申請日2015.09.24
公開(公告)日2015.12.16
IPC分類號H01M8/16; H01M4/86; C02F103/10; H01M4/90; C02F3/34; H01M4/88
摘要
本發(fā)明涉及一種生物陰極及其制備方法、微生物微電池、處理酸性礦井廢水的裝置，生物陰極由固定有硫酸鹽還原菌的活性小球構(gòu)成。該生物陰極可以有效固定硫酸鹽還原菌，微生物微電池以活性炭顆粒吸附產(chǎn)電菌為陽極，以固定有硫酸鹽還原菌的活性小球?yàn)樯镪帢O，構(gòu)成三維微型微生物燃料電池(簡稱微生物微電池)。利用包括微生物微電池構(gòu)成的酸性礦井廢水的處理裝置可以處理酸性、含硫酸根和重金屬離子的礦井廢水和工業(yè)廢水。
摘要附圖
權(quán)利要求書
1.一種生物陰極，由固定有硫酸鹽還原菌的活性小球構(gòu)成。
2.一種生物陰極的制備方法，步驟包括：
A、制備硫酸鹽還原菌菌液：將硫酸鹽還原菌液態(tài)培養(yǎng)至穩(wěn)定期，離心濃縮菌液中硫酸 鹽還原菌濃度至2×107～3×107個(gè)/mL;
B、用活性炭粉末吸附硫酸鹽還原菌：將活性炭粉末加入到硫酸鹽還原菌菌液中，密封 靜置至吸附飽和，制得含活性炭粉末菌液;
C、制備混合溶液：聚乙烯醇用純水浸泡24h，水浴加熱攪拌溶解后依次加入海藻酸鈉、 二氧化硅、碳酸鈣，水、聚乙烯醇、海藻酸鈉、二氧化硅、碳酸鈣的質(zhì)量比為900：100：10： 30：3;攪拌至全溶后冷卻到35-40℃。
D、將混合溶液緩慢加入含活性炭粉末菌液中，攪拌均勻，制得混合懸液，混合溶液與 含活性炭粉末菌液體積比為10:4，將混合懸液滴加至含質(zhì)量百分含量為2%CaCl2的飽和硼酸 溶液中，固化成球交聯(lián)24h以上，然后用0.9%的生理鹽水洗滌，制得生物陰極。
3.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于：所述步驟B中活性炭粉末粒徑55.5-74 μm、比表面積3500m2/g，活性炭粉末在硫酸鹽還原菌菌液中的濃度為90g/L;所述吸附菌液 的時(shí)間為30min以上。
4.一種微生物微電池，由生物陰極和陽極構(gòu)成，所述微生物微電池?zé)o膜、無導(dǎo)線，陰極 和陽極均勻混合呈多點(diǎn)接觸的三維結(jié)構(gòu)。所述陽極為活性炭顆粒和厭氧活性污泥按質(zhì)量比1： 2混合而成，活性炭顆粒粒徑3-5mm，比表面積500-900m2/g，所述厭氧活性污泥中混合液懸 浮固體濃度為10-15g/L;微生物微電池中生物陰極和陽極體積比為1:5。
5.一種酸性礦井廢水的處理裝置，由槽體、槽蓋、進(jìn)水口，出水口、微生物微電池構(gòu)成， 微生物微電池設(shè)置在槽體中下部，進(jìn)水口位于槽體下部的槽壁上，出水口位于槽體上部的槽 壁上，槽體頂部用槽蓋進(jìn)行密封。
6.如權(quán)利要求5所述的處理裝置，其特征在于：所述處理裝置還包括出泥口、進(jìn)泥管、 布泥管、溢流槽，所述出泥口設(shè)置在槽體底部，進(jìn)泥管穿過槽蓋中部進(jìn)入槽體內(nèi)部，位于槽 體內(nèi)部的進(jìn)泥管端部設(shè)置布泥管與進(jìn)泥管聯(lián)通，布泥管上設(shè)置若干個(gè)噴口，槽體內(nèi)部靠近出 水口一側(cè)設(shè)置溢流槽。
說明書
一種生物陰極及其制備方法、微生物微電池、處理酸性礦井廢水的裝置
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及污水處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種生物陰極及其制備方法、微生物微電池、 處理酸性礦井廢水的裝置。
背景技術(shù)
酸性重金屬礦井廢水(AcidicMineDrainage,簡稱AMD)污染是一個(gè)世界性的問題，AMD 中含有高濃度的硫酸鹽和可溶性的重金屬離子，同時(shí)pH低、酸度大。因此一旦排放將會對 河流及其生物產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至?xí)廴镜叵滤w。一旦污染發(fā)生將很難治理。
微生物燃料電池MFC技術(shù)是一種新能源技術(shù)和有機(jī)廢水處理技術(shù)，能以各種廢水中的有 機(jī)物為燃料，在處理廢水的同時(shí)產(chǎn)生電能，實(shí)現(xiàn)廢物處理和能源回收，并且具有反應(yīng)條件溫 和，能量轉(zhuǎn)化效率高和無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。但目前MFC產(chǎn)電能力較低， 成本較高，距離實(shí)際獲取能源還有一定的距離。制約因素一是目前MFC主要以空氣中氧氣為 電子受體，需采用貴金屬催化劑Pt提高陰極反應(yīng)效率O2+H+=H2O;二是雙室結(jié)構(gòu)，需采用 質(zhì)子交換膜阻隔陰極室空氣進(jìn)入陽極室，使得MFC電池的材料消耗成本過高;三是導(dǎo)線腐蝕、 貴金屬催化劑失活和膜生物膜污染問題使得MFC電池使用壽命有限。
新型生物陰極MFC利用生物酶催化來替代陰極反應(yīng)區(qū)的貴金屬催化劑Pt來加快電子傳 遞速率，降低MFCs的制作成本，提高其運(yùn)行的穩(wěn)定性，還可以利用陰極特定微生物去除特 定的污染物，具有很好的工程應(yīng)用前景。但常規(guī)吸附法制備的生物陰極，微生物會隨著出水 流失，處理效果逐步降低。急需新的技術(shù)途徑延長生物陰極的使用壽命。
利用聚乙烯醇和海藻酸鈉的混合物為固定化載體包埋制備的固定化生物小球具有強(qiáng)度 高、機(jī)械性能好、生物兼容性好、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于某些有機(jī)物廢水處理的 研究，如：劉巍等采用新型固定化生物小球處理模擬苯胺廢水獲得成功[J].環(huán)境科學(xué)學(xué) 報(bào),2009,29(6):1195～1202;蔡昌鳳、孫菲在PVA固定化的基礎(chǔ)上加入傳質(zhì)載體4%PAC，固 定化球孔隙率增大，改善了傳統(tǒng)PVA小球的“結(jié)塊”現(xiàn)象，使傳統(tǒng)PVA小球內(nèi)部結(jié)構(gòu)由原來的 聚結(jié)成塊變?yōu)樾∏蚨逊e的孔狀結(jié)構(gòu)，明顯提高了固定化球的傳質(zhì)和通透性，制備的硝化菌固 定化球和反硝化菌固定化球處理模擬焦化廢水效果獲得顯著提高[J].水處理技術(shù) 2010.36(7):74-78。新興的微生物固定化技術(shù)不僅可以減少菌種流失，還可以避免微生物與 水中某些有毒物質(zhì)直接接觸，減少其對微生物可能造成的傷害。但尚未見采用微生物固定化 小球制備生物陰極的報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種生物陰極及其制備方法、微生物微電池、處理酸 性礦井廢水的裝置。該生物陰極可以有效固定硫酸鹽還原菌，微生物微電池以活性炭顆粒吸 附產(chǎn)電菌為陽極，以固定有硫酸鹽還原菌的活性小球?yàn)樯镪帢O，構(gòu)成三維微型微生物燃料 電池(簡稱微生物微電池)。利用包括微生物微電池構(gòu)成的酸性礦井廢水的處理裝置可以處理 酸性、含硫酸根和重金屬離子的礦井廢水和工業(yè)廢水。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
一種生物陰極，由固定有硫酸鹽還原菌的活性小球構(gòu)成。
一種生物陰極的制備方法，步驟包括：
A、制備硫酸鹽還原菌菌液：將硫酸鹽還原菌液態(tài)培養(yǎng)至穩(wěn)定期，離心濃縮菌液中硫酸 鹽還原菌濃度至2×107～3×107個(gè)/mL;
B、用活性炭粉末吸附硫酸鹽還原菌：將活性炭粉末加入到硫酸鹽還原菌菌液中，密封 靜置至吸附飽和，制得含活性炭粉末菌液;
C、制備混合溶液：聚乙烯醇用純水浸泡24h，水浴加熱攪拌溶解后依次加入海藻酸鈉、 二氧化硅、碳酸鈣，水、聚乙烯醇、海藻酸鈉、二氧化硅、碳酸鈣的質(zhì)量比為900：100：10： 30：3;攪拌至全溶后冷卻到35-40℃。
D、將混合溶液緩慢加入含活性炭粉末菌液中，攪拌均勻，制得混合懸液，混合溶液與 含活性炭粉末菌液體積比為10:4，將混合懸液滴加至含質(zhì)量百分含量為2%CaCl2的飽和硼酸 溶液中，固化成球交聯(lián)24h以上，然后用0.9%的生理鹽水洗滌，制得生物陰極。
所述步驟B中活性炭粉末粒徑55.5-74μm、比表面積3500m2/g，活性炭粉末在硫酸鹽還 原菌菌液中的濃度為90g/L;所述吸附菌液的時(shí)間為30min以上;
所述步驟C中水浴加熱溫度為90℃;
一種微生物微電池，由生物陰極和陽極構(gòu)成，所述微生物微電池?zé)o膜、無導(dǎo)線，陰極和 陽極均勻混合呈多點(diǎn)接觸的三維結(jié)構(gòu)。所述陽極為活性炭顆粒和厭氧活性污泥按質(zhì)量比1：2 混合而成，活性炭顆粒粒徑3-5mm，比表面積500-900m2/g，所述厭氧活性污泥中混合液懸浮 固體濃度為10-15g/L;微生物微電池中生物陰極和陽極體積比為1:5。
陽極中吸附活性污泥中的產(chǎn)電菌的活性炭顆粒與生物陰極即固定有硫酸鹽還原菌的活性 小球立體多點(diǎn)接觸，構(gòu)成無數(shù)微生物微電池。
一種酸性礦井廢水的處理裝置，由槽體、槽蓋、進(jìn)水口，出水口、微生物微電池構(gòu)成， 微生物微電池設(shè)置在槽體中下部，進(jìn)水口位于槽體下部的槽壁上，出水口位于槽體上部的槽 壁上，槽體頂部用槽蓋進(jìn)行密封;
所述處理裝置還包括出泥口、進(jìn)泥管、布泥管、溢流槽，所述出泥口設(shè)置在槽體底部， 進(jìn)泥管穿過槽蓋中部進(jìn)入槽體內(nèi)部，位于槽體內(nèi)部的進(jìn)泥管端部設(shè)置布泥管與進(jìn)泥管聯(lián)通， 布泥管上設(shè)置若干個(gè)噴口，槽體內(nèi)部靠近出水口一側(cè)設(shè)置溢流槽。
酸性礦井廢水的處理裝置在處理廢水前，先將活性炭顆粒與厭氧活性污泥(混合液懸浮 固體濃度10-15g/L)按質(zhì)量比例1:2混合均勻，活性炭顆粒吸附產(chǎn)電菌后，然后和固定有硫 酸鹽還原菌(SBR)活性小球(生物陰極)按體積比5:1攪拌均勻，加入到反應(yīng)槽中，密封 反應(yīng)槽;培養(yǎng)4天使SRB相對其它菌占有初始優(yōu)勢。然后系統(tǒng)開始進(jìn)酸性重金屬廢水進(jìn)行處 理，保證S042-充足，維持SRB的優(yōu)勢。處理后的廢水經(jīng)溢流槽出水口排出。
酸性礦井廢水的處理裝置運(yùn)行需定期置換污泥，由下部排泥口排出部分反應(yīng)后的污泥， 由布泥槽進(jìn)口加入新鮮城市生活污水廠厭氧活性污泥，保證微生物微電池系統(tǒng)正常運(yùn)行。
酸性礦井廢水的處理裝置中的微生物微電池具有處理酸性重金屬礦井廢水中重金屬離子 功能，陰極活性小球中的硫酸鹽還原菌以廢水中SO42-為電子受體、以陽極產(chǎn)生的小分子有機(jī) 酸(R-COOH)為碳源，完成生化反應(yīng)，降解酸性礦井廢水中硫酸根，生成的S2-可以結(jié)合絕 大多數(shù)的重金屬離子生成難溶硫化物沉淀，去除酸性礦井廢水中重金屬離子�？梢钥焖偬岣� 酸性礦井廢水pH值，使出水口排出的處理后的廢水pH≥6.2。
酸性礦井廢水的處理裝置也可以處理酸性重金屬工業(yè)廢水、汽車涂裝、電鍍等工業(yè)廢水， 使用中根據(jù)進(jìn)水SO42-濃度，補(bǔ)加硫酸鹽，使硫酸根離子濃度1000mg/L。并采用出水循環(huán)稀釋， 控制重金屬離子濃度在菌體耐受范圍。
本發(fā)明生物陰極中SRB不易流失，解決了酸性重金屬廢水低pH值、高重金屬離子濃度、 低C/S比碳源不足、反應(yīng)產(chǎn)物H2S對于硫酸鹽還原菌的抑制問題，從而達(dá)到提高pH、降解硫 酸根、去除重金屬離子，處理酸性重金屬廢水的目的。
本發(fā)明微生物微電池采用厭氧、無膜、無導(dǎo)線、三維電極新型結(jié)構(gòu)，利用污水處理廠厭 氧活性污泥作為微生物微電池燃料的碳源和產(chǎn)電菌菌源，陽極中活性炭顆粒吸附活性污泥中 的產(chǎn)電菌，產(chǎn)電菌厭氧降解污泥中有機(jī)物，產(chǎn)生電子;用固定有硫酸鹽還原菌的活性小球?yàn)?微生物微電池生物陰極;微生物微電池為三維立體結(jié)構(gòu)，吸附產(chǎn)電菌的活性炭顆粒與活性小 球多點(diǎn)接觸，陽極產(chǎn)生的電子直接傳遞給陰極，在其作用范圍構(gòu)成無數(shù)微生物微電池，無需 采用膜和導(dǎo)線構(gòu)成電回路，解決了導(dǎo)線在酸性條件下易因腐蝕發(fā)生斷路問題。
