專利名稱：一種處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的裝置及技術的制作方法
技術領域：
本發明屬于廢水處理領域。涉及微生物燃料電池，具體的說是ー種雙室光合微生物燃料電池及其低能耗處理畜禽養殖廢水的裝置和方法。
背景技術：
畜牧養殖已成為水環境污染的三大源頭之一，畜禽糞尿的淋溶性很強，糞尿中的氮、磷及水溶性有機物等淋溶量很大，如不妥善處理，就會通過地表徑流和滲濾進入地下水層污染地下水。對地表水的影響則主要表現為，大量有機物質進入水體后，有機物的分解將大量消耗水中的溶解氧，使水體發臭；當水體中的溶解氧大幅度下降后，大量有機物質可在厭氧條件下繼續分解，分解中將會產生甲烷、硫化氫等有毒氣體，導致水生生物大量死亡；氮、磷可使水體富營養化，富營養化的結果會使水體中硝酸鹽和亞硝酸鹽濃度過高，人畜若長期飲用會引起中毒，而ー些有毒藻類的生長與大量繁殖會排放大量毒素于水體中，導致水生動物的大量死亡， 從而嚴重地破壞了水體生態平衡。對如何處理畜禽養殖廢水，目前尚缺乏成功的經驗。傳統的污水生物或物化處理方法不能用于豬場的污水處理，因為對有機質與氨氮濃度都很高的豬場廢水無法直接用好氧方法處理，即使經稀釋或預處理后能用好氧或厭氧-好氧組合エ藝處理，也因動カ能耗大、成本高而使豬場根本無法承受，更不用說還要花同處理廢水相當的資金對產生的剰余污泥進行處理處置。同吋，經這些生物方法處理后的出水N、P含量仍然很高而達不到排放標準，大量排放將造成近岸海域的富營養化和赤潮，同時也是ー種資源浪費。對如何經濟有效地處理豬場廢水是當今環境污染防治十分關注的問題，
近年來，畜禽養殖廢水處理的技術快速發展，專利申請號為CN201210184137.8，發明名稱為“利用畜禽糞便初級廢水生產微藻的方法”利用位置哦對廢水中的N、P及有機質有較強的去除能力降低了出水中的氮磷濃度，同時獲得了生物質，但是用于養藻的廢水進過稀釋、通過臭氧曝氣滅菌，エ序復雜，成本較高。專利申請號為CN2008201211891.5，發明名稱為“一體化畜禽廢水生物處理裝置”處理畜禽養殖廢水，裝置復雜，處理周期長。因而需要發展有效、簡單而又能夠資源化畜禽養殖廢水的方法。然而利用光合細菌與微藻應用于生物燃料電池處理養殖廢水，在污水凈化的同時生產菌藻蛋白和生物油脂方面的研究還沒有見到任何報導。通過菌藻回收動物糞尿水中的碳、氮、磷的同時產生清潔電能具有很高的經濟效益。
發明內容
1、技術方案:本發明的目的是提供ー種畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的裝置及方法，陽極光合細菌代謝畜禽養殖廢水中有機物產生電子和質子，降低出水C0D，陰極微藻吸收氮磷的同時光合作用提供了充足的溶氧作為電子受體，省去陰極常用的機械曝氣，節省耗能；該裝置在去除畜禽養殖廢水有機物、氮、磷的同吋，獲得菌藻蛋白和生物質并產生電能。
2、具體的運用方法:利用光微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的裝置，由陽極室、陰極室、陽極、陰極、隔膜、進水口、出水ロ、外電路構成，其特征在于該裝置陽極室側壁下部分出水ロ與陰極室進水口相連，裝置陰極室和陽極室采用透光材料制成，陽極室內接種光合細菌，陰極室接種微藻。所述利用光微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的裝置，陽極室和陰極室采用鋼化玻璃、有機玻璃、透明PVC板材、透明PC/PVC片材、壓克力板透明材料制成。所述利用光微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的裝置，采用紅、藍光源、白熾燈、日光燈、太陽光光源。所述利用光微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的裝置，陽、陰極的材料為碳布、碳氈、碳紙、石墨板、不銹鋼、鈦網、及生物質碳化材料。利用光微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的方法，畜禽養殖廢水通過陽極進水口加入陽極室，陽極室與空氣隔絕，形成厭氧環境，陽極室光合細菌以廢水中有機物為燃料，代謝有機物產生電子和質子分別通過外電路和隔膜到達陰極室，陽極室出水通過陰極室進水口進入陰極，陰極室微藻吸收陽極室出水氮磷促進其生長，光照條件下光合作用產生的氧氣與來自陽極室的電子和質子結合生成水產生電能。收獲陽極室光合細菌可提取細菌蛋白用于飼料生產，陰極室微藻經過濃縮、提取、轉脂制備生物柴油。所述利用光微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的方法，陰極接種微藻為小球藻、擬微綠球藻、柵藻、金藻、紫球藻、三角褐脂藻、雨聲紅球藻、魚腥藻、集胞藻、聚球藻。所述利用光微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的方法，陽極接種光合細菌為紅螺菌、紅假單胞菌和紅微菌。
所述利用光微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的方法，陽極光合細菌及陰極微藻采用膜分離或離心收獲菌體和微藻。所述利用光微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的方法，微生物燃料電池光照強度為2000-10000 lux，培養溫度為23-35°C
所述的利用畜禽糞便初級廢水生產微藻的方法，將培養至對數生長期的光合細菌和微藻以2 20%的接種量接種到陽極室和陰極室。
3、有益效果:提供ー種利用光微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的裝置及方法，本發明在去除畜禽養殖廢水有機物、氮、磷的同時，能夠獲得菌藻蛋白和用于制備生物油脂的微藻，并產生清潔電能；陰極微藻光合作用提高了陰極室溶氧，取消了常用的機械曝氣；同時解決傳統陰極需定期更換陰極電解液問題，實現真正意義上可持續性的MFC。該裝置具有設計簡單，方法可操作性強，運行費用大大降低等優點，有利于實現畜禽養殖廢水資源化，降低其處理成本。
圖1是本發明利用光微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的裝置示意圖。圖中標示:1_外電阻、2-陽極進水口、3-陰極、4-陰極進水口、5-陽極出水ロ、6-陽極、7-陽極出水口、8-質子膜、9-泵。圖2是本發明具體實施方式
中畜禽養殖廢水陽極光合菌處理COD變化和電池電壓變化過程圖。圖3是本發明具體實施方式
中畜禽養殖廢水陽極光合菌處理銨態氮變化過程圖。圖4是本發明具體實施方式
中畜禽養殖廢水近陽極光合細菌處理后，加入陰極培養微藻前后銨態氮含量變化過程圖。圖5是本發明具體實施方式
中畜禽養殖廢水近陽極光合細菌處理后，加入陰極培養微藻前后總磷含量變化過程圖。圖6是本發明具體實施方式
中畜禽養殖廢水近陽極光合細菌處理后，加入陰極培養微藻前后總氮含量變化過程圖。圖7是本發明具體實施方式
中畜禽養殖廢水近陽極光合細菌處理后，加入陰極培養微藻過程中微藻生長曲線。圖8是本發明具體實施方式
中畜禽養殖廢水近陽極光合細菌處理后培養陰極微藻總脂含量
具體實施例方式本發明提供了ー種利用光微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的裝置及方法，以下結合附圖對具體實施方式
加以說明。裝置實施例:本實施例利用光微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的裝置(圖1)，包括厭氧透明陽極室和好氧透明陰極室；陽極室和陰極室之間采用質子交換膜進行分隔；陽極和陰極通過導線和外電阻連成閉合回路。畜禽養殖廢水從陽極進水ロ加入陽極室，在密閉的陽極厭氧環境中，陽極室內的光合細菌通過代謝將廢水中的有機物產生電子、質子，電子經外電路轉移到陰極，質子經由質子交換膜擴散到陰極。陽極室出水通過陰極進水孔進入陰扱，陰極微藻吸收廢水中的氮磷等營養元素，通過光合作用提高陰極室溶氧，陰極室內的氧氣與從陽極通過導線傳遞到陰極室的電子和透過質子交換膜進入陰極室的質子結合生成水達到穩定產電的同時有效去除畜禽養殖廢水中C0D、N、P等污染物并獲得菌藻蛋白。實施例1:通過陽極加樣ロ向陽極室注入畜禽養殖廢水，按2%_20%比例接種光合細菌，接種完畢后密閉陽極室與空氣隔絕，以日光燈、白熾燈、LED燈或太陽作為光源，光強控制在2000-10000 lux，溫度控制23-35°C，陰極微藻產光合作用產生氧氣做為電子受體，系統處理50h后，畜禽養殖廢水COD去除率達94.4%，外載為1000 Q條件下電壓最高可到160 mv (圖2)，畜禽養殖廢水氨氮去除率為90.4% (圖3)。實施例2:陽極出水ロ與陰極進水口相連，用泵將陽極處理萬的畜禽養殖廢水蹦到陰極室，將培養至對數生長期的微藻按2-20%的接種量分別接種到陰極室液體中，微藻濃度約為0.1-0.5 g/L，培養的溫度為23°C-35°C。通過陽極加樣ロ向陽極室注入畜禽養殖廢水，按2%-20%比例接種光合細菌，以日光燈、白熾燈、LED燈或太陽作為光源，光強控制在2000-10000 lux,陽極出水培養微藻13天后，氨氮去除率為86.8% (圖4)總磷和總氮去除率分別為90.4%和96.7%(圖5，圖6)，微藻細胞密度測定采用分光光度法，將陰極藻液稀釋至一定倍數，測定波長680nm下的吸光度，畜禽養殖廢水未經陽極光合細菌處理直接養藻組接種初期OD68tl為0.952，培養13天后為1.23，經過陽極光合細菌處理后畜禽養殖廢水泵入陰極室培養微藻，微藻OD68tl由初始的0.932經過13天的生長后達4.04 (圖7)。實施例3:陰極室微藻培養13天后油脂含量為28.2%，略低于BGll培養基培養相同時間微藻油脂含量(圖8)，具體測定方法為取40 mL藻液，離心濃縮至0.8 mL，向其中加入2 mL甲醇和I mL氯仿,充分混合2 min.再加入I mL氯仿,混合30 s;加入ImL水,混合30 s,4000 rpm離心10 min,吸取全部氯仿層(底層)，60°C氮吹.將吹干后的離心管置于室溫下干燥至恒重，稱取離心管前后質量變化，即油脂重量，油脂重量與提取油脂藻干重之比即可得出油脂含量。實施例4:本實施例利用畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的裝置，陽極室和陰極室為有效容積4cm*4cm*6cm的長方體，隔開陽極室和陰極室的質子交換膜有效面積為16cm2。電路中1000 Q外電阻，輸出電壓通過數據米集器(Model 27XX integral series,Keithley Intruments Inc USA)自動記錄到計算機中(5min/次),開路電壓用數字萬用表測定。陽極進水自廈門某畜禽養 殖場。
權利要求
1.用光微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的裝置，由陽極室、陰極室、陽極、陰極、隔膜、進水口、出水ロ、外電路構成，其特征在于該裝置陽極室側壁下部出水口與陰極室上部進水口相連，裝置陰極室和陽極室采用透光材料制成，陽極室內接種光合細菌，陰極室接種微藻。
2.根據權利要求1所述的利用光微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的裝置，其特征在于:陽極室和陰極室采用鋼化玻璃、有機玻璃、PVC透明板材、PC/PVC透明片材、壓克力板透明材料制成。
3.根據權利要求1所述的利用光微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的裝置，其特征在于:所述光微生物燃料電池采用LED紅、藍光源、白熾燈、日光燈、太陽光光源。
4.根據權利要求1所述的利用光微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的裝置，其特征在于:所述陽、陰極材料為碳布、碳氈、碳紙、石墨板、不銹鋼、鈦網、及生物質碳化材料。
5.用光微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的方法，其特征在于:畜禽養殖廢水通過陽極進水口加入陽極室，陽極室與空氣隔絕，形成厭氧環境，陽極室光合細菌以廢水中有機物為燃料，代謝有機物產生電子和質子分別通過外電路和隔膜到達陰極室，陽極室出水通過陰極室進水口進入陰極，陰極室微藻吸收陽極室出水氮磷促進其生長，光照條件下光合作用產生的氧氣與來自陽極室的電子和質子結合生成水產生電能；收獲陽極室光合細菌可提取細菌蛋白用于飼料生產，陰極室微藻經過濃縮、提取、轉脂制備生物柴油。
6.根據權利要求5所述的利用光微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的方法，其特征在于:陰極接種微藻為小球藻、擬微綠球藻、柵藻、金藻、紫球藻、三角褐脂藻、雨聲紅球藻、魚腥藻、集胞藻、聚球藻。
7.根據權利要求5所述的利用光微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的方法，其特征在于陽極接種光合細菌為紅螺菌、紅假單胞菌和紅微菌。
8.根據權利要求5所述的利用光微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的方法，其特征在于陽極光合細菌及陰極微藻采用膜分離或離心收獲菌體和微藻。
9.根據權利要求5所述的利用光微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的方法，其特征在于微生物燃料電池光照強度2000-10000 lux，培養溫度為23-35°C。
10.根據權利要求5所述的利用畜禽糞便初級廢水生產微藻的方法，其特征在于將培養至對數生長期的光合細菌和微藻以2-20%的接種量分別接種到陽極室和陰極室。
全文摘要
本發明屬于污水控制技術領域的利用光微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水耦合生產生物柴油的裝置及方法。本發明涉及的光生物燃料電池，包括接種光合細菌的透光陽極室和接種微藻透光陰極室，兩室之間由質子交換膜隔開，陽極和陰極分別固定于陽、陰極室內。陽極室與空氣隔絕形成厭氧環境，陽極光合細菌代謝畜禽養殖廢水中的有機物產生質子和電子，陰極室接種的微藻吸收陽極出水氮、磷促進其生長，微藻光合作用提供了充足的溶解氧作為電子受體。本裝置陽、陰極室接種光合微生物，提高了光利用率，陽極室光合細菌可用于生產菌蛋白，陰極室微藻可提取油脂。本方法具有有機物、N、P處理好，抗沖擊負荷能力強、經濟效益高等優點。
文檔編號C12R1/89GK103086520SQ20131002531
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月23日 優先權日2013年1月23日
發明者趙峰, 吳義誠, 王魯, 鄭越 申請人:中國科學院城市環境研究所