一種生物陰極及其制備方法、微生物微電池、處理酸性礦井廢水的裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及污水處理技術領域，特別涉及一種生物陰極及其制備方法、微生物微電池、處理酸性礦井廢水的裝置。
【背景技術】
[0002]酸性重金屬礦井廢水(Acidic Mine Drainage,簡稱AMD)污染是一個世界性的問題，AMD中含有高濃度的硫酸鹽和可溶性的重金屬離子，同時pH低、酸度大。因此一旦排放將會對河流及其生物產生嚴重影響，甚至會污染地下水體。一旦污染發生將很難治理。
[0003]微生物燃料電池MFC技術是一種新能源技術和有機廢水處理技術，能以各種廢水中的有機物為燃料，在處理廢水的同時產生電能，實現廢物處理和能源回收，并且具有反應條件溫和，能量轉化效率高和無二次污染等優點，應用前景十分廣闊。但目前MFC產電能力較低，成本較高，距離實際獲取能源還有一定的距離。制約因素一是目前MFC主要以空氣中氧氣為電子受體，需采用貴金屬催化劑Pt提高陰極反應效率02+H+= H2O ;二是雙室結構，需采用質子交換膜阻隔陰極室空氣進入陽極室，使得MFC電池的材料消耗成本過高；三是導線腐蝕、貴金屬催化劑失活和膜生物膜污染問題使得MFC電池使用壽命有限。
[0004]新型生物陰極MFC利用生物酶催化來替代陰極反應區的貴金屬催化劑Pt來加快電子傳遞速率，降低MFCs的制作成本，提高其運行的穩定性，還可以利用陰極特定微生物去除特定的污染物，具有很好的工程應用前景。但常規吸附法制備的生物陰極，微生物會隨著出水流失，處理效果逐步降低。急需新的技術途徑延長生物陰極的使用壽命。
[0005]利用聚乙稀醇和海藻酸鈉的混合物為固定化載體包埋制備的固定化生物小球具有強度高、機械性能好、生物兼容性好、穩定性強等特點，已被廣泛應用于某些有機物廢水處理的研究，如:劉巍等采用新型固定化生物小球處理模擬苯胺廢水獲得成功[J].環境科學學報，2009, 29 (6): 1195?1202 ;蔡昌鳳、孫菲在PVA固定化的基礎上加入傳質載體4%PAC,固定化球孔隙率增大，改善了傳統PVA小球的“結塊”現象，使傳統PVA小球內部結構由原來的聚結成塊變為小球堆積的孔狀結構，明顯提高了固定化球的傳質和通透性，制備的硝化菌固定化球和反硝化菌固定化球處理模擬焦化廢水效果獲得顯著提高[J].水處理技術2010.36 (7): 74-78。新興的微生物固定化技術不僅可以減少菌種流失，還可以避免微生物與水中某些有毒物質直接接觸，減少其對微生物可能造成的傷害。但尚未見采用微生物固定化小球制備生物陰極的報道。
【發明內容】
[0006]針對現有技術的不足，本發明提供一種生物陰極及其制備方法、微生物微電池、處理酸性礦井廢水的裝置。該生物陰極可以有效固定硫酸鹽還原菌，微生物微電池以活性炭顆粒吸附產電菌為陽極，以固定有硫酸鹽還原菌的活性小球為生物陰極，構成三維微型微生物燃料電池(簡稱微生物微電池)。利用包括微生物微電池構成的酸性礦井廢水的處理裝置可以處理酸性、含硫酸根和重金屬離子的礦井廢水和工業廢水。
[0007]本發明采用的技術方案是:
[0008]—種生物陰極，由固定有硫酸鹽還原菌的活性小球構成。
[0009]—種生物陰極的制備方法，步驟包括:
[0010]A、制備硫酸鹽還原菌菌液:將硫酸鹽還原菌液態培養至穩定期，離心濃縮菌液中硫酸鹽還原菌濃度至2 X 17?3 X 10 7個/mL ；
[0011]B、用活性炭粉末吸附硫酸鹽還原菌:將活性炭粉末加入到硫酸鹽還原菌菌液中，密封靜置至吸附飽和，制得含活性炭粉末菌液；
[0012]C、制備混合溶液:聚乙烯醇用純水浸泡24h，水浴加熱攪拌溶解后依次加入海藻酸鈉、二氧化硅、碳酸鈣，水、聚乙烯醇、海藻酸鈉、二氧化硅、碳酸鈣的質量比為900: 100:
10:30:3 ;攪拌至全溶后冷卻到35-40°C。
[0013]D、將混合溶液緩慢加入含活性炭粉末菌液中，攪拌均勻，制得混合懸液，混合溶液與含活性炭粉末菌液體積比為10:4，將混合懸液滴加至含質量百分含量為2% CaCl2的飽和硼酸溶液中，固化成球交聯24h以上，然后用0.9%的生理鹽水洗滌，制得生物陰極。
[0014]所述步驟B中活性炭粉末粒徑55.5-74 μπκ比表面積3500m2/g，活性炭粉末在硫酸鹽還原菌菌液中的濃度為90g/L ;所述吸附菌液的時間為30min以上；
[0015]所述步驟C中水浴加熱溫度為900C ;
[0016]—種微生物微電池，由生物陰極和陽極構成，所述微生物微電池無膜、無導線，陰極和陽極均勻混合呈多點接觸的三維結構。所述陽極為活性炭顆粒和厭氧活性污泥按質量比1:2混合而成，活性炭顆粒粒徑3-5mm，比表面積500_900m2/g，所述厭氧活性污泥中混合液懸浮固體濃度為10-15g/L ;微生物微電池中生物陰極和陽極體積比為1:5。
[0017]陽極中吸附活性污泥中的產電菌的活性炭顆粒與生物陰極即固定有硫酸鹽還原菌的活性小球立體多點接觸，構成無數微生物微電池。
[0018]—種酸性礦井廢水的處理裝置，由槽體、槽蓋、進水口，出水口、微生物微電池構成，微生物微電池設置在槽體中下部，進水口位于槽體下部的槽壁上，出水口位于槽體上部的槽壁上，槽體頂部用槽蓋進行密封；
[0019]所述處理裝置還包括出泥口、進泥管、布泥管、溢流槽，所述出泥口設置在槽體底部，進泥管穿過槽蓋中部進入槽體內部，位于槽體內部的進泥管端部設置布泥管與進泥管聯通，布泥管上設置若干個噴口，槽體內部靠近出水口一側設置溢流槽。
[0020]酸性礦井廢水的處理裝置在處理廢水前，先將活性炭顆粒與厭氧活性污泥(混合液懸浮固體濃度10_15g/L)按質量比例1:2混合均勾，活性炭顆粒吸附產電菌后，然后和固定有硫酸鹽還原菌(SBR)活性小球(生物陰極)按體積比5:1攪拌均勻，加入到反應槽中，密封反應槽；培養4天使SRB相對其它菌占有初始優勢。然后系統開始進酸性重金屬廢水進行處理，保證SO42充足，維持SRB的優勢。處理后的廢水經溢流槽出水口排出。
[0021]酸性礦井廢水的處理裝置運行需定期置換污泥，由下部排泥口排出部分反應后的污泥，由布泥槽進口加入新鮮城市生活污水廠厭氧活性污泥，保證微生物微電池系統正常運行。
[0022]酸性礦井廢水的處理裝置中的微生物微電池具有處理酸性重金屬礦井廢水中重金屬離子功能，陰極活性小球中的硫酸鹽還原菌以廢水中SO42為電子受體、以陽極產生的小分子有機酸(R-COOH)為碳源，完成生化反應，降解酸性礦井廢水中硫酸根，生成的S2可以結合絕大多數的重金屬離子生成難溶硫化物沉淀，去除酸性礦井廢水中重金屬離子。可以快速提高酸性礦井廢水PH值，使出水口排出的處理后的廢水pH ^ 6.2。
[0023]酸性礦井廢水的處理裝置也可以處理酸性重金屬工業廢水、汽車涂裝、電鍍等工業廢水，使用中根據進水SO42濃度，補加硫酸鹽，使硫酸根離子濃度1000mg/L。并采用出水循環稀釋，控制重金屬離子濃度在菌體耐受范圍。
[0024]本發明生物陰極中SRB不易流失，解決了酸性重金屬廢水低pH值、高重金屬離子濃度、低C/S比碳源不足、反應產物H2S對于硫酸鹽還原菌的抑制問題，從而達到提高pH、降解硫酸根、去除重金屬離子，處理酸性重金屬廢水的目的。
[0025]本發明微生物微電池采用厭氧、無膜、無導線、三維電極新型結構，利用污水處理廠厭氧活性污泥作為微生物微電池燃料的碳源和產電菌菌源，陽極中活性炭顆粒吸附活性污泥中的產電菌，產電菌厭氧降解污泥中有機物，產生電子；用固定有硫酸鹽還原菌的活性小球為微生物微電池生物陰極；微生物微電池為三維立體結構，吸附產電菌的活性炭顆粒與活性小球多點接觸，陽極產生的電子直接傳遞給陰極，在其作用范圍構成無數微生物微電池，無需采用膜和導線構成電回路，解決了導線在酸性條件下易因腐蝕發生斷路問題。
【附圖說明】
[0026]附圖1為酸性礦井廢水的處理裝置示意圖
[0027]圖中:1、槽體；2、活性污泥；3、活性炭顆粒；4、生物陰極；5、進泥管；6、布泥管；7、進水口 ；8、閥