本發(fā)明涉及一種瘤胃微生物燃料電池系統(tǒng)及利用水葫蘆產(chǎn)電的方法，屬于固體廢物資源化利用領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

湖泊水生植物可以去除水中的藻類、溶解性有機(jī)污染物質(zhì)和氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),并且能迅速吸收廢水中的重金屬離子，因此被廣泛應(yīng)用于湖泊的水質(zhì)改善和水環(huán)境修復(fù)。但是，水生植物同時(shí)也危害著生態(tài)環(huán)境、加速湖泊沼澤化，并對(duì)水中的溶解氧產(chǎn)生影響，造成湖泊的二次污染。因而尋找高效、經(jīng)濟(jì)的水生植物處置技術(shù)是十分重要的。目前，水生植物的處置方法包括用作動(dòng)物飼料、堆肥及厭氧生物消化等。當(dāng)湖泊水生植物如水葫蘆中有毒物質(zhì)含量低時(shí)，前兩種方法具有一定的應(yīng)用價(jià)值；否則，由于食物鏈的富集作用，當(dāng)水生植物用作動(dòng)物飼料或堆肥時(shí)會(huì)對(duì)人、畜等帶來(lái)危害。并且，由于水生植物中木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易于生物降解及轉(zhuǎn)化，需要先經(jīng)過(guò)復(fù)雜的預(yù)處理工藝將其轉(zhuǎn)化為低分子物質(zhì)才能被微生物所利用，因而研究直接處理水生植物秸稈的方法尤為重要。

微生物燃料電池(mfc)是一種新型的環(huán)境修復(fù)生物技術(shù)，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)廢物處置與能源回收。將植物秸稈等廢棄物作為微生物燃料電池的底物，以電能的形式回收其中含有的能源，將有利于有效的解決水生植物處理問(wèn)題。目前，已有相關(guān)報(bào)道，如：中國(guó)專利文獻(xiàn)cn104611262a公開(kāi)了一種降解纖維素的產(chǎn)電菌及其在燃料電池中的應(yīng)用，該發(fā)明提供的產(chǎn)電菌能夠以資源豐富的纖維素為底物進(jìn)行發(fā)電，將其應(yīng)用于微生物燃料電池中，適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)電電壓大，具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值和廣闊的使用前景；但該發(fā)明需要先進(jìn)行菌株的純化和篩選，步驟較為繁瑣，且其直接以纖維素為底物，未公開(kāi)對(duì)植物秸稈降解的相關(guān)數(shù)據(jù)。又如中國(guó)專利文獻(xiàn)cn101188306a公開(kāi)了微生物燃料電池及利用秸稈發(fā)電的方法，該發(fā)明的微生物燃料電池由容器、催化陽(yáng)極、陽(yáng)極導(dǎo)線、空氣陰極、陰極導(dǎo)線、陰極蓋和密封蓋組成；利用秸稈發(fā)電的方法包括步驟如下：秸稈的預(yù)處理；秸稈的解毒處理，得到秸稈固體底物和秸稈液體底物；電池的啟動(dòng)；處理秸稈固體底物或秸稈液體底物。該發(fā)明無(wú)污染，緩解了能源危機(jī)并且農(nóng)村秸稈得到了有效利用；但該發(fā)明需要對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理，步驟繁瑣，成本較高，且降解能力有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種瘤胃微生物燃料電池系統(tǒng)，該電池系統(tǒng)是將能降解纖維素、半纖維素的瘤胃微生物和微生物燃料電池整合于一體的固體廢物資源化裝置，該裝置管理維護(hù)簡(jiǎn)單、成本低。

本發(fā)明還提供一種采用上述瘤胃微生物燃料電池系統(tǒng)以水葫蘆為底物進(jìn)行產(chǎn)電的方法，通過(guò)瘤胃液中的微生物將水葫蘆秸稈中纖維素、半纖維素降解，可以有效的將其轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)固體廢物的資源化。

術(shù)語(yǔ)說(shuō)明：

瘤胃：瘤胃是反芻動(dòng)物的第一胃，是迄今已知的降解纖維物質(zhì)能力最強(qiáng)的天然發(fā)酵罐。

瘤胃液：瘤胃液是從反芻動(dòng)物的瘤胃內(nèi)取出的瘤胃內(nèi)容物，包含經(jīng)口腔進(jìn)入的食糜，瘤胃分泌物與脫落的組織。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種瘤胃微生物燃料電池系統(tǒng)，包括陽(yáng)極腔室和陰極腔室，其特征在于，陽(yáng)極腔室和陰極腔室通過(guò)連通管道相連接，所述連通管道內(nèi)設(shè)有質(zhì)子交換膜；所述陽(yáng)極腔室內(nèi)裝有陽(yáng)極液，并設(shè)置有陽(yáng)極電極；所述陰極腔室內(nèi)裝有陰極液，并設(shè)置有陰極電極；所述陽(yáng)極電極和陰極電極通過(guò)導(dǎo)線與外電阻連接形成閉合回路；所述陽(yáng)極電極和陰極電極通過(guò)導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與電腦相連接；所述陽(yáng)極液包含瘤胃液和培養(yǎng)基。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述瘤胃液是山羊進(jìn)食2-5小時(shí)后，從山羊瘤胃內(nèi)取出的瘤胃液。所述瘤胃液中包含有食物殘?jiān)?；所述質(zhì)子交換膜可市購(gòu)獲得。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述培養(yǎng)基的組成如下：k2hpo4400-500mg/l,kh2po4400-500mg/l，nacl800-1000mg/l,(nh4)2so4200-400mg/l，cacl2·2h2o100-150mg/l，mgso450-150mg/l。

優(yōu)選的，所述培養(yǎng)基的組成如下：k2hpo4450mg/l,kh2po4450mg/l，nacl900mg/l,(nh4)2so4300mg/l，cacl2·2h2o120mg/l，mgso490mg/l。

優(yōu)選的，所述瘤胃液與培養(yǎng)基的質(zhì)量比為1∶90-110。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述陽(yáng)極腔室和陰極腔室的底端設(shè)置有磁力攪拌子。所述磁力攪拌子用于攪拌腔室內(nèi)的液體。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述陽(yáng)極電極和陰極電極均為碳?xì)帧?/p>

優(yōu)選的，所述碳?xì)譃榻?jīng)預(yù)處理的碳?xì)?；所述預(yù)處理方法包括步驟如下：將碳?xì)忠来卧诒①|(zhì)量濃度為15％的稀鹽酸、質(zhì)量濃度為15％的稀硝酸中分別浸泡0.5-2h，然后用去離子水沖洗直至中性。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述陰極液為摩爾濃度為30-70mmol/l的鐵氰化鉀溶液；優(yōu)選的，所述陰極液為摩爾濃度為50mmol/l的鐵氰化鉀溶液。

優(yōu)選的，所述鐵氰化鉀溶液為鐵氰化鉀磷酸鹽緩沖水溶液，所述鐵氰化鉀磷酸鹽緩沖水溶液中磷酸鹽的摩爾濃度為30-70mmol/l；優(yōu)選的，所述鐵氰化鉀磷酸鹽緩沖水溶液中磷酸鹽的摩爾濃度為50mmol/l。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述陽(yáng)極腔室內(nèi)設(shè)置有溫度探頭，陽(yáng)極腔室表面包覆有電加熱層，所述溫度探頭、電加熱層與控溫系統(tǒng)相連。

根據(jù)本發(fā)明，所述控溫系統(tǒng)為現(xiàn)有技術(shù)，所述控溫系統(tǒng)包括直流電源、溫度傳感器和溫度控制器，所述直流電源與溫度控制器的電源端連接，所述溫度控制器的溫度信號(hào)接收端與溫度傳感器的溫度信號(hào)輸出端連接，所述溫度探頭通過(guò)導(dǎo)線與溫度傳感器相連，所述電加熱層通過(guò)導(dǎo)線與溫度控制器相連。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述陽(yáng)極腔室內(nèi)設(shè)置有ph探頭，所述ph探頭通過(guò)導(dǎo)線與ph傳感器相連。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述陽(yáng)極腔室和陰極腔室頂端開(kāi)口設(shè)置有堵塞，堵塞上設(shè)置有通孔；所述溫度探頭、導(dǎo)線以及ph探頭穿過(guò)堵塞的通孔，并固定于堵塞上。

優(yōu)選的，所述堵塞為橡膠堵塞。

采用上述瘤胃微生物燃料電池系統(tǒng)利用水葫蘆產(chǎn)電的方法，包括步驟如下：

(1)將水葫蘆晾干后，經(jīng)粉碎，制得水葫蘆粉末；

(2)將步驟(1)制備得到的水葫蘆粉末加入陽(yáng)極腔室，與瘤胃液和培養(yǎng)基混合均勻；向陽(yáng)極腔室充氮?dú)獬?，密封，控制?yáng)極液的溫度為35-45℃，調(diào)節(jié)ph為7-8；陽(yáng)極液和陰極液均在磁力攪拌下，以水葫蘆為底物開(kāi)始發(fā)電。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(1)中所述經(jīng)粉碎后得到目數(shù)為35-45目的水葫蘆粉末。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(2)中所述水葫蘆粉末和瘤胃液的質(zhì)量比為1：2-4。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(2)中向陽(yáng)極腔室充氮?dú)?0分鐘除氧。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(2)中用質(zhì)量濃度為5-10％的naoh水溶液調(diào)ph。

有益效果如下：

(1)本發(fā)明瘤胃液中微生物數(shù)量大，且種類很多，包括細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物和小型后生動(dòng)物；細(xì)菌包括:纖維降解菌、淀粉降解菌、半纖維降解菌、蛋白降解菌、脂肪降解菌、酸利用菌、乳酸產(chǎn)生菌等，原生動(dòng)物主要為纖毛蟲與鞭毛蟲；利用瘤胃微生物主導(dǎo)的厭氧消化過(guò)程可以將難分解的纖維素類物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化成揮發(fā)性有機(jī)酸或甲烷等能源物質(zhì)；然后瘤胃微生物對(duì)所產(chǎn)生的大部分揮發(fā)性有機(jī)酸進(jìn)行氧化利用產(chǎn)生電能。這樣一方面避免了木質(zhì)纖維素后處理復(fù)雜、易造成二次污染的問(wèn)題，另一方面生物質(zhì)原料作為一種可再生資源被轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)能夠用于制備一定量的揮發(fā)性有機(jī)酸、氫氣和甲烷等，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)本發(fā)明將瘤胃液中的微生物與微生物燃料電池系統(tǒng)整合于一體，不僅可以實(shí)現(xiàn)水葫蘆的有效降解，而且可以拓展到其它水生植物的處理；對(duì)水葫蘆的降解率較高，達(dá)55％左右，降解過(guò)程回收了電能，價(jià)值轉(zhuǎn)化率高，實(shí)現(xiàn)了廢棄物的資源化再利用。

(3)本發(fā)明的瘤胃微生物燃料電池系統(tǒng)成本低、制備方法簡(jiǎn)單，占地面積小，管理維護(hù)簡(jiǎn)單，可以直接應(yīng)用于水葫蘆的降解和資源化再利用。

附圖說(shuō)明

圖1是瘤胃微生物燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1、質(zhì)子交換膜；2、陽(yáng)極腔室；3、控溫系統(tǒng)；4、ph傳感器；5、陽(yáng)極電極；6、磁力攪拌子；7、電加熱層；8、陽(yáng)極液；9陰極腔室；10、陰極電極；11、陰極液；12、電阻；13、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；14、電腦。

圖2是實(shí)施例2中以水葫蘆粉末為底物的產(chǎn)電圖譜。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明，但不限于此。

同時(shí)下述實(shí)施例中所述實(shí)驗(yàn)方法，如無(wú)特殊說(shuō)明，均為常規(guī)方法；所述試劑和材料，如無(wú)特殊說(shuō)明，均可從商業(yè)途徑獲得。

50mmol/l的磷酸鹽緩沖溶液的制備步驟如下：將nah2po4·2h2o10.86105g和nah2po4·2h2o6.08595g溶解于去離子水中，并定容至1l，即得。

實(shí)施例1

一種瘤胃微生物燃料電池系統(tǒng)，包括陽(yáng)極腔室2和陰極腔室9，陽(yáng)極腔室2和陰極腔室9通過(guò)連通管道相連接，所述連通管道內(nèi)設(shè)有質(zhì)子交換膜1；所述陽(yáng)極腔室2內(nèi)裝有陽(yáng)極液8，并設(shè)置有陽(yáng)極電極5；所述陰極腔室9內(nèi)裝有陰極液11，并設(shè)置有陰極電極10；所述陽(yáng)極電極5和陰極電極10通過(guò)導(dǎo)線與外電阻12連接形成閉合回路；所述陽(yáng)極電極5和陰極電極10通過(guò)導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)13相連接，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)13與電腦14相連接；所述陽(yáng)極液8包含瘤胃液和培養(yǎng)基；所述瘤胃液是山羊進(jìn)食3小時(shí)后，從山羊瘤胃內(nèi)取出的瘤胃液，瘤胃液中包含有食物殘?jiān)?；所述瘤胃液的質(zhì)量為4g，培養(yǎng)基的質(zhì)量為400g；培養(yǎng)基的組成如下：k2hpo4450mg/l，kh2po4450mg/l，nacl900mg/l，(nh4)2so4300mg/l，cacl2·2h2o120mg/l，mgso490mg/l；

所述陽(yáng)極腔室2和陰極腔室9的底端設(shè)置有磁力攪拌子6；

所述陽(yáng)極電極5和陰極電極10均為經(jīng)預(yù)處理的碳?xì)?；所述預(yù)處理方法包括步驟如下：將碳?xì)衷?00ml丙酮、50ml質(zhì)量濃度為15％的稀鹽酸和50ml質(zhì)量濃度為15％的稀硝酸中分別室溫浸泡0.5h，然后用去離子水沖洗直至中性；

所述陰極液11為400g鐵氰化鉀磷酸鹽緩沖水溶液；所述鐵氰化鉀磷酸鹽緩沖水溶液中，鐵氰化鉀的摩爾濃度為50mmol/l，磷酸鹽的摩爾濃度為50mmol/l；所述鐵氰化鉀磷酸鹽緩沖水溶液的制備方法如下：將鐵氰化鉀溶解于50mmol/l的磷酸鹽緩沖溶液中，即得。

所述陽(yáng)極腔室2內(nèi)設(shè)置有溫度探頭，陽(yáng)極腔室2表面包覆有電加熱層7，所述溫度探頭、電加熱層與控溫系統(tǒng)相連；陽(yáng)極腔室2內(nèi)還設(shè)置有ph探頭，所述ph探頭通過(guò)導(dǎo)線與ph傳感器4相連。

所述控溫系統(tǒng)為現(xiàn)有技術(shù)，所述控溫系統(tǒng)包括直流電源、溫度傳感器和溫度控制器，所述直流電源與溫度控制器的電源端連接，所述溫度控制器的溫度信號(hào)接收端與溫度傳感器的溫度信號(hào)輸出端連接，所述溫度探頭通過(guò)導(dǎo)線與溫度傳感器相連，所述電加熱層通過(guò)導(dǎo)線與溫度控制器相連。

所述陽(yáng)極腔室和陰極腔室頂端開(kāi)口設(shè)置有橡膠堵塞，橡膠堵塞上設(shè)置有通孔；所述溫度探頭、導(dǎo)線以及ph探頭穿過(guò)橡膠堵塞上的通孔，并固定于橡膠堵塞上。

實(shí)施例2

采用實(shí)施例1所述的瘤胃微生物燃料電池系統(tǒng)以水葫蘆為底物產(chǎn)電的方法，包括步驟如下：

(1)將新鮮水葫蘆在室外晾干后，經(jīng)粉碎得到約40目的水葫蘆粉末；

(2)將2g步驟(1)制備得到的水葫蘆粉末加入陽(yáng)極腔室2，與瘤胃液和培養(yǎng)基混合均勻；向陽(yáng)極腔室2充氮?dú)?0分鐘除氧，密封，控制陽(yáng)極液的溫度為39℃，用質(zhì)量濃度為10％的naoh水溶液調(diào)節(jié)陽(yáng)極液的ph為7；陽(yáng)極液和陰極液均在磁力攪拌下，以水葫蘆為底物開(kāi)始發(fā)電。

圖1是利用本實(shí)施例的方法以水葫蘆粉末為底物進(jìn)行產(chǎn)電的產(chǎn)電圖。圖中為兩個(gè)完整周期的產(chǎn)電曲線，箭頭表示重新加入水葫蘆粉末。在水葫蘆粉末加入之后，瘤胃微生物電池輸出電壓上升很快，第一個(gè)周期內(nèi)很快達(dá)到60mv的輸出電壓，約15小時(shí)之后輸出電壓略微下降，但很快又上升，約40小時(shí)之后輸出電壓再次快速升高達(dá)到70mv的輸出電壓，并一直維持到12天；之后，由于水葫蘆中可以被瘤胃微生物分解的成分消耗殆盡，產(chǎn)電能力急劇下降。在第二個(gè)周期重新加入水葫蘆粉末后，可以觀察到同樣的變化規(guī)律，而且輸出電壓更高一點(diǎn)。在第一周期內(nèi)每克水葫蘆回收約400c電量，第二周期每克水葫蘆回收約767c電量。上述間歇周期內(nèi)生物電池的電壓輸出曲線相似性表明，水葫蘆在該瘤胃微生物電池中經(jīng)歷了一個(gè)復(fù)雜的降解和產(chǎn)電過(guò)程。

而在沒(méi)有加入水葫蘆粉末的瘤胃微生物電池中，輸出電壓很低并且很快下降，這說(shuō)明在瘤胃液和培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不足以維持瘤胃微生物電池電能的輸出。

結(jié)合水葫蘆降解過(guò)程中產(chǎn)物的分析與產(chǎn)電曲線，可以得出瘤胃微生物電池中水葫蘆降解和利用可以分成兩階段：第一階段，水葫蘆粉末加入后輸出電壓快速升高，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后下降到一個(gè)相對(duì)較低的水平；相應(yīng)地，揮發(fā)性脂肪酸的濃度增加，而溶解性糖的濃度下降；該階段的糖主要來(lái)源于水葫蘆的水解，然后轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸，進(jìn)而產(chǎn)電微生物利用這些揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)電；第二階段，輸出電壓先增加后在產(chǎn)電結(jié)束時(shí)加速下降，相應(yīng)的揮發(fā)性脂肪酸和糖濃度的變化說(shuō)明該階段的電能主要來(lái)源于水葫蘆的水解和酸化產(chǎn)物。因此，在水葫蘆的瘤胃微生物降解過(guò)程中，水葫蘆首先被水解為溶解性糖，然后轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸，而電能主要來(lái)源于瘤胃微生物對(duì)揮發(fā)性脂肪酸的氧化利用而產(chǎn)生的。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，瘤胃微生物厭氧分解木質(zhì)纖維素類物質(zhì)主要有三個(gè)步驟，水解、酸化和產(chǎn)甲烷；在使用瘤胃微生物進(jìn)行厭氧發(fā)酵時(shí)，乙酸和丙酸是主要的水相發(fā)酵產(chǎn)物，丁酸和戊酸含量較低；氣相發(fā)酵產(chǎn)物主要是二氧化碳、甲烷和氫氣。在瘤胃微生物為生物催化劑的瘤胃微生物電池中，水葫蘆的轉(zhuǎn)化途徑則有所不同，主要差別在于產(chǎn)甲烷的步驟大部分轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)電過(guò)程，只產(chǎn)生少量甲烷。