一种集污水处理和二氧化碳还原制乙酸于一体的微生物电解池放大装置

本发明属于生物电化学、环境和能源的交叉领域，具体涉及一种集污水处理和二氧化碳还原制乙酸于一体的微生物电解池放大装置。

背景技术：

1、能源、环境与水资源是人类赖以生存的基础。近年来随着化石燃料，特别是石油和天然气使用量的快速增长，触发了全球性的能源危机。此外，化石燃料在使用过程中排放的大量co2会引起温室效应，并导致气候变暖。与此同时，人们在日常生活过程中产生了大量的生活污水。目前，广泛采用的污水处理技术主要是好氧生物处理，其中又以活性污泥法为主。然而，活性污泥法处理污水能耗高，同时，活性污泥法还产生大量的污泥，而对污泥的处理也需要很高的费用。污水中的有机物既是污染物，同时也含能量，可以通过资源化利用的方式去除。如污水中潜在的能量大约为污水处理时所消耗电能的10倍。

2、微生物电解池(microbial electrolysis cell，mec)是近年迅速发展起来的一种融合了污水处理和产生能源的新技术，可以在对污水进行生物处理的同时获得不同形式的能源，作为污水处理的新工艺，引起了国内外的广泛关注。mec技术不仅服了传统废水生物处理过程的缺点，而且回收的能源可以降低污水处理的成本。在能源、环境和水资源等问题日趋严重的今天，mec可以实现减少污染物排放和对化石类燃料依赖及污水再生利用三大目标，达到经济和环境的双赢。

3、利用生物阴极的微生物电解池还原二氧化碳生产乙酸的研究已有报道(wo2009/155587a2)。该方法使用生物阴极作为催化剂，通过设定不同的阴极极化电位实现调控微生物合成产物甲烷和乙酸。但是该装置中甲烷的生成降低了co2还原为乙酸的选择性，并且存在中处理规模小、处理效率低等问题。此外，集co2转化、污水处理预一体的微生物电解池装置也有报道(cn 201110209150.x)。该装置利用离子交换膜将微生物电解池的阳极室和阴极室隔开，阳极室产生的co2通过导气管道进入阴极室，在阴极室实现co2捕获以及向ch4转化，从而实现co2减排和有效利用的理念。但是该装置结构复杂、建造成本高，且不易规模放大。

4、因此，有必要研究和开发结构简单、建造成本低，且易规模放大的集co2转化、污水处理于一体的高性能微生物电解池装置。本发明公开了一种同时实现污水处理和二氧化碳还原产乙酸的微生物电解池放大装置，可同时较大规模实现污水处理与co2还原。该放大装置制备方法简单，结构稳定性高，能有效提高cod降解率与乙酸产率，为污水处理与co2还原提供有效的借鉴和技术支撑。

技术实现思路

1、本发明解决解决传统生活污水生物处理与传统电催化还原二氧化碳制乙酸能耗高以及传统mec启动速度慢、处理规模小的问题，提供一种集污水处理和二氧化碳还原制乙酸于一体的微生物电解池放大装置。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种集污水处理和二氧化碳还原制乙酸于一体的微生物电解池放大装置，包括通过导线串联的微生物电解池小试装置；串联方式为小试装置首尾相连，即第一个小试装置的正极连接第二个小试装置的负极，第二个小试装置的正极连接第三个小试装置的负极，依次类推；在不影响单个小试装置处理效果的前提下，将若干个小试装置串联以提升污水处理规模；

4、所述微生物电解池小试装置包括阳极室与阴极室，所述阳极室与阴极室中间用质子交换膜隔开；所述阳极室与阴极室分别设置生物阳极和生物阴极，所述生物阳极和生物阴极分别通过导线与电化学工作站的对电极与工作电极相连；

5、所述生物阴极包括阴极电极和阴极电极表面附着的电化学活性产乙酸菌s.ovata，所述产乙酸菌表面修饰有au和fe3o4纳米颗粒；所述生物阳极包括阳极电极和阳极电极表面附着的电化学活性产电菌g.sulfurreducens，所述产电菌g.sulfurreducens表面修饰有pda聚合物和fe3o4纳米颗粒；g.sulfurreducens pca购于德国菌种保存库(deutschesammlung von mikroorganismen und zellkulturen gmbh，dsmz)，菌株编号dsm 12127；s.ovata购于德国菌种保存库(deutsche sammlung von mikroorganismen undzellkulturen gmbh，dsmz)，菌株编号dsm 2662。将fe3o4纳米颗粒负载于细菌表面，使修饰后的电活性菌能迅速聚集至磁性电极；

6、所述阳极室与阴极室均设置进水口与出水口，所述出水口的高度高于所述进水口；

7、所述阳极室的进水口接入除氧气的污水，所述阴极室的进水口接入乙酸菌培养基溶液；

8、所述阴极室靠近底部位置设置曝气管，所述曝气管与生物阴极平行。

9、优选地，所述微生物电解池放大装置还包括气体监测装置，所述气体监测装置设置于进气管处，用于检测气体流量，所述进气管与微生物电解池小试装置的曝气管相连。

10、优选地，所述微生物电解池放大装置还包括排水管，所述排水管连接阳极室出水管和阴极出水管。

11、优选地，所述微生物电解池放大装置还包括支架。所述支架用于安装串联的一起的微生物电解池小试装置。

12、优选地，所述微生物电解池小试装置中阳极室进水管、阳极室出水管、阳极室、阴极室、阴极室进水管、阴极室出水管、曝气管均采用pvc材质制成。

13、优选地，所述电化学工作站的输出电流为-10ma。

14、优选地，所述微生物电解池放大装置包括9个40l的小试装置

15、优选地，所述微生物电解池放大装置放置于板房内部或其他可保持细菌生存的适宜温度场景中。

16、优选地，所述阳极电极和阴极电极均为石墨电极板，所述石墨电极板制备方法为：将永磁体封装在空心石墨棒中并在石墨棒表面装载可拆卸的碳布制成磁性石墨电极，将磁性石墨电极垂直嵌入在尺寸吻合的双层塑料支架上，上面用环氧树脂封装，组成电极板。更优选地，所述电极板上的磁性石墨电极数量为8个。

17、优选地，所述阳极室与阴极室的侧面设置取样口，方便对装置运行状况进行监测。

18、优选地，所述曝气管上设置气阀，所述气阀设置在与所述生物阴极上磁性石墨电极相对应的位置；更优选地，所述气阀的数量与磁性石墨电极相等，以使每个磁性石墨电极充分暴露在二氧化碳环境中。

19、优选地，所述微生物电解池放大装置还包括污水处理自动控制装置和用于输入控制指令的人机操作面板；所述的污水处理自动控制装置可以为现有的计算机或单片机。

20、一种利用所述微生物电解池放大装置实现污水处理和二氧化碳还原制乙酸的方法，包括以下步骤：将含有机物的污水除氧气后通过阳极进水管注入阳极室，将乙酸菌培养基溶液通过阴极进水管注入阴极室，将包含的co2气体通过曝气管输入阴极室，打开电化学工作站进行电解。

21、污水处理：通过污水进水管将除氧气的污水注入微生物电解池内作为阳极产电微生物生长的营养源，阳极产电微生物对污水中的有机物进行分解代谢，实现污水处理。

22、co2捕获于转化：沼气燃烧废气中的co2通过阴极室底部的进气管输入阴极室以及阳极产电微生物对污水中有机物分解代谢时产生co2、h+、电子迁移到阴极，在电辅助下阴极电极表面附着的电活性产乙酸菌捕获co2，催化co2、h+及电子转化为乙酸。

23、优选地，所述方法包括以下步骤：

24、步骤1、首先保持所述阳极室与阴极室中进水管的进水阀打开而出水管的排水阀关闭，将含有机物的污水除氧气后通过阳极进水管注入阳极室，将乙酸菌培养基溶液通过阴极进水管注入阴极室，将包含的co2气体通过曝气管输入阴极室，打开电化学工作站进行电解；当污水流量接近电解池体积时，关闭所述进水阀，其中当所述进水阀打开的时刻为气体监测装置计算的起始点；

25、步骤2、之后进入处理等待阶段，当检测到的co2浓度低于阈值时，使所述进水阀处于高流量状态、排水阀处于低流量状态；

26、步骤3、经过预定时间间隔后关闭所述进水阀和所述排水阀。

27、首次执行上述方法时从步骤1进入，之后循环步骤2和3实现最优化的污水处理效果。

28、优选地，所述预定时间间隔视电解池的容量以及进水、排水的速率而定，可以为10秒至1小时，优选10秒、20秒、30秒、1分钟、2分钟、5分钟、10分钟、15分钟、45分钟。

29、相对于现有技术，本发明的优点如下，

30、本发明基于单细菌修饰策略，将具有高导电性的纳米材料修饰于电活性细菌表面，显著提高其胞外电子传递效率；另一方面，将fe3o4纳米颗粒负载于细菌表面，使修饰后的电活性菌能迅速聚集至磁性电极，进而显著增强电极表面的细菌负载量，并大幅缩短启动时长(由原先的24h-48h缩短至30min)；本方法中生活污水的处理和二氧化碳还原生成乙酸的速率较快，解决了传统生活污水生物处理与传统电催化还原二氧化碳制乙酸能耗高以及传统mec启动速度慢、生物与电极之间的界面电子转移速率低的问题；本发明的微生物电解池放大装置制备方法简单、结构稳定性高、成本低、能耗低，可同时较大规模实现污水处理与co2还原，为生活污水和二氧化碳资源化利用提供了新途径，对节能减排和环境治理都具有重要的意义。