【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于污染物治理及能量回收，具體涉及一種同時處理水、氣污染的單室微生物燃料電池系統及其應用。
技術介紹
1、隨著時代的發展，工業產品的需求日益增加。工業品生產的同時，大量有機污染物被排放到環境中，造成了嚴重的污染，對人體的健康及生態環境造成了嚴重的影響。
2、以苯，甲苯，二甲苯，苯胺等為代表苯系污染物，是工業污染中常見的石油類污染物。苯系物暴露會導致短期和長期健康影響，短期暴露與對消化并發癥、皮膚、眼睛和喉嚨刺激、神經系統衰竭有關；而在長期暴露與貧血和一些慢性疾病，如癌癥有關。
3、物理、化學法對苯系物處理有著顯著的處理效果，但存在成本、能耗高、二次污染大、速度慢等弊端。生物法能夠利用微生物的新陳代謝過程對多組分污染物進行降解。通過微生物將污染物降解為二氧化碳、水以及其他小分子生物質等。與物理或化學法相比，因其具有設備簡易、運行條件溫和、成本低廉、環境友好等優勢得到了廣泛關注。然而，常規的生物反應器在降解污染物的同時無法實現能量回收。因此，亟待開發一種經濟、高效的新型生物降解方法。
4、微生物燃料電池能夠有效處理水體中的有機污染物并同步輸出電能；然而，種種因素限制了微生物燃料電池的廣泛應用。受到微生物燃料電池陽極室內部厭氧細菌的活性限制，微生物燃料電池難以去除氣體中的有機污染物；受限于微生物對污染物的選擇性，對于多組分的混合污染物降解能力差；常規微生物燃料電池的陰極催化劑(如鉑碳)的成本高昂、壽命短，陽極金屬催化劑的生物相容性、導電性差。
5、目前尚未有研究利用內部集成式生
技術實現思路
1、針對現有技術中存在的上述問題，本專利技術提供了一種同時處理水、氣污染的單室微生物燃料電池系統及其應用，該系統是將生物陰極集成到陽極室下側，并從底部通入苯系物廢氣，頂部通入苯系物廢水，下側的生物陰極有效地消耗陽極室內部與入口苯系物廢氣中的氧氣，從而抑制了氧氣對上側厭氧微生物的抑制作用，從而有效降解有機廢水、廢氣，并高效產電。本專利技術通過調控不同污染物的進氣位置，調節生物陰極層對不同污染物的降解選擇性，分層馴化具有不同降解特性的陰極微生物，并以具有優異生物相容性與導電性的負載石墨烯的泡沫鎳作為陽極電極，實現單室微生物燃料電池對多組分污染物的同步降解與能量回收。本專利技術的系統構建、運行過程易于控制，操作條件溫和、降解能力強、成本低廉，并可有效解決微生物燃料電池難以同步處理水、氣污染及多組分污染問題，有利于工業排放中多組分、多相污染物的高效同步資源化處理。
2、本專利技術通過如下技術方案實現：
3、一種同時處理水、氣污染的單室微生物燃料電池系統，包括位于上側的陽極缺氧區及位于下側的陰極好氧區，所述陽極缺氧區上方設置有氣體采樣口及廢水入口，所述陰極好氧區設置有多個通氣入口及廢水采樣口；所述陽極缺氧區及陰極好氧區內均設有微生物載體，所述陽極缺氧區內設有陽極微生物載體，所述陰極好氧區內設有陰極微生物載體，陰極微生物載體內填充有陰極集流體；所述陽極微生物載體作為陽極，陰極微生物載體作為陰極，陽極與陰極之間通過鈦線連接。
4、進一步地，所述陽極微生物載體為負載石墨烯的泡沫鎳；
5、所述陰極微生物載體為聚氨酯泡棉。
6、進一步地，所述負載石墨烯的泡沫鎳在組裝前浸泡厭氧馴化的菌液；所述聚氨酯泡棉在組裝前采用質量濃度為1-5％的稀硫酸浸泡10-30分鐘，酸處理后的聚氨酯泡棉浸泡好氧馴化的菌液。
7、進一步地，負載石墨烯的泡沫鎳的厚度為0.1-40mm，聚氨酯泡棉的厚度為10-70cm，密度為20-100kg/m3；負載石墨烯的泡沫鎳中石墨烯的負載量為10-200mg/g。
8、進一步地，所述陰極集流體選用碳布，所述碳布為親水導電碳布，電阻為0-5mω/cm2。
9、進一步地，所述陽極微生物載體的制備方法具體如下：
10、a1、在大氣壓下的石英管爐中，在氬氣(200-500sccm)和氫氣(100-200sccm)氣氛下，將泡沫鎳在30-50分鐘內加熱至900-1000℃；
11、a2、在不改變氣體流量的情況下，下退火10-30min；
12、a3、向反應管中通入甲烷(5sccm)5-15min；
13、a4、在氬氣(200-500sccm)保護下冷卻至室溫，得到負載石墨烯的泡沫鎳；
14、a5、將得到的負載石墨烯的泡沫鎳浸泡在厭氧馴化的菌液中，最終得到陽極微生物載體。
15、另一方面，本專利技術還提供了一種同時處理水、氣污染的單室微生物燃料電池系統在處理多組分混合苯系污染物方面的應用。
16、進一步地，所述應用包括如下內容：
17、負載石墨烯的泡沫鎳與聚氨酯泡棉上接種微生物后，通過不同高度的通氣入口同步通入苯、甲苯、二甲苯廢氣，通過頂部的廢水入口通入苯、甲苯、二甲苯混合廢水；廢水與廢氣的濃度通過液相色譜儀及氣相色譜儀確定，通過無紙記錄儀記錄系統的輸出電壓。
18、進一步地，不同高度的通氣入口的高度設置為距底部10-40cm處。
19、進一步地，混合苯系污染物包括苯、甲苯及二甲苯的混合廢水，濃度為10-200mg/l，苯、甲苯、二甲苯廢氣的濃度范圍為10-4000mg/m3。
20、與現有技術相比，本專利技術的優點如下：
21、本專利技術首次提出了一種同時處理水、氣污染的單室微生物燃料電池系統，該系統將生物陰極集成到陽極室中，有效地消耗通入陽極室廢氣中的氧氣，從而同步有效降解苯系物廢水、廢氣，并高效產電，并通過調控生物陰極層對不同污染物的降解選擇性，實現降解微生物的分類馴化，從而高效降解多組分污染物；將負載石墨烯的泡沫鎳作為陽極微生物的載體，在促進微生物定殖的同時，提高了系統的導電性；本專利技術構建的系統成本低、高效、可持續性強，在實現多組分污染物同步降解的同時，實現能源回收。
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1.一種同時處理水、氣污染的單室微生物燃料電池系統，其特征在于，包括位于上側的陽極缺氧區及位于下側的陰極好氧區，所述陽極缺氧區上方設置有氣體采樣口及廢水入口，所述陰極好氧區設置有多個通氣入口及廢水采樣口；所述陽極缺氧區及陰極好氧區內均設有微生物載體，所述陽極缺氧區內設有陽極微生物載體，所述陰極好氧區內設有陰極微生物載體，陰極微生物載體內填充有陰極集流體；所述陽極微生物載體作為陽極，陰極微生物載體作為陰極，陽極與陰極之間通過鈦線連接。
2.如權利要求1所述的一種同時處理水、氣污染的單室微生物燃料電池系統，其特征在于，所述陽極微生物載體為負載石墨烯的泡沫鎳；
3.如權利要求2所述的一種同時處理水、氣污染的單室微生物燃料電池系統，其特征在于，所述負載石墨烯的泡沫鎳在組裝前浸泡厭氧馴化的菌液；所述聚氨酯泡棉在組裝前采用質量濃度為1-5％的稀硫酸浸泡10-30分鐘，酸處理后的聚氨酯泡棉浸泡好氧馴化的菌液。
4.如權利要求2所述的一種同時處理水、氣污染的單室微生物燃料電池系統，其特征在于，負載石墨烯的泡沫鎳的厚度為0.1-40mm，聚氨酯泡棉的厚度為10-
5.如權利要求1所述的一種同時處理水、氣污染的單室微生物燃料電池系統，其特征在于，所述陰極集流體選用碳布，所述碳布為親水導電碳布，電阻為0-5mΩ/cm2。
6.如權利要求1所述的一種同時處理水、氣污染的單室微生物燃料電池系統，其特征在于，所述陽極微生物載體的制備方法具體如下：
7.如權利要求1所述的一種同時處理水、氣污染的單室微生物燃料電池系統在處理多組分混合苯系污染物方面的應用。
8.如權利要求7所述的一種同時處理水、氣污染的單室微生物燃料電池系統在處理多組分混合苯系污染物方面的應用，其特征在于，所述應用包括如下內容：
9.如權利要求1所述的一種同時處理水、氣污染的單室微生物燃料電池系統在處理多組分混合苯系污染物方面的應用，其特征在于，不同高度的通氣入口的高度設置為距底部10-40cm處。
10.如權利要求1所述的一種同時處理水、氣污染的單室微生物燃料電池系統在處理多組分混合苯系污染物方面的應用，其特征在于，混合苯系污染物包括苯、甲苯及二甲苯的混合廢水，濃度為10-200mg/L，苯、甲苯、二甲苯廢氣的濃度范圍為10-4000mg/m3。
...【技術特征摘要】
1.一種同時處理水、氣污染的單室微生物燃料電池系統，其特征在于，包括位于上側的陽極缺氧區及位于下側的陰極好氧區，所述陽極缺氧區上方設置有氣體采樣口及廢水入口，所述陰極好氧區設置有多個通氣入口及廢水采樣口；所述陽極缺氧區及陰極好氧區內均設有微生物載體，所述陽極缺氧區內設有陽極微生物載體，所述陰極好氧區內設有陰極微生物載體，陰極微生物載體內填充有陰極集流體；所述陽極微生物載體作為陽極，陰極微生物載體作為陰極，陽極與陰極之間通過鈦線連接。
2.如權利要求1所述的一種同時處理水、氣污染的單室微生物燃料電池系統，其特征在于，所述陽極微生物載體為負載石墨烯的泡沫鎳；
3.如權利要求2所述的一種同時處理水、氣污染的單室微生物燃料電池系統，其特征在于，所述負載石墨烯的泡沫鎳在組裝前浸泡厭氧馴化的菌液；所述聚氨酯泡棉在組裝前采用質量濃度為1-5％的稀硫酸浸泡10-30分鐘，酸處理后的聚氨酯泡棉浸泡好氧馴化的菌液。
4.如權利要求2所述的一種同時處理水、氣污染的單室微生物燃料電池系統，其特征在于，負載石墨烯的泡沫鎳的厚度為0.1-40mm，聚氨酯泡棉的厚度為10-70cm，密度為20-100kg/m3；負載石墨烯的泡沫鎳中石墨烯的...
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