建与运行a.回型微生物燃料电池装置的构建一种回型微生物燃料电池装置包括：回型有机玻璃框体、第一阴极室、第二阴极室、第三阴极室、第四阴极室、阳极室、盐桥、阴极液流入管、阴极液流出管、阳极室流入管、阳极室流出管、蠕动泵、阀门、阴极室连通管、阴极接线柱、阳极接线柱、阳极、阴极和隔板；所述回型有机玻璃框体的中空心部置有阳极室，在所述回型有机玻璃框体通过隔板分隔构成的第一阴极室、第二阴极室、第三阴极室和第四阴极室环绕置在阳极室的四周，所述回型有机玻璃框体的外边长相等均为13.4cm，内边长相等均为10cm，高10cm，阳极室的边长10cm×10cm×10cm的正方体，容积为1000mL，第一阴极室、第二阴极室、第三阴极室和第四阴极室的容积相等均为200mL，总容积为800mL；第一阴极室、第二阴极室、第三阴极室和第四阴极室与和阳极室之间均以盐桥隔开；第一阴极室、第二阴极室、第三阴极室和第四阴极室通过连通管连通，在所述阳极室内装填步骤(4)a得到的立方体，装填体积为阳极室总体积的1/4，第一阴极室、第二阴极室、第三阴极室和第四阴极室内均装有步骤(4)b得到的立方体，装填体积为每个阴极室体积的1/4，阳极室中间放置一个步骤(1)a得到的阳极，阳极与阳极接线柱电连接，第一阴极室、第二阴极室、第三阴极室和第四阴极室均放置一个步骤(1)b得到的阴极，阴极与阴极接线柱电连接，阳极室的底部与阳极液流入管连通，阳极室的顶部与阳极液流出管连通，第一阴极室与阴极液流入管连通，第三阴极室与阴极液流出管连通，在阳极液流入管、阳极液流出管、阴极液流入管和阴极液流出管上均连接有阀门；b.回型微生物燃料电池的运行阳极室注入步骤(5)a得到的阳极液，第一阴极室、第二阴极室、第三阴极室和第四阴极室均注入(5)b的阴极液，溶解氧控制在6.4mg/L，进行产电微生物的第一次驯化，并通过电化学工作站在线监测回型微生物燃料电池的产电性能；当回型微生物燃料电池经过稳定输出电压时期，输出电压下降时，分别更换新的阳极液和阴极液，进行第二次驯化；按上述步骤重复五次驯化后，完成回型微生物燃料电池的驯化过程，之后由蠕动泵提供动力，启动阳极室的阳极液流入管阀门，使作为阴极液的硝态氮废水从第一阴极室下侧进入，流经第二阴极室和第四阴极室，从第三阴极室连通的阴极液流出管出口流出，作为阳极液的有机废水通过蠕动泵从阳极室底部连通的阳极液流入管入口流入阳极室，从阳极室顶部的阳极液流出管出水口流出，通过调节阳极液流入管、阳极液流出管、阴极液流入管和阴极液流出管上连接的阀门，使作为阴极液的硝态氮废水和作为阳极液的有机废水的流速均控制在0.8mL/min，通过电化学工作站在线监测回型微生物燃料电池的输出电压，每隔24h监测有机废水中COD_Cr和硝态氮废水中硝氮含量的变化。