一种耐氧多功能生物阳极制备及其污水处理方法与流程

1.本发明属于环境污染生物电化学治理技术领域，特别是涉及一种耐氧多功能生物阳极制备及其污水处理方法。


背景技术：

2.水污染是水资源水质性短缺的主要原因之一，严峻挑战着人类社会的健康发展。近年来，全球人口持续长及人们生活需水量不断增加，使得水资源困乏矛盾凸显，人类社会面临重大考验。
3.微生物电化学污水处理技术是一种通过微生物催化降解有机物产生电能的新兴污水处理方法，为当前水环境污染治理领域的研究热点。然而，实际污染处理过程中往往存在多电子受体(包括氧、硝酸盐、亚硝酸盐)共存现象，该情况下微生物催化有机物释放电子传递电极很容易受到干扰，不利于电极及相关微生物利用电子，给实际污水持续高效产电和污染处理带来影响，产电性能低，系统稳定性差，限制了该技术的进一步实际应用。因此，研究制备适应实际污水水质特点的高效生物催化电极，是微生物电化学污水处理技术成功应用的重要保障。
4.目前，为了克服上述问题，诸多研究人员尝试不同方法用以获得阳极生物膜的快速启动制备方法。其中：cn104393309b将光催化和微生物复合构建了阳极燃料电池系统，可以同时利用光能和生物能，从而提高系统能量效率；但是该专利系统单元环节多，通路复杂，光照培养下，系统管路极易发生堵塞，影响长期稳定运行。cn105655598b利用琼脂糖凝胶包埋法原位固定阳极产电菌群，实现固定化后的微生物燃料电池较好的电能回收效果。cn106698682b通过将已稳定运行了生物电化学反应器中阳极微生物作为接种物，严格厌氧条件下添加导电粒子提高阳极导电性进行培养，获得复合结构的阳极生物膜高效产电。上述的结合光催化法、包埋方法和添加导电粒子方法虽然能较好地实现阳极微生物的富集，提高微生物燃料电池的启动成功率，但本质上阳极微生物仍以厌氧异养菌为主，在实际污水多电子受体共存的环境中活性不佳，且缺乏代谢污水常规含氮污染物的能力，因此无法满足实际污水处理的需求。可见，适应实际复杂水质环境的稳定阳极生物膜制备，已成为限制生物电化学污水处理技术应用的主要因素。如何寻找一种经济有效、符合实际污水处理需求的生物电化学系统阳极生物高效稳定制备方法，至关重要。因此，我们提出了一种耐氧多功能生物阳极制备及其污水处理方法。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种耐氧多功能生物阳极制备及其污水处理方法，一方面，耐氧多功能生物阳极可以利用电活性异养微生物氧化代谢有机污染物回收有机污染物化学能转为电能，含氮污染物可在耐氧多功能生物阳极电活性脱氮微生物作用下完成一系列脱氮代谢反应得以去除；另一方面，在多功能生物阳极的表面产生弱电场吸引污染物离子，经络合沉淀或氧化还原反应，从处理污水中得以去除。本发明
不但实现阳极微生物稳定富集，而且多微生物协同作用使得阳极代谢多样性增加，同时提高阳极的稳定性，同步脱氮产电效果稳定；脱氮产电效果达到稳定，简单的系统还可大幅度减少系统建造成本，具有良好的社会、生态及经济效益。
6.为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案：
7.本发明提供了一种耐氧多功能生物阳极制备，包括反应器一和反应器二，所述反应器一包括磁力搅拌器，所述磁力搅拌器的顶部设置有反应器一主体，所述反应器一主体内设置有耐氧多功能生物阳极，所述耐氧多功能生物阳极的顶部连通有阳极导线，所述耐氧多功能生物阳极上富集有阳极功能菌，所述反应器一主体底部设置有磁力搅拌子，所述反应器一主体的顶部有反应器盖，所述阳极导线贯穿反应器盖并延伸至反应器盖的顶部，所述反应器盖的顶部设置有进出水孔，所述进出水孔与反应器盖贯通，所述反应器一主体侧面设置有空气阴极，所述空气阴极的周围设置有密封垫圈，所述空气阴极的外侧设置有空气阴极堵头，所述空气阴极的正上部设置有阴极导线，所述空气阴极堵头与空气阴极之间设置有阴极固定夹，所述反应器一主体右上部设置有参比电极孔，所述参比电极孔设置在空气阴极的上部，所述参比电极孔内设置有参比电极，所述耐氧多功能生物阳极具体为附着有电活性脱氮与产电生物膜的电极，所述耐氧多功能生物阳极设置在反应器一主体中心位置，所述耐氧多功能生物阳极与阳极导线直接连接，所述空气阴极与阴极导线直接连接，所述耐氧多功能生物阳极与空气阴极位置相对，所述参比电极孔和参比电极呈45
°
倾斜设置在反应器一主体右上部，所述参比电极孔和参比电极的形状均为圆柱形，所述反应器盖横截面的形状为圆形，所述反应器盖与反应器一主体螺纹拧接。
8.进一步地，所述反应器一主体设置在磁力搅拌器的顶部中心处，所述反应器一主体与磁力搅拌器相抵，所述磁力搅拌器设置有旋钮和显示屏。
9.进一步地，所述密封垫圈与空气阴极相抵，所述空气阴极和密封垫圈的形状均为圆形。
10.进一步地，所述反应器二包括反应器二主体，所述反应器二主体内设置有耐氧多功能生物阳极二，所述耐氧多功能生物阳极二上富集有耐氧多功能阳极微生物二。
11.进一步地，所述反应器二主体的侧面分别设置有进水口和阳极导线，所述阳极导线二与耐氧多功能生物阳极二连通。
12.进一步地，所述反应器二主体内设置有生物催化空气阴极，所述生物催化空气阴极内富集有阴极功能菌，所述生物催化空气阴极设置在耐氧多功能生物阳极二的正上方。
13.进一步地，所述反应器二主体侧面设置有阴极导线，所述阴极导线设置在生物催化空气阴极的侧面，所述阴极导线与生物催化空气阴极连通。
14.进一步地，所述反应器二主体内设置有出水液面，所述第反应器二主体右上部设置有参比电极。
15.一种耐氧多功能生物阳极制备方法，适用于上述一种耐氧多功能生物阳极制备，包括以下步骤：
16.步骤一，阳极材料制备：通过温和预处理清洗碳毡、碳纸、碳布、碳刷、不锈钢网等基底材料，将基底材料置于烘箱40～60℃完全干燥，在材料表面修饰导电材料或不修饰直接备用；
17.步骤二，阳极功能菌富集培养：将同时硝化反硝化污泥驯化后，按照2％～10％接
种量接入微生物燃料电池反应器一或反应器二中，以含氮有机人工废水进行驯化启动，其中控制温度20～40℃、溶解氧0.0～8.5mg/l、外接电阻100～1000ω、搅拌器转速100～150rpm，含氮有机模拟废水的组成有氨氮0.1～1.0g/l、乙酸钠0.0～5.0g/l、氯化钾0.0～0.5g/l、磷酸氢二钾0.3g/l、硫酸镁0.1g/l、余量为自来水，ph值7.3～7.8，无需灭菌和通氩气除溶解氧；
18.步骤三，将步骤二驯化得到的多功能生物阳极微生物燃料电池反应器一或反应器二，继续以步骤二中模拟废水运行，直至周期性稳定电压输出与较好污染物去除实现，即认为耐氧多功能生物阳极制备成功。
19.一种污水处理方法，适用于上述的一种耐氧多功能生物阳极制备，包括以下步骤：
20.(i)待处理污水无需厌氧预处理，直接流入微生物燃料电池反应器内，启动装置，耐氧多功能生物阳极和空气阴极开始工作，发生生物电化学代谢污染物同步产电反应；
21.(ii)耐氧多功能生物阳极的反应效果稳定，污水得到净化处理。
22.本发明具有以下有益效果：
23.1、本发明通过耐氧多功能生物阳极制备，可在溶解氧0.0～8.5mg/l的范围内完成阳极多种生物催化反应，特别是自然高溶解氧条件下，具有该型生物阳极的生物电化学系统库伦效率与一般生物电化学系统处理实际污水情况下相当。本发明的耐氧多功能生物阳极处理效果稳定，而且还可以减少前处理带来的运行成本，实际应用性较强。
24.2、本发明耐氧多功能生物阳极兼具碳氮代谢多过程，将胞外产电电子传递与脱氮除碳代谢过程偶联，实现了cod、氨氮、总氮的最高去除效率99％、99％和98％的优异性能；在实际废水复杂电子受体共存(含有o2、no
3-、no
2-等)情况下，该型阳极依然保持高代谢活性；在初始溶氧大于8.0mg/l的污水中连续运行超过100天，具有该型阳极的生物电化学系统保持稳定运行，最大电流密度在0.30～0.55a/m3；以实际污水无需厌氧预处理，直接在高溶解氧水平下正常启动，实现同步污染去除与电能回收。
25.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明反应器一和反应器二的结构示意图；
28.图2为本发明实际污染治理应用流程框图；
29.图3为本发明耐氧多功能生物阳极制备方法的流程框图；
30.图4为本发明耐氧多功能阳极中优势功能菌组成图；
31.图5为本发明反应器二电流图。
32.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
33.1、磁力搅拌器；2、反应器一主体；3、耐氧多功能生物阳极一；4、空气阴极；5、空气阴极堵头；6、密封垫圈；7、阴极导线一；8、参比电极孔；9、参比电极一；10、反应器盖；11、进出水孔；12、阳极导线一；13、阴极固定夹；14、磁力搅拌子；15、阳极功能菌一；16、进水口；
17、阳极导线二；18、耐氧多功能生物阳极二；19、阴极导线二；20、空气生物阴极；21、阴极功能菌二；22、参比电极二；23、污水有效液面；24、反应器二主体；25、阳极功能菌。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
35.请参阅图1-图5所示，本发明为一种耐氧多功能生物阳极制备及其污水处理方法，包括反应器一和反应器二，反应器一包括反应器一主体1，反应器一主体1的底部设置有磁力搅拌器2，反应器一主体1内设置有耐氧多功能生物阳极一3，耐氧多功能生物阳极一3的顶部连通阳极导线一12，耐氧多功能生物阳极一3上富集有阳极功能菌一15，反应器一主体1的内底部设置有磁力搅拌子14，反应器一主体1的顶部有反应器盖10，阳极导线一12贯穿反应器盖10并延伸至反应器盖10的顶部，反应器盖10的顶部设置有进出水孔11，进出水孔11与反应器盖10连通，进出水孔11设置在阳极导线一12的侧面，反应器一主体1的侧面设置有空气阴极4，空气阴极4的周围设置有密封垫圈6，空气阴极4的外侧设置有空气阴极堵头5，空气阴极4的上部设置有阴极导线一7，空气阴极4与空气阴极堵头5之间设置有阴极固定夹13，反应器一主体1右上部设置有参比电极孔8，参比电极孔8设置在空气阴极4的上部，参比电极孔8内设置有参比电极一9，参比电极孔8设置在反应器盖10的下部，耐氧多功能生物阳极一3具体为附着有电活性脱氮及产电生物膜的电极，耐氧多功能生物阳极一3设置在反应器一主体1的中心位置，耐氧多功能生物阳极一3与阳极导线一12直接连接，空气阴极4与阴极导线一7直接连接，耐氧多功能生物阳极一3与空气阴极4位置相对，参比电极孔8和参比电极一9呈45
°
倾斜设置在反应器一主体1的右上部，参比电极孔8和参比电极一9的形状均为圆柱形，反应器盖10横截面的形状为圆形，反应器盖10与反应器一主体1螺纹拧接，反应器一主体1设置在磁力搅拌器1的顶部中心处，反应器一主体1与磁力搅拌器1相抵，磁力搅拌器1设置有旋钮和显示屏，密封垫圈6与空气阴极4相抵，空气阴极4和密封垫圈6的形状均为圆形。反应器二包括反应器二主体24，反应器二主体24内设置有耐氧多功能生物阳极二18，耐氧多功能生物阳极二18内设置有阳极功能菌二25，反应器二主体24的侧面分别设置有进水口16和阳极导线二17，阳极导线二17与耐氧多功能生物阳极二18连通，反应器二主体24内设置有空气生物阴极20，空气生物阴极20内设置有阴极功能菌21，空气生物阴极20设置在耐氧多功能生物阳极二18的正上方，反应器二主体24的侧面设置有阴极导线二19，阴极导线二19设置在空气生物阴极20的侧面，阴极导线二19与空气生物阴极20连通，反应器二主体24内设置有污水有效液面23，反应器二主体24的顶部设置有参比电极二22。上述反应器不局限于单一的主要特点是：(1)生物相容性好的阳极材料制备：通过温和预处理清洗电极基底材料，将基底材料置于烘箱干燥，在材料表面修饰导电材料或不修饰直接备用；(2)阳极功能菌富集培养：将同时硝化反硝化污泥驯化后，按照一定比例接种量接入微生物燃料电池反应器中，以含氮有机人工废水进行驯化启动，通过连续换液培养，形成活力强的同步硝化反硝化电活性混合菌；(3)耐氧多功能生物阳极培养：将电活性脱氮产电阳极置于含有自然高溶解氧水平的模拟废水培养液中，在有氧条件下继续采用生物电化学方法
进行培养，直到产生稳定的电流输出和脱氮效果，即形成所述的耐氧多功能生物阳极。接种的混合菌包含有氨氧化菌、反硝化菌、异养菌及电活性菌等微生物，有稳定的群落结构和高活性。阳极电极材具有导电性和生物相容性，其表面可以附着、生长电活性生物膜，可用碳毡、石墨毡、碳布、碳纸、碳刷、活性炭颗粒、石墨棒等导电材料。阴极电极材具有导电性和良好的氧还原性，可用自制阴极或商品化阴极。培养基可用人工模拟废水和实际废水，包括模拟含氮废水、一般生活污水、农村生活污水、村塘污水、养殖废水等。
36.一种耐氧多功能生物阳极制备方法，包括以下步骤：
37.步骤一，阳极材料制备：通过温和预处理清洗碳毡、碳纸、碳布、碳刷、不锈钢网等基底材料，将基底材料置于烘箱40～60℃完全干燥，在材料表面修饰导电材料或不修饰直接备用；
38.步骤二，阳极功能菌富集培养：将同时硝化反硝化污泥驯化后，按照2％～10％接种量接入微生物燃料电池反应器一或反应器二中，以含氮有机人工废水进行驯化启动，其中控制温度20～40℃、溶解氧0.0～8.5mg/l、外接电阻100～1000ω、搅拌器转速100～150rpm，含氮有机模拟废水的组成有氨氮0.1～1.0g/l、乙酸钠0.0～2.0g/l、氯化钾0.5g/l、磷酸氢二钾0.3g/l、硫酸镁0.1g/l、余量为自来水，ph值7.3～7.8，无需灭菌和通氩气除溶解氧；
39.步骤三，将步骤二驯化得到的多功能生物阳极微生物燃料电池反应器一或反应器二，继续以步骤二中模拟废水运行，直至周期性稳定电压输出与较好污染物去除实现，即认为耐氧多功能生物阳极制备成功。
40.一种污水处理方法，包括以下步骤：
41.(i)待处理污水无需厌氧预处理，直接流入微生物燃料电池反应器一或反应器二，启动装置，耐氧多功能生物阳极一或二和空气阴极开始工作，发生生物电化学代谢污染物同步产电反应；
42.(ii)耐氧多功能生物阳极一或二的反应效果稳定，污水得到净化处理。
43.实施例一：模拟氨氮有机废水以反应器一运行，批次运行。
[0044][0045]
实施例二：模拟硝酸盐有机废水以反应器一运行。
[0046][0047]
实施例三：实际生活污水以反应器二运行。
[0048][0049]
实施例四：源分离尿液废水以反应器二运行。
[0050][0051]
本实施例的一个具体应用为：将同时硝化反硝化污泥驯化后，按照2％～10％接种量接入空气阴极微生物燃料电池中，以含氮模拟废水进行继续驯化启动，控制温度20～40℃，溶解氧0.0～8.5mg/l，外接电阻100～1000ω，搅拌器转速100～150rpm；含氮有机人工废水的组成为：氨氮0.1～1.0g/l、乙酸钠0.0～5.0g/l、氯化钾0.0～0.5g/l、磷酸氢二钾0.3g/l、硫酸镁0.1g/l、余量为自来水，ph值7.3～7.8，无需灭菌和通氩气除氧；将得到成功启动的培养液，按照5％～10％的比例接种到后续启动的微生物燃料电池反应器中，实现耐氧多功能生物阳极制备；通过耐氧多功能生物阳极可以使实际污水无需厌氧预处理，直接高溶解氧水平下正常启动，使耐氧多功能生物阳极的处理效果稳定，通过在耐氧多功能生物阳极对污水进行处理。
[0052]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指
结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0053]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。