一種可強化磷化氫產生的微生物電化學系統的構建方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于微生物電化學技術領域，具體涉及一種可強化磷化氫產生的微生物電化學系統的構建方法。
【背景技術】
[0002]磷化氫作為磷循環中重要的磷載體，正逐漸引起人們的重視。大量學者研究發現，微生物在厭氧環境中可將磷轉化為磷化氫。污水廠厭氧污泥、畜禽糞便、濕地、稻田等環境中均有相關報道。但在近一個世紀的研究歷史中，尚未能對磷化氫的產生機理做出明確闡述。微生物還原生成的磷化氫含量也都僅在痕量級別。
[0003]微生物電化學系統是在電化學系統的基礎上引入微生物。根據功能的不同，可分為微生物燃料電池(MFC)和微生物電解池(MEC)。在微生物電解池中，微生物在電極上附著、生長，在系統施加一定電壓或恒電位條件下，形成對電化學環境具有適應性且具有一定功能的生物膜。常見的相關應用有:利用微生物電解池產氫氣、強化污染物的降解等。
[0004]能夠用生物電化學方法進行強化反應的微生物需要具備胞外傳遞電子的能力。目前已知的產磷化氫菌種中僅有溶劑發酵菌:生孢梭菌(Clostridium sporogenes)，匙形梭菌(Clostridium cochliarium)和丙酮丁醇菌(Clostridium acetobutyricum)，其具有較強的電化學活性，可能受到強化。
【發明內容】
[0005]基于以上現有技術，本發明的目的在于提供一種可強化磷化氫產生的微生物電化學系統的構建方法。該系統利用一定電位條件下附著在陰極表面生長的微生物來強化磷酸鹽還原為磷化氫這一反應。
[0006]本發明目的通過以下技術方案實現:
[0007]—種可強化磷化氫產生的微生物電化學系統的構建方法，包括以下步驟:
[0008](1)將動物糞便與厭氧活性污泥混合，加入到厭氧反應器中，然后加入培養基進行培養，得到富含產磷化氫微生物的馴化后的活性污泥混合液；
[0009](2)取馴化后的活性污泥混合液，經離心并用磷酸緩沖溶液洗滌后獲得接種污泥，然后將接種污泥加入到微生物電解池中進行掛膜；
[0010](3)對微生物電解池施加電位并加入培養基進行厭氧培養，強化磷化氫的產生。[0011 ]所述的動物糞便優選豬糞。
[0012]步驟(1)中所述的培養基是以甲醇為碳源:C0D為600?1000mg/L;以磷酸氫二鉀為磷源，總磷含量(TP)為20?60mg/L;以氯化銨為氮源，總氮含量(TN)為20?40mg/L;微量元素營養液，加入量lml/L ；培養基在使用前先除去氧氣。
[0013]步驟(1)中所述培養的條件為:培養周期以4?7天為一個周期，厭氧避光，溫度30?40°C，pH 6?7，氧化還原電位(0RP)保持在380?400mv范圍內。
[0014]所述的微生物電解池包括陰極室和陽極室，陰極室和陽極室用質子交換膜分隔開，陰極室和陽極室分別設置陰極電極和陽極電極，并在陰極室設置Ag/AgCl參比電極，陰極電極、陽極電極和參比電極通過恒電位儀用導線連接。其結構示意圖如圖1所示。
[0015]所述的陰極電極和陽極電極為經過預處理的碳氈，所述預處理的過程為:碳氈先用去離子水洗去表面雜質，然后依次在lmol/L的NaOH和HC1溶液中煮沸30min，隨后用去離子水沖為中性，最后置于烘箱中，在105°C烘干。
[0016]所述陰極電極和陽極電極間的距離為3?5cm。
[0017]所述的質子交換膜在使用前依次經去離子水和稀硫酸浸泡。
[0018]步驟(2)中所述的離心是指在3000r/min的條件下離心lOmin;所述的洗滌是指用50mmol/L磷酸緩沖溶液(pH7.0)洗滌3次。
[0019]步驟(3)中所述施加電位是指施加-660mv?-1410mv的陰極電位。
[0020]步驟(3)中所述的培養基與步驟(1)相同；步驟(3)中所述培養的條件為:反應周期1?4天，培養溫度30?40°C，保持攪拌和厭氧環境。
[0021]本發明的構建方法具有如下優點及有益效果:
[0022](1)本發明通過預先在微生物電解池外對產磷化氫微生物進行富集培養，提高了接種成功率，縮短了啟動時間；
[0023](2)本發明所構建的微生物電化學系統中的陰極表面上生長著以溶劑發酵菌為主的混合菌群，不僅具有磷酸鹽還原功能，且在適當的電位條件下，能夠提高磷酸鹽還原生成的磷化氫的產量和速率；
[0024](3)本發明通過恒電位儀在陰極室提供了具有特定的氧化還原電位的環境，對微生物具有一定選擇作用，可以進一步馴化出具有產磷化氫能力且具備較強電化學活性的微生物，進而優化磷化氫還原性能；
[0025](4)本發明的取材方便，設備簡單，操作方便，成本低廉。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明所述微生物電解池的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結合實施例對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。
[0028]以下實施例所使用的微生物電解池組裝過程如下:
[0029]裁取6cmX6cm的質子交換膜，放入去離子水中浸泡1天，再用稀硫酸浸泡半天后待用；
[0030]陽、陰電極均采用直徑為3cm，厚度為3mm碳租。碳租先用去離子水洗去表面雜質，依次在lmol/L的NaOH和HC1溶液中煮沸30min，隨后用去離子水沖為中性，最后置于烘箱中，在105°C烘干。
[0031 ] 微生物電解池陽、陰極室有效容積皆為38mL，陰極室設有氬氣入口、進水口、出水口和氣體采集口 ；將微生物電解池用錫箔紙包裹，安放好質子交換膜和陽、陰電極，電極間距3cm，電子通過直徑為1mm的鈦絲導出；在陰極室插入Ag/AgCl參比電極并放入可攪拌的轉子。陽極、陰極分別為對電極、工作電極，并與參比電極分別連接恒電位儀的相應接頭。
[0032]實施例1
[0033](1)產磷化氫微生物在微生物電解池外的富集培養:在3L棕色厭氧瓶中加入300g豬糞和300g厭氧污泥及1L培養基，培養基以甲醇為碳源，COD為800mg/L，以磷酸氫二鉀為磷源，TP為50mg/L;以氯化銨為氮源為氮源，TN為30mg/L。微量元素營養液，加入量lml/L。培養基使用前通氬氣5min除氧，于恒溫箱內35°C厭氧培養，pH 6.5，0RP在380?400mv范圍內。每個周期4天，8個周期后完成產磷化氫微生物的富集，得到富含產磷化氫微生物的馴化后的活性污泥混合液。
[0034](2)取馴化后的活性污泥混合液10mL，經離心機3000r/min離心lOmin，用50mmol/L磷酸緩沖溶液(PH7.0)洗滌3次后獲得接種污泥，然后將接種污泥加入到微生物電解池中進行掛膜。
[0035](3)啟動微生物電解池，通過恒電位儀設定陰極電位為-660mv，使用與步驟(1)中相同的培養基進行厭氧培養，培養基使用前通氬氣5min除氧。反應周期4d，