申請(qǐng)日2015.09.08

　　公開(公告)日2015.11.25

　　IPC分類號(hào)C02F9/14; C02F3/34; C02F3/32

　　摘要

　　本發(fā)明公開一種環(huán)境友好型廢水資源化產(chǎn)能裝置及生產(chǎn)方法，向微生物電解池中注入廢水，第一光生物反應(yīng)器內(nèi)有甲烷氧化菌及營養(yǎng)液，第二光生物反應(yīng)器內(nèi)有微藻及營養(yǎng)液;啟動(dòng)裝置，將微生物電解池中產(chǎn)生的CO2、CH4及H2混合氣通入光生物反應(yīng)器中，甲烷氧化菌將CH4氧化成CO2，微藻利用光合作用固定CO2，同時(shí)光合作用產(chǎn)生的O2可用于甲烷氧化菌的代謝，混合氣體在第一光生物反應(yīng)器、第二光生物反應(yīng)器中循環(huán)反應(yīng)。此廢水資源化綠色回收方法在處理廢水的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)CO2和CH4的轉(zhuǎn)化，集產(chǎn)氫、捕捉CO2和CH4、產(chǎn)氧和產(chǎn)微藻生物質(zhì)于一體，是一種全新的環(huán)境友好型廢水處理及產(chǎn)能方法。

　　摘要附圖

 

　　權(quán)利要求書

　　1.一種環(huán)境友好型廢水資源化產(chǎn)能裝置，其特征在于，包括相連的第一光生物反應(yīng)器(18)、第二光生物反應(yīng)器(19)，第一光生物反應(yīng)器(18)內(nèi)有甲烷氧化菌(8)、第二光生物反應(yīng)器(19)內(nèi)有微藻(1);第一光生物反應(yīng)器(18)與第二光生物反應(yīng)器(19)之間設(shè)置有硅橡膠膜(4)，第二光生物反應(yīng)器(19)上設(shè)置有集氣球(3)與控制集氣球(3)的第一控制閥(2);第一光生物反應(yīng)器(18)上有第一氣體出口(5)，第一氣體出口(5)上通過導(dǎo)氣管(7)與微生物電解池(20)上端的第二氣體出口(11)連接，導(dǎo)氣管(7)上設(shè)置第二控制閥(6)。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種環(huán)境友好型廢水資源化產(chǎn)能裝置，其特征在于，所述微生物電解池(20)下方設(shè)置有出樣口(13);微生物電解池(20)內(nèi)分別設(shè)置有陽極(12)、陰極(14);微生物電解池(20)上方設(shè)置進(jìn)樣口(10);外加電源(9)的兩極分別與微生物電解池(20)上的陽極(12)、陰極(14)連接;其中外加電源(9)的負(fù)極通過外加電阻(15)與陰極(14)連接，信號(hào)采集器(16)接外加電阻(15)的兩端，信號(hào)采集器(16)與計(jì)算機(jī)(17)連接。

　　3.一種如權(quán)利要求1或2所述的一種環(huán)境友好型廢水資源化產(chǎn)能裝置的生產(chǎn)方法，其特征在于，向微生物電解池(20)中注入廢水，第一光生物反應(yīng)器(18)中附著甲烷氧化菌并注入營養(yǎng)液，第二光生物反應(yīng)器(19)中附著微藻并注入營養(yǎng)液;啟動(dòng)整個(gè)反應(yīng)裝置，關(guān)閉第一控制閥(2)，打開第二控制閥(6)，控制整體溫度為37℃，微生物電解池(20)的外加電源(9)外加電壓為0.9V;微生物電解池(20)中陽極(12)上的微生物降解廢水有機(jī)物產(chǎn)生CO2、CH4、和H+，H+到達(dá)以Pt作為催化劑的陰極后H+得電子產(chǎn)生氫氣，整個(gè)過程所產(chǎn)生的CO2、CH4和H2通過導(dǎo)氣管(7)進(jìn)入第一光生物反應(yīng)器(18)、第二光生物反應(yīng)器(19)中反應(yīng)，甲烷氧化菌利用CH4作為碳源將CH4氧化成CO2，微藻利用光合作用固定CO2，同時(shí)光合作用產(chǎn)生的O2可用于甲烷氧化菌的代謝，混合氣體在第一光生物反應(yīng)器(18)、第二光生物反應(yīng)器(19)中循環(huán)反應(yīng)，直到微生物電解池電壓低時(shí)，結(jié)束循環(huán)，關(guān)閉第二控制閥(6)，打開第一控制閥(2)，收集氣體，最終獲得高純度H2和O2。

　　4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種環(huán)境友好型廢水資源化產(chǎn)能裝置的生產(chǎn)方法，其特征在于，所述甲烷氧化菌所需營養(yǎng)液為按照0.1~1gMgSO4·7H2O，0.1~0.7gNH4Cl，0.05~0.25g無水CaCl2，0.5~1.5gKNO3，0.1~0.5gKH2PO4，0.5~1gNa2HPO4·12H2O，1~6mgFeCl3的比例制得。

　　5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種環(huán)境友好型廢水資源化產(chǎn)能裝置的生產(chǎn)方法，其特征在于，所述微藻所需營養(yǎng)液為按照每升海水中含有0.005~0.01gNaNO3，0.004~0.005gNaH2PO4·12H2O，0.8~1.2mlf/2維生素溶液，0.8~1.2mlf/2微量元素溶液的比例制得，

　　其中，f/2維生素溶液包括：濃度為0.0005g/L的維生素B12，0.0005g/L的維生素H，0.1g/L的維生素B1;

　　f/2微量元素溶液包括：濃度為0.023g/L的ZnSO4·4H2O，0.01g/L的CuSO4·5H2O，0.178g/L的MnCl2·4H2O，3.9g/L的FeC6H5O7·5H2O，0.073g/L的NaMoO4·2H2O，4.35g/L的Na2EDTA，0.012g/L的CoCl2·6H2O。

　　說明書

　　一種環(huán)境友好型廢水資源化產(chǎn)能裝置及生產(chǎn)方法

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明屬于環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種環(huán)境友好型廢水資源化產(chǎn)能裝置及生產(chǎn)方法。

　　背景技術(shù)

　　能源是人類社會(huì)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，當(dāng)今社會(huì)，隨著一次能源-化石燃料的燃燒，工業(yè)和經(jīng)濟(jì)得到了發(fā)展，然而化石能源的大量燃燒不僅使能源短缺，而且其釋放出的溫室氣體對(duì)環(huán)境氣候的影響也日益突出。溫室氣體主要包括CO2和CH4，近100年，全球氣溫升高0.6℃，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)中葉，全球氣溫將升高1.5-4.5℃，減少CO2的排放已經(jīng)成為大勢(shì)所趨。工業(yè)革命前，CH4濃度大約穩(wěn)定在700ppbv，從工業(yè)革命開始，CH4濃度迅速上升，目前已達(dá)到約1800ppbv，增長了近2.6倍，CH4強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)也不容小覷。

　　微生物電解池(Microbialelectrolysiscell，MEC)是一種廢水資源化的新技術(shù)，利用生物和電化學(xué)的協(xié)同作用將廢水中有機(jī)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為氫能(文獻(xiàn)EnvironmentalScienceandTechnology,2008,42(23):8630-8640)。與傳統(tǒng)的生物技術(shù)相比，微生物電解池可以突破熱力學(xué)限制并在溫和條件下利用廢水高效產(chǎn)氫;與直接電解水相比，減少了產(chǎn)氫的電能成本;微生物電解池有著廣泛的應(yīng)用范圍，例如，化工合成、難降解污染物去除、資源回收、生物電化學(xué)研究平臺(tái)和生物傳感器等(文獻(xiàn)WaterResearch,2014,56:11-25)。然而，微生物電解池在產(chǎn)生H2的同時(shí)也產(chǎn)生了CO2和CH4，不符合CO2和CH4的減排理念，因此，進(jìn)一步發(fā)展微生物電解池及開發(fā)減少CO2和CH4排放的工藝勢(shì)在必行。

　　甲烷氧化菌是一種以甲烷作為唯一碳源和能源的甲基營養(yǎng)型微生物，在自然環(huán)境中分布廣泛，土壤、淡水、海洋沉積物、泥潭沼澤和南極等環(huán)境中均有甲烷氧化菌的存在。甲烷氧化菌氧化甲烷的原理：第一步，利用還原劑NAD(P)H經(jīng)甲烷單加氧化酶(MethaneMonooxygenase,MMO)催化將甲烷氧化成甲醇;第二步，把甲醇氧化成甲醛到反應(yīng)最終產(chǎn)物CO2：甲烷氧化菌通過單磷酸核酮糖途徑(RuMPpathway)或絲氨酸途徑(Serinepathway)將甲醛轉(zhuǎn)化為細(xì)胞物質(zhì)，以及在甲醛脫氫酶(formaldehydedehydrogenase，F(xiàn)ADH)的催化下氧化為甲酸，甲酸脫氫酶(formatedehydrogenase,FDH)催化甲酸氧化為CO2(文獻(xiàn)MicrobiologyandMolecularBiologyReviews,1996,6(2):439-471)。

　　微藻是一類在陸地、海洋分布廣泛，營養(yǎng)豐富、光合利用度高的自養(yǎng)植物，微藻細(xì)胞中含有蛋白質(zhì)、β-胡蘿卜素、藻多糖、脂類、EPA、DHA、多種無機(jī)元素(如Cu、Fe、Se、Mn、Zn等)等高價(jià)值的營養(yǎng)成分和化工原料，廣泛應(yīng)用在醫(yī)藥、食品、水產(chǎn)養(yǎng)殖、環(huán)保、農(nóng)業(yè)及基因工程等領(lǐng)域。微藻固定CO2具有眾多優(yōu)勢(shì)(文獻(xiàn)BiotechnologyProgress,2008,24(4):815-820)：①微藻可以直接利用太陽能進(jìn)行光合固碳，較物化法節(jié)省了大量的能源;②產(chǎn)生的微藻生物質(zhì)可以應(yīng)用到食品、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，避免了物化處理后帶來的二次污染;③微藻的固碳效率是一般陸生植物的10~50倍，并且具有占地面積小，生長條件范圍廣，可在極端條件下生存等優(yōu)點(diǎn)。

　　因此綜合MEC具有同步廢水處理且產(chǎn)氫的能力、甲烷氧化菌降解甲烷的能力和微藻固定二氧化碳的能力，構(gòu)建一套全新的環(huán)境友好型廢水資源化系統(tǒng)和方法對(duì)于全方位解決環(huán)境問題具有重要的戰(zhàn)略意義。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明的目的是提供一種環(huán)境友好型廢水資源化產(chǎn)能裝置及生產(chǎn)方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，在處理廢水的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)CO2和CH4的轉(zhuǎn)化，集產(chǎn)氫、捕捉CO2和CH4、產(chǎn)氧和產(chǎn)微藻生物質(zhì)于一體。

　　本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種環(huán)境友好型廢水資源化產(chǎn)能裝置，包括相連的第一光生物反應(yīng)器、第二光生物反應(yīng)器，第一光生物反應(yīng)器內(nèi)有甲烷氧化菌、第二光生物反應(yīng)器內(nèi)有微藻;第一光生物反應(yīng)器與第二光生物反應(yīng)器之間設(shè)置有硅橡膠膜，第二光生物反應(yīng)器上設(shè)置有集氣球與控制集氣球的第一控制閥;第一光生物反應(yīng)器上有第一氣體出口，第一氣體出口上通過導(dǎo)氣管與微生物電解池上端的第二氣體出口連接，導(dǎo)氣管上設(shè)置第二控制閥。

　　進(jìn)一步的，所述微生物電解池下方設(shè)置有出樣口;微生物電解池內(nèi)分別設(shè)置有陽極、陰極;微生物電解池上方設(shè)置進(jìn)樣口;外加電源的兩極分別與微生物電解池上的陽極、陰極連接;其中外加電源的負(fù)極通過外加電阻與陰極連接，信號(hào)采集器接外加電阻的兩端，信號(hào)采集器與計(jì)算機(jī)連接。

　　本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是，一種環(huán)境友好型廢水資源化產(chǎn)能裝置的生產(chǎn)方法，向微生物電解池中注入廢水，第一光生物反應(yīng)器中附著甲烷氧化菌并注入營養(yǎng)液，第二光生物反應(yīng)器中附著微藻并注入營養(yǎng)液;啟動(dòng)整個(gè)反應(yīng)裝置，關(guān)閉第一控制閥，打開第二控制閥，控制整體溫度為37℃，微生物電解池的外加電源外加電壓為0.9V;微生物電解池中陽極上的微生物降解廢水有機(jī)物產(chǎn)生CO2、CH4、和H+，H+到達(dá)以Pt作為催化劑的陰極后H+得電子產(chǎn)生氫氣，整個(gè)過程所產(chǎn)生的CO2、CH4和H2通過導(dǎo)氣管進(jìn)入第一光生物反應(yīng)器、第二光生物反應(yīng)器中反應(yīng)，甲烷氧化菌利用CH4作為碳源將CH4氧化成CO2，微藻利用光合作用固定CO2，同時(shí)光合作用產(chǎn)生的O2可用于甲烷氧化菌的代謝，混合氣體在第一光生物反應(yīng)器、第二光生物反應(yīng)器中循環(huán)反應(yīng)，直到微生物電解池電壓低時(shí)，結(jié)束循環(huán)，關(guān)閉第二控制閥，打開第一控制閥，收集氣體，最終獲得高純度H2和O2。

　　進(jìn)一步的，所述甲烷氧化菌所需營養(yǎng)液為按照0.1~1gMgSO4·7H2O，0.1~0.7gNH4Cl，0.05~0.25g無水CaCl2，0.5~1.5gKNO3，0.1~0.5gKH2PO4，0.5~1gNa2HPO4·12H2O，1~6mgFeCl3的比例制得。

　　進(jìn)一步的，所述微藻所需營養(yǎng)液為按照每升海水中含有0.005~0.01gNaNO3，0.004~0.005gNaH2PO4·12H2O，0.8~1.2mlf/2維生素溶液，0.8~1.2mlf/2微量元素溶液的比例制得，其中，f/2維生素溶液包括：濃度為0.0005g/L的維生素B12，0.0005g/L的維生素H，0.1g/L的維生素B1;f/2微量元素溶液包括：濃度為0.023g/L的ZnSO4·4H2O，0.01g/L的CuSO4·5H2O，0.178g/L的MnCl2·4H2O，3.9g/L的FeC6H5O7·5H2O，0.073g/L的NaMoO4·2H2O，4.35g/L的Na2EDTA，0.012g/L的CoCl2·6H2O。

　　本發(fā)明的有益效果是，反應(yīng)條件溫和、操作步驟簡單、裝置易于搭配、產(chǎn)物綠色環(huán)保，不僅實(shí)現(xiàn)了廢水降解、H2與少量O2而且產(chǎn)生了微藻生物質(zhì)，更是消除了電解池中微生物生物代謝過程中產(chǎn)生的“溫室氣體”：CO2和CH4，比單一的微生物電解池更環(huán)保、更減排，達(dá)到了廢水的最大資源化利用，是一種全新的環(huán)境友好型廢水處理及產(chǎn)能方法，為廢水能源回收領(lǐng)域提供了一種新思路。