申請日2014.04.25
公開(公告)日2014.07.16
IPC分類號C02F3/34; C12R1/01; C12P7/04; C02F3/28
摘要
本發(fā)明提供一種利用微生物電解池實(shí)現(xiàn)污水處理和二氧化碳還原制甲醇的方法。在該方法中，將有機(jī)污水去除氧氣后注入微生物電解池內(nèi)作為陽極產(chǎn)電微生物生長的營養(yǎng)源，陽極產(chǎn)電微生物對污水中的有機(jī)物進(jìn)行分解代謝以產(chǎn)生CO2、H+及電子，同時在電輔助及陰極生物催化劑作用下，產(chǎn)生的H+及電子在陰極表面將CO2還原為甲醇。本發(fā)明的方法無需使用昂貴的催化劑，成本低，能耗低，且有機(jī)污水的處理和二氧化碳還原生成甲醇的速率較快，解決了傳統(tǒng)有機(jī)污水生物處理能耗高及傳統(tǒng)電催化還原二氧化碳制甲醇能耗高與陰極催化劑效率低的問題，為有機(jī)廢水和二氧化碳資源化利用提供了新途徑，對節(jié)能減排和環(huán)境治理都具有重要的意義。
權(quán)利要求書
1. 一種利用微生物電解池實(shí)現(xiàn)污水處理和二氧化碳還原制甲醇的方法，其特征在于：用質(zhì)子交換膜將微生物電解池分隔為陽極室和陰極室，在陽極室和陰極室分別放置陽極和陰極，陽極和陰極通過導(dǎo)線分別與直流穩(wěn)壓電源的高電位端和低電位端連接;
以厭氧活性污泥為接種物，以有機(jī)污水為培養(yǎng)基，將接種物與培養(yǎng)基的混合液去除氧氣然后添加至陽極室中，使陽極表面附著有產(chǎn)電微生物;
在35℃下在體積比為1:1的甲烷和空氣的混合氣體氣氛中將電化學(xué)活性產(chǎn)甲醇菌置于無機(jī)鹽培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)，然后將所得的細(xì)胞懸液添加至陰極室中，從而實(shí)現(xiàn)用生物催化劑即電化學(xué)活性產(chǎn)甲醇菌修飾陰極表面;
將有機(jī)污水去除氧氣后注入陽極室，流經(jīng)陽極后經(jīng)陽極室排水管流出，另外向陰極室的溶液鼓充CO2，陽極產(chǎn)電微生物對有機(jī)污水中的有機(jī)物進(jìn)行分解代謝以產(chǎn)生CO2、H+及電子，同時在電輔助及陰極生物催化劑作用下，產(chǎn)生的H+及電子在陰極表面將CO2還原為甲醇。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中接種物與培養(yǎng)基的混合液中接種物與培養(yǎng)基的體積比為1:9。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述電化學(xué)活性產(chǎn)甲醇菌為甲基彎菌IMV 3011。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述無機(jī)鹽培養(yǎng)基成分為(g/L)：NH4Cl 0.5;K2HPO4 0.49;KH2PO4·7H2O 0.40;MgSO4·7H2O 0.3;CaCl2·2H2O 0.02;KNO3 1.6;NaCl 0.3;FeSO4·7H2O 0.004;CuSO4·5H2O 0.004;MnSO4·H2O 0.0004;ZnSO4·7H2O 0.00034;Na2MoO4·2H2O 0.00024;pH=7.0。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中在250 mL三角瓶中放入50 mL無機(jī)鹽培養(yǎng)基，接種后用真空泵抽真空后置換入體積比為1:1的甲烷和空氣的混合氣體，在35℃培養(yǎng)一定時間后以9000 rpm 離心10 min收集菌體，用含有5 mmol/L MgCl2且pH=7.0的20 mmol/L磷酸鹽緩沖液洗滌菌體兩次，然后將菌體分散到無氧氣、滅菌的、未使用過的所述無機(jī)鹽培養(yǎng)基中，最后將所得的細(xì)胞懸液接種到陰極室。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或5所述的方法，其中微生物電解池殼體采用有機(jī)玻璃、PVC、玻璃、碳鋼或混凝土材質(zhì)制成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或5所述的方法，其中所述的陽極為碳布、顆粒石墨、網(wǎng)狀玻璃碳、顆�；钚蕴炕蛱祭w維刷。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或5所述的方法，其中所述的陰極為碳布、顆粒石墨、網(wǎng)狀玻璃碳、顆�；钚蕴炕蛱祭w維刷。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或5所述的方法，其中微生物電解池的陰極電位設(shè)定為-0.58V~-1.5V(vs.NHE)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或5所述的方法，其中所述有機(jī)污水為適合微生物生長的有機(jī)污水，包括生活污水、食品加工廢水、淀粉加工廢水或啤酒廢水。
說明書
一種實(shí)現(xiàn)污水處理和二氧化碳還原制甲醇的方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于有機(jī)廢水處理及二氧化碳資源化利用的技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種利用微生物電解池實(shí)現(xiàn)污水處理和二氧化碳還原制甲醇的方法。
背景技術(shù)
能源、環(huán)境與水資源是人類賴以生存的基礎(chǔ)。近年來隨著化石燃料，特別是石油和天然氣使用量的快速增長，觸發(fā)了全球性的能源危機(jī)。此外，化石燃料在使用過程中排放的大量CO2會引起溫室效應(yīng)，并導(dǎo)致氣候變暖。如何將多余未參與碳循環(huán)的二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)槿剂虾突ぎa(chǎn)品，既可解決環(huán)境問題又能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，這已經(jīng)成為世界各國科學(xué)家努力探索的問題。二氧化碳經(jīng)電化學(xué)氫化還原反應(yīng)生成甲酸、甲烷、乙醇、甲醛等有機(jī)化合物(申請?zhí)朇N200810058543.3)，以及通過電化學(xué)催化還原二氧化碳制備甲酸(申請?zhí)朇N201110078394.9)，甲醇(申請?zhí)朇N201010266161.7)等方式都能進(jìn)行二氧化碳的資源化利用，但存在處理成本高，需要貴金屬催化劑，能耗大，環(huán)境友好性差等缺點(diǎn)。
與此同時，人們在日常生活、生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量的有機(jī)污水。目前，廣泛采用的污水處理技術(shù)主要是好氧生物處理，其中又以活性污泥法為主。然而，活性污泥法處理污水能耗高，同時，活性污泥法還產(chǎn)生大量的污泥，而對污泥的處理也需要很高的費(fèi)用。污水中的有機(jī)物既是污染物，同時也含能量，可以通過資源化利用的方式去除。如污水中潛在的能量大約為污水處理時所消耗電能的10倍。
隨著全球氣候變化與低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢不可避免，開發(fā)清潔能源、減少碳排放正成為國際社會各國的新目標(biāo)，而節(jié)能減排也已成為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的主題之一。微生物電解池(Microbial Electrolysis Cell，MEC)是近年迅速發(fā)展起來的一種融合了污水處理和產(chǎn)生能源的新技術(shù)，可以在對污水進(jìn)行生物處理的同時獲得不同形式的能源，作為污水處理的新工藝，引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。MEC技術(shù)不僅服了傳統(tǒng)廢水生物處理過程的缺點(diǎn)，而且回收的能源可以降低污水處理的成本。在能源、環(huán)境和水資源等問題日趨嚴(yán)重的今天，MEC可以實(shí)現(xiàn)減少污染物排放和對化石類燃料依賴及污水再生利用三大目標(biāo)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的雙贏，這為有機(jī)污水的資源化處理提供了新思路。
在微生物電解池的陽極，以產(chǎn)電微生物為催化劑，避免了傳統(tǒng)電化學(xué)催化還原二氧化碳制備甲醇時所需要的貴金屬催化劑，同時產(chǎn)電微生物催化有機(jī)物氧化產(chǎn)生H+和電子，為陰極二氧化碳還原為甲醇提供了H+和電子，避免了傳統(tǒng)電化學(xué)催化還原二氧化碳制備甲醇時陽極電解水獲取H+和電子的高能耗。此外，在微生物電解池的陰極，以微生物為催化劑，避免了傳統(tǒng)電化學(xué)催化還原二氧化碳制備甲醇時所需要的貴金屬催化劑，并提高了陰極反應(yīng)效率和產(chǎn)物選擇性。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決傳統(tǒng)廢水好氧生物處理及傳統(tǒng)電化學(xué)催化還原二氧化碳制備甲醇系統(tǒng)存在的局限性，本發(fā)明提供了一種利用微生物電解池實(shí)現(xiàn)污水處理和二氧化碳還原制甲醇的方法，在處理有機(jī)污水的同時可以獲得化工產(chǎn)品甲醇，為有效處理有機(jī)污水提供了新途徑，對節(jié)能減排和環(huán)境治理都具有重要的意義。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
一種利用微生物電解池實(shí)現(xiàn)污水處理和二氧化碳還原制甲醇的方法，其特征在于：用質(zhì)子交換膜將微生物電解池分隔為陽極室和陰極室，在陽極室和陰極室分別放置陽極和陰極，陽極和陰極通過導(dǎo)線分別與直流穩(wěn)壓電源的高電位端和低電位端連接;
以厭氧活性污泥為接種物，以有機(jī)污水為培養(yǎng)基，將接種物與培養(yǎng)基的混合液去除氧氣然后添加至陽極室中，使陽極表面附著有產(chǎn)電微生物;
在35℃下在體積比為1:1的甲烷和空氣的混合氣體氣氛中將電化學(xué)活性產(chǎn)甲醇菌置于無機(jī)鹽培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)，然后將所得的細(xì)胞懸液添加至陰極室中，從而實(shí)現(xiàn)用生物催化劑即電化學(xué)活性產(chǎn)甲醇菌修飾陰極表面;
將有機(jī)污水去除氧氣后注入陽極室，流經(jīng)陽極后經(jīng)陽極室排水管流出，另外向陰極室的溶液鼓充CO2，陽極產(chǎn)電微生物對有機(jī)污水中的有機(jī)物進(jìn)行分解代謝以產(chǎn)生CO2、H+及電子，同時在電輔助及陰極生物催化劑作用下，產(chǎn)生的H+及電子在陰極表面將CO2還原為甲醇。
優(yōu)選地，其中接種物與培養(yǎng)基的混合液中接種物與培養(yǎng)基的體積比為1:9。
優(yōu)選地，其中所述電化學(xué)活性產(chǎn)甲醇菌為甲基彎菌IMV 3011。
優(yōu)選地，其中所述無機(jī)鹽培養(yǎng)基成分為(g/L)：NH4Cl 0.5;K2HPO4 0.49;KH2PO4·7H2O 0.40;MgSO4·7H2O 0.3;CaCl2·2H2O 0.02;KNO3 1.6;NaCl 0.3;FeSO4·7H2O 0.004;CuSO4·5H2O 0.004;MnSO4·H2O 0.0004;ZnSO4·7H2O 0.00034;Na2MoO4·2H2O 0.00024;pH=7.0。
優(yōu)選地，其中在250 mL三角瓶中放入50 mL無機(jī)鹽培養(yǎng)基，接種后用真空泵抽真空后置換入體積比為1:1的甲烷和空氣的混合氣體，在35℃培養(yǎng)一定時間后以9000 rpm 離心10 min收集菌體，用含有5 mmol/L MgCl2且pH=7.0的20 mmol/L磷酸鹽緩沖液洗滌菌體兩次，然后將菌體分散到無氧氣、滅菌的、未使用過的所述無機(jī)鹽培養(yǎng)基中，最后將所得的細(xì)胞懸液接種到陰極室。
優(yōu)選地，其中微生物電解池殼體采用有機(jī)玻璃、PVC、玻璃、碳鋼或混凝土材質(zhì)制成。
優(yōu)選地，其中所述的陽極為碳布、顆粒石墨、網(wǎng)狀玻璃碳、顆粒活性炭或碳纖維刷。
優(yōu)選地，其中所述的陰極為碳布、顆粒石墨、網(wǎng)狀玻璃碳、顆�；钚蕴炕蛱祭w維刷。
優(yōu)選地，其中微生物電解池的陰極電位設(shè)定為-0.58V~-1.5V(vs.NHE)。
優(yōu)選地，其中有機(jī)污水為適合微生物生長的有機(jī)污水，包括生活污水、食品加工廢水、淀粉加工廢水或啤酒廢水。
本發(fā)明的方法無需使用昂貴的鉑催化劑，成本低，能耗低，且有機(jī)污水的處理和二氧化碳還原生成甲醇的速率較快，解決了傳統(tǒng)有機(jī)污水生物處理能耗高及傳統(tǒng)電催化還原二氧化碳制甲醇能耗高與陰極催化劑效率低的問題，為有機(jī)廢水和二氧化碳資源化利用提供了新途徑，對節(jié)能減排和環(huán)境治理都具有重要的意義。
