1.本发明涉及一种活性污泥耦合的电能驱动微生物固定二氧化碳的装置和方法，属于二氧化碳减排领域。
背景技术：2.经大量科学研究表明，二氧化碳是造成温室效应和全球气候变暖的主要气体，近年来，伴随着人们对于环境问题的日益重视，加大节能减排力度、已成为重要议题。
3.因此，本发明专利提出一种活性污泥耦合的电能驱动微生物固定二氧化碳的装置和方法，该发明不仅可以实现二氧化碳的固定，还能实现二氧化碳的资源化利用，为我国碳减排工作的推进提供技术支撑。
技术实现要素：4.本发明的目的是发明一种活性污泥耦合的电能驱动微生物固定二氧化碳的装置和方法。利用污水处理厂的活性污泥作为生物催化剂的接种源，由于外源电子的供给，微生物催化剂的固碳效率得以提升，在生物阴极将二氧化碳还原，并生成增值化学品，是一种经济有效的二氧化碳固定方法。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种活性污泥耦合的电能驱动微生物固定二氧化碳的装置，主要包括非生物阳极室、生物阴极室、进气系统、连通系统、三电极系统、出气系统；所述的生物阴极室内为阴极电解液，所述的非生物阳极室内为阳极电解液，参与反应的气体通过所述进气系统进入反应装置，使得气体充满所述的生物阴极室和非生物阳极室，所述气体为含有高浓度二氧化碳的工厂废气、纯化后的二氧化碳气体或氮气，所述的连通系统将所述非生物阳极室和生物阴极室连接起来，实现质子传递，所述的三电极系统提供反应所需的电能和微生物催化剂挂膜的载体，反应后产生的气体通过出气系统被收集。
7.进一步地，所述非生物阳极室包括：阳极电解池池体、阳极室密封盖，阳极室密封盖安装在阳极电解池池体上端；阳极电解池池体为圆柱形玻璃瓶，瓶体直径60mm，高度80mm，阳极室密封盖为聚四氟乙烯材质，池体顶部和阳极室密封盖有螺纹口，拧紧密封盖，维持密封环境。
8.进一步地，所述生物阴极室包括阴极电解池池体、阴极室密封盖，阴极室密封盖安装在阴极电解池池体上端；阳极电解池池体为圆柱形玻璃瓶，瓶体直径 60mm，高度80mm，阴极室密封盖为聚四氟乙烯材质，池体顶部和阳极室密封盖有螺纹口，拧紧密封盖，维持密封环境。
9.进一步地，所述进气系统包括阳极室进气孔、阴极室进气孔、阳极室进气软管、阴极室进气软管，阳极室进气孔位于阳极室密封盖上，阴极室进气孔位于阴极室密封盖上，阳极室进气软管通过阳极室进气孔通入阳极电解池池体底部，阴极室进气软管通过阴极室进
气孔通入阴极电解池池体底部。进气孔直径为9mm，进气软管规格为6
×
9mm硅胶管。
10.进一步地，所述连通系统包括阳极室连通管、阴极室连通管、离子交换膜、锁扣，两个通道位于两个电极室侧壁，通道外径30mm，内径15mm，通道底部距电解池池底20mm，为实现非生物阳极室和生物阴极室之间的离子交换，将离子交换膜放在阳极室连通管和阴极室连通管之间，锁扣将两个连通管夹紧，保证密封性，避免电解液漏出。
11.进一步地，三电极系统包括对电极电极孔、对电极、参比电极电极孔、参比电极、工作电极电极孔、工作电极、恒电位仪，对电极电极孔位于阳极室密封盖上，对电极通过电极电极孔伸入阳极电解池池体，参比电极电极孔和工作电极电极孔位于阴极室密封盖上，参比电极通过参比电极电极孔伸入阴极电解池池体内，工作电极通过工作电极电极孔伸入阴极电解池池体内，工作电极为电极表面的微生物提供电子，同时作为固碳微生物膜生长的载体，为了给质子传递提供良好的通道，对电极、参比电极、工作电极的底部均和连通管位于同一水平线上，恒电位仪的三个接线头分别接三个电极。
12.进一步地，所述出气系统包括：出气孔一、出气孔二、出气软管一、出气软管二、气囊，出气孔一位于阳极室密封盖上，出气孔二位于阴极室密封盖上，出气孔一、出气孔二的直径均为6mm，出气软管一、出气软管二均为规格为3
×
5mm 的硅胶管，为便于气体排出，出气软管一通过出气孔一通入阳极电解池池体顶部，出气软管二通过出气孔二通入阴极电解池池体顶部，为收集生物阴极室反应产生的气体，出气软管出口处连接有一个用于收集反应后产生的气体的气囊，管内径 5mm，球内径100mm。
13.进一步地，非生物阳极室内的阳极电解液为配制的磷酸盐缓冲溶液，成分及配比为：磷酸二氢钾(6.8g/l)、naoh(0.9g/l)。
14.进一步地，生物阴极室内的阴极电解液为微生物接种剂及培养基，微生物接种剂为来自sbr工艺、a2o工艺、ao工艺等微生物处理工艺的活性污泥，培养基成分及配比见表1所示，培养基需进行高压灭菌，将抑制产甲烷菌生成的2
‑ꢀ
溴乙基磺酸钠溶液加入培养基，随后将培养基加入生物阴极室，然后在生物阴极室接种一定量的活性污泥。
15.表1培养基成分表
[0016][0017][0018]
本发明还提供了一种应用上述装置进行电能驱动微生物固定二氧化碳的方法，包括以下步骤：
[0019]
s1：将阳极电解液倒入阳极电解池池体，拧紧阳极电解池池体上端的阳极室密封盖；
[0020]
s2：打开阳极室进气软管和出气软管一，氮气经过阳极室进气软管进入阳极电解池池体，曝气一段时间后，停止供气，先封闭出气软管一，再封闭阳极室进气软管；
[0021]
s3：将培养基和活性污泥按照一定比例依次倒入阴极电解池池体，拧紧阴极电解池池体上端的阴极室密封盖；
[0022]
s4：打开阴极室进气软管和出气软管二，含有高浓度二氧化碳的工厂废气或纯化后的二氧化碳气体经过阴极室进气软管进入阴极电解池池体，曝气一段时间后，停止供气，先封闭阴极室进气软管，再将气囊接至出气软管二；
[0023]
s5：利用恒电位仪作为外部电源，将恒电位仪与三个电极连接，并且打开电源；
[0024]
s6：在电能驱动和碳源投加条件下，固碳微生物在工作电极表面形成微生物膜，作为生物催化剂，二氧化碳在固碳微生物的作用下被还原为有机化学品，如：甲烷、甲酸、乙酸等；
[0025]
s7：阴极电解池池体中反应后产生的气体通过出气软管二进入气囊，对气囊的收集的气体进行采样；
[0026]
s8：阴极电解池池体中反应后产生的有机物溶解在阴极电解液中，反应进行一定周期后，断开电源，打开阴极室密封盖，对阴极电解液进行采样。
[0027]
有益效果
[0028]
1.本发明提供的一种活性污泥耦合的电能驱动微生物固定二氧化碳的装置与方法，将含有较高浓度二氧化碳的工厂废气或经过分离纯化后的二氧化碳作为固碳微生物生长所需的碳源，为二氧化碳提供了一种新的用途，有利于推动二氧化碳的减排；
[0029]
2.本发明提供的一种活性污泥耦合的电能驱动微生物固定二氧化碳的装置与方法，将活性污泥作为微生物催化剂的接种剂，利用活性污泥来源广泛且微生物种群丰富的优势，降低了固碳成本；
[0030]
3.本发明提供的一种活性污泥耦合的电能驱动微生物固定二氧化碳的装置与方法，外加电源提升了固碳微生物的固碳性能，促进了活性污泥中固碳微生物的生长，是一种经济有效的固碳装置和方法；
[0031]
4.本发明提供的一种活性污泥耦合的电能驱动微生物固定二氧化碳的装置与方法，微生物接种剂的类型和电极材料可根据需要进行更换，本发明适合纯培养和混合培养后的微生物进行固碳反应，具有较高的灵活性。
附图说明
[0032]
图1是本发明的装置结构图；
[0033]
图2是本发明两个电极室的结构图；
[0034]
图3是本发明非生物阳极室结构图；
[0035]
图4是本发明生物阴极室结构图；
[0036]
图5是本发明进、出气系统结构图；
[0037][0038][0039]
其中，1-阳极电解池池体、2-阳极室密封盖、3-阴极电解池池体、4-阴极室密封盖、5-阳极室进气孔、6-阴极室进气孔、7-阳极室进气软管、8-阴极室进气软管、9-阳极室连通管、10-阴极室连通管、11-离子交换膜、12-锁扣、13-对电极电极孔、14-对电极、15-参比电极电极孔、16-参比电极、17-工作电极电极孔、 18-工作电极、19-恒电位仪、20-出气孔一、21-出气孔二、22-出气软管一、23
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出气软管二、24-气囊。
具体实施方式
[0040]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0041]
实施例1
[0042]
如图2所示，本实施例为一种活性污泥耦合的电能驱动微生物固定二氧化碳的装置的电极室结构，包括：
[0043]
用于提供电化学反应场所的非生物阳极室，其中，阳极电解池池体1为圆柱形玻璃瓶，瓶体直径60mm，高度80mm，工作容积为200ml，顶部有螺纹口，池体1中盛有180ml的阳极电解液，为维持密封环境，采用阳极室密封盖2，为聚四氟乙烯材质，具有良好的化学稳定性，阳极室密封盖2有螺纹口；
[0044]
用于提供微生物电化学反应场所的生物阴极室，其中，阴极电解池池体3为圆柱形玻璃瓶，瓶体直径60mm，高度80mm，工作容积为200ml，顶部有螺纹口，池体3中盛有180ml的阴极电解液，为维持密封环境，采用阴极室密封盖 4，为聚四氟乙烯材质，具有良好的化学稳定性，阴极室密封盖4有螺纹口；
[0045]
用于提供离子传输通道的连通系统，其中，阳极室连通管9和阴极室连通管10分别位于阳极电解池池体1和阴极电解池池体3的侧壁，两个通道的高度及直径相同，通道内径为15mm，外径为30mm，通道底部距电解池池底20mm，将离子交换膜11放在阳极室连通管9和阴极室连通管10之间，再用锁扣12将两个连通管夹紧。
[0046]
两个电极室的组装包括以下步骤：
[0047]
s1、将阳极室连通管9和阴极室连通管10相对放置；
[0048]
s2、将离子交换膜11裁剪为直径28mm的圆片，放在阳极室连通管9和阴极室连通管10中间；
[0049]
s3、用锁扣12将两个连通管夹紧，将锁扣12上的螺丝拧至最紧，保证连通系统的密封性，避免电解液漏出；
[0050]
s4、配制磷酸盐缓冲溶液作为阳极电解液，阳极电解液成分及配比为：磷酸二氢钾(6.8g/l)、naoh(0.9g/l)，取180ml配置好后的溶液加入阳极电解池池体1；
[0051]
s5、配制阴极电解液，阴极电解液为培养基与接种剂的混合液，培养基成分及配比如表1所示，配置好的培养基经高压蒸汽灭菌，温度为121℃，灭菌时间为30min，待温度降至室温后向培养基中加入10mm的2-溴乙基磺酸钠溶液，随后取160ml培养基加入阴极电解池池体3，再加入20ml活性污泥作为接种剂；
[0052]
s6、旋紧两个电极室上的密封盖2、4，完成电极室的安装。
[0053]
实施例2
[0054]
如图3所示，本实施例为一种活性污泥耦合的电能驱动微生物固定二氧化碳的装置的进出气系统，包括：
[0055]
用于提供进气通路的阳极室进气孔5、阴极室进气孔6、阳极室进气软管7、阴极室进气软管8，两个进气孔5、6分别位于阳极室密封盖2和阴极室密封盖 4，两个进气孔直径均为9mm，进气软管均为6
×
9mm的硅胶管，进气孔分布位置见图3；
[0056]
用于提供出气通路的出气孔一20、出气孔二21、出气软管一22、出气软管二23，两个出气孔20、21分别位于阳极室密封盖2和阴极室密封盖4，两个出气孔直径均为5mm，两个
出气软管均为3
×
5mm的硅胶管，出气孔分布位置见图 3；
[0057]
用于收集反应气体的气囊24，管内径为5mm，球内径为100mm。
[0058]
气路运行方法包括以下步骤：
[0059]
s1、将进气软管7、8塞入进气孔5、6，软管距池底10mm；
[0060]
s2、将出气软管22、23塞入出气孔20、21，通入电解池池体顶部；
[0061]
s3、打开进气软管7、8和出气软管22、23，为排出电极室内的氧气，氮气通过进气软管7、8进入两个电极室，曝气20min后，用夹子依次封住出气软管22 和进气软管7；
[0062]
s4、氮气曝气结束后，通过进气软管8向阴极电解池池体3供给含有二氧化碳的气体，出气软管23保持打开状态，曝气10min后，为收集反应产生的气体产物、将气囊连接在出气软管23出口处，继续曝气10min，待气囊充满后封闭进气软管8。
[0063]
实施例3
[0064]
如图4所示，本实施例为一种活性污泥耦合的电能驱动微生物固定二氧化碳的装置的三电极系统，系统包括：
[0065]
用于提供电极安装位置的对电极电极孔13、参比电极电极孔15、工作电极电极孔17，对电极电极孔13位于阳极室密封盖2，参比电极电极孔15和工作电极电极孔17位于阴极室密封盖4，三个电极孔大小相同，孔径为6mm，电极孔的分布位置见图4；
[0066]
用于给装置提供电子及电能的电极14、16、18及恒电位仪19，对电极14 为铂片电极，通过对电极电极孔13伸入阳极电解池池体1，铂片电极尺寸为 10mm
×
10mm
×
0.1mm，参比电极16为银/氯化银电极，通过参比电极电极孔15 伸入阴极电解池池体3，工作电极18为碳毡电极或玻碳电极，电极片尺寸为 10mm
×
10mm
×
0.1mm，通过工作电极电极孔17伸入阴极电解池池体3。
[0067]
三电极系统的启动方法包括以下步骤：
[0068]
s1、将三个电极14、16、18通过对应的电极孔13、15、17伸入阳极电解池池体1和阴极电解池池体3，
[0069]
s2、调整三个电极14、16、18的高度，电极片和连通管9、10构成的通道位于同一水平线上；
[0070]
s3、恒电位仪19的三个接线头分别接三个电极，设置所需电位，打开电源，实现电流的供应。
[0071]
实施例4
[0072]
如图5所示，本实施例为一种活性污泥耦合的电能驱动微生物固定二氧化碳的装置的二氧化碳固定的方法，二氧化碳的固定发生在生物阴极室，包括以下步骤：
[0073]
s1、含有二氧化碳的气体通过阴极室进气软管8进入生物阴极室，按照实例 2所述的方法曝气，使得反应气体充满阴极电解池池体3；
[0074]
s2、非生物阳极室中，对电极14表面发生氧化反应，电解水产生氢离子，氢离子通过连通系统进入阴极电解池池体3，
[0075]
s3、按照实例3所示，打开恒电位仪19的电源，给系统施加一定电压，在电子和碳源供给的条件下，活性污泥中的固碳微生物逐渐附着在工作电极18上，形成生物膜，在固碳微生物的代谢作用下，工作电极18表面发生二氧化碳的还原反应，生成乙酸等有机产品，实现二氧化碳的固定。
技术特征：1.一种活性污泥耦合的电能驱动微生物固定二氧化碳的装置，主要包括非生物阳极室、生物阴极室、进气系统、连通系统、三电极系统、出气系统；其特征在于：所述的生物阴极室内为阴极电解液，所述的非生物阳极室内为阳极电解液，参与反应的气体通过所述进气系统进入反应装置，使得气体充满所述的生物阴极室和非生物阳极室，所述气体为含有高浓度二氧化碳的工厂废气、纯化后的二氧化碳气体或氮气，所述的连通系统将所述非生物阳极室和生物阴极室连接起来，实现质子传递，所述的三电极系统提供反应所需的电能和微生物催化剂挂膜的载体，反应后产生的气体通过出气系统被收集。2.根据权利要求1所述的一种活性污泥耦合的电能驱动微生物固定二氧化碳的装置，其特征在于：所述非生物阳极室包括阳极电解池池体(1)、阳极室密封盖(2)，阳极室密封盖(2)安装在阳极电解池池体(1)上端。3.根据权利要求2所述的一种活性污泥耦合的电能驱动微生物固定二氧化碳的装置，其特征在于：所述生物阴极室包括阴极电解池池体(3)、阴极室密封盖(4)，阴极室密封盖(4)安装在阴极电解池池体(3)上端。4.根据权利要求3所述的一种活性污泥耦合的电能驱动微生物固定二氧化碳的装置，其特征在于：所述进气系统包括阳极室进气孔(5)、阴极室进气孔(6)、阳极室进气软管(7)、阴极室进气软管(8)，阳极室进气孔(5)位于阳极室密封盖(2)上，阴极室进气孔(6)位于阴极室密封盖(4)上，阳极室进气软管(7)通过阳极室进气孔(5)通入阳极电解池池体(1)底部，阴极室进气软管(8)通过阴极室进气孔(6)通入阴极电解池池体(3)底部。5.根据权利要求1所述的一种活性污泥耦合的电能驱动微生物固定二氧化碳的装置，其特征在于：所述连通系统包括阳极室连通管(9)、阴极室连通管(10)、离子交换膜(11)、锁扣(12)，阳极室连通管(9)和阴极室连通管(10)之间放置离子交换膜(11)，用锁扣(12)将两个连通管夹紧。6.根据权利要求3所述的一种活性污泥耦合的电能驱动微生物固定二氧化碳的装置，其特征在于：所述三电极系统包括对电极电极孔(13)、对电极(14)、参比电极电极孔(15)、参比电极(16)、工作电极电极孔(17)、工作电极(18)、恒电位仪(19)，对电极电极孔(13)位于阳极室密封盖(2)上，对电极(14)通过电极电极孔(13)伸入阳极电解池池体(1)，参比电极电极孔(15)和工作电极电极孔(17)位于阴极室密封盖(4)上，参比电极(16)通过参比电极电极孔(15)伸入阴极电解池池体(3)内，工作电极(18)通过工作电极电极孔(17)伸入阴极电解池池体(3)内，对电极(14)、参比电极(16)、工作电极(18)的底部均和连通管位于同一水平线上。7.根据权利要求1所述的一种活性污泥耦合的电能驱动微生物固定二氧化碳的装置，其特征在于：所述出气系统包括：出气孔一(20)、出气孔二(21)、出气软管一(22)、出气软管二(23)、气囊(24)，出气孔一(20)位于阳极室密封盖(2)上，出气孔二(21)位于阴极室密封盖(4)上，出气软管一(22)通过出气孔一(20)通入阳极电解池池体(1)顶部，出气软管二(23)通过出气孔二(21)通入阴极电解池池体(3)顶部，出气软管(23)出口处连接有一个用于收集反应后产生的气体的气囊(24)。8.根据权利要求1所述的一种活性污泥耦合的电能驱动微生物固定二氧化碳的装置，其特征在于：所述的非生物阳极室内的阳极电解液为配制的缓冲溶液。
9.根据权利要求1所述的一种活性污泥耦合的电能驱动微生物固定二氧化碳的装置，其特征在于：所述的生物阴极室内的阴极电解液为微生物接种剂及培养基，微生物接种剂为来自sbr工艺、a2o工艺、ao工艺等微生物处理工艺的活性污泥。10.应用权利要求1-9任意一项所述的装置进行电能驱动微生物固定二氧化碳的方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：将阳极电解液倒入阳极电解池池体(1)，拧紧阳极电解池池体(1)上端的阳极室密封盖(2)；s2：打开进气软管(7)和出气软管(22)，氮气经过进气软管(7)进入阳极电解池池体(1)，曝气一段时间后，停止供气，先封闭出气软管(22)，再封闭进气软管(7)；s3：将培养基和活性污泥按照一定比例依次倒入阴极电解池池体(3)，拧紧阴极电解池池体(3)上端的阴极室密封盖(4)；s4：打开进气软管(8)和出气软管(23)，含有高浓度二氧化碳的工厂废气或纯化后的二氧化碳气体经过进气软管(8)进入阴极电解池池体(1)，曝气一段时间后，停止供气，先封闭进气软管(8)，再将气囊(24)接至出气软管(23)；s5：利用恒电位仪(19)作为外部电源，将恒电位仪(19)与三个电极连接，并且打开电源；s6：在电能驱动和碳源投加条件下，固碳微生物在工作电极(18)表面形成微生物膜，作为生物催化剂，二氧化碳在固碳微生物的作用下被还原为有机化学品；s7：阴极电解池池体(3)中反应后产生的气体通过出气软管(23)进入气囊(24)，对气囊的收集的气体进行采样；s8：阴极电解池池体(3)中反应后产生的有机物溶解在阴极电解液中，反应进行一定周期后，断开电源，打开阴极室密封盖(4)，对阴极电解液进行采样。
技术总结本发明公开了一种活性污泥耦合的电能驱动微生物固定二氧化碳的装置和方法，所述装置包括生物阴极系统、非生物阳极系统、连通系统、三电极系统和曝气系统，该方法利用活性污泥中丰富的微生物作为生物催化剂，利用电能驱动固碳微生物在电极形成生物膜，在微生物催化剂和电能驱动的作用下实现对二氧化碳的固定，不仅可以实现二氧化碳的固定，还可以生成有价值的化学品。该方法提供了一种经济有效的固定二氧化碳的装置和方法，可以用于含有高浓度二氧化碳的工厂废气或者纯化后的二氧化碳气体的固定。定。定。
技术研发人员：张海亚 段亮 李思琦 杜丛 邢飞 张志超 穆映鸣 高祥云
受保护的技术使用者：中国环境科学研究院
技术研发日：2022.01.20
技术公布日：2022/7/5
