用于有机废弃物发酵过程监测的微生物燃料电池及方法

摘要

本发明属于有机废弃物厌氧发酵监测领域，特别涉及一种用于有机废弃物发酵过程监测的微生物燃料电池及方法。本发明微生物燃料电池为夹套式流通池结构，主要包括阳极室、阴极室及中间隔开的质子交换膜。本发明微生物燃料电池开始工作时，电极室内阴阳极石墨棒通过导线与外电路连接，并通过数据采集卡采集负载电阻两端的电压信号，最后由与采集卡相连的电子计算机进行数据的收集和处理。厌氧监测时阳极液为厌氧发酵系统外循环液。本发明所述MFC系统具有运行稳定，实时反馈，维护成本低，便携式流通池设计等特点，是一种高效的生物发酵监测设备与技术。本发明的MFC监测发酵过程中液相中间代谢产物，信号更及时有效，更能反映微生物发酵状态。

主权项

一种微生物燃料电池用于有机废弃物发酵过程监测的方法，其特征在于：所述微生物燃料电池的阴极外壳和阳极外壳通过O型圈(5)密封相连，形成密封腔体；在密封腔体中部设置质子交换膜(7)，所述质子交换膜(7)两侧分别设置1层多孔塑料网(6)，用以制成质子交换膜(7)，所述质子交换膜(7)和其两侧的多孔塑料网(6)将密封腔体分为阴极室(4)和阳极室(8)两部分；所述阴极室(4)和阳极室(8)中分别设置阴极电极(1)和阳极电极(9)，所述阴极电极(1)和阳极电极(9)分别与导线相连，与二者相连的导线的另一端分别穿过阴极外壳和阳极外壳，位于微生物燃料电池外部；所述阴极电极(1)与阴极室(4)中的多孔塑料网(6)相连；所述阴极外壳上分别设置阴极出料口(2)和阴极进料口(3)，所述阴极出料口(2)和阴极进料口(3)分别与阴极室(4)相通；所述阳极外壳上分别设置阳极出料口(10)和阴极出料口(11)，所述阳极出料口(10)和阴极出料口(11)分别与阳极室(8)相通；该方法的具体方案如下：(1)微生物燃料电池系统设计与安装，对微生物燃料电池的阴极电极(1)和阳极电极(9)、产电微生物、操作方式进行选择；阳极室(8)内阳极液为OECD合成废水，其配方源于国际经济合作和发展组织OECD，废水中蛋白胨的浓度为16.0g/L，牛肉膏meat extract的浓度为11.0g/L，尿素的浓度为3.0g/L，葡萄糖glucose的浓度为3.6g/L，NaCl的浓度为2.9g/L，CaCl₂的浓度为0.4g/L，MgSO₄·2H₂O的浓度为0.2g/L，K₂HPO₄的浓度为2.8g/L，痕量维生素trace vitamin的浓度为10mL/L，痕量矿液trace mineral的浓度为10mL/L，所述废水的pH为6.8～7.0，化学需氧量COD值为35±0.25g/L，将其稀释20倍后作为培养基；阳极电极(9)运行为连续操作，阳极液流速为1～25mL/min；阴极室(4)内阴极液为氧饱和的磷酸盐缓冲液，其中磷酸盐总浓度为60mmol/L，NaCl的浓度为50mmol/L，pH为6.8～7.0；由含气泵的母液瓶通过蠕动泵输送到阴极室，母液瓶内溶解氧浓度为7～9mg/L；阴极电极(1)运行为连续操作，阴极液流速为1～22mL/min；所述阳极室(8)内电化学活性微生物，从运行OECD废水的H型微生物燃料电池阳极电极表面生物膜上刮取，以此生物膜为菌种，以OECD废水为模式基质，搭建本发明中的微生物燃料电池型传感器；(2)微生物燃料电池监测发酵过程，微生物燃料电池传感器开始工作时，其阴极电极(1)和阳极电极(9)通过导线与外电路连接，并通过数据采集卡采集负载电阻两端的电压信号，最后由与采集卡相连的电子计算机进行数据的收集和处理；厌氧监测时阳极液为厌氧发酵系统外循环液；通过将微生物燃料电池安装到待测发酵罐的外循环回路上，经过适应期完成对发酵液的在线实时监测；所述外循环回路利用原有条件或人工添加；所述微生物燃料电池适应期范围为0.1～2个月，适应期长短因发酵液性质而异；所述在线监测通过采集微生物燃料电池的电信号直接显示在电脑或其它通讯终端；所监测的发酵液浓度范围为1～10000mg COD/L；微生物燃料电池电信号所反馈的发酵液特征信息为生化需要量BOD、发酵液有机物浓度。