一種微生物電化學系統陽極生物膜的構筑方法與流程
本發明涉及一種微生物電化學系統陽極生物膜的構筑方法，屬于陽極生物膜的構筑方法技術領域。
背景技術：
進入二十一世紀，污水處理技術的發展方向開始逐漸轉為在污染物降解的同時實現資源化和能源化。首先，現階段的污水處理技術仍然以高能耗的好氧污水處理技術為主，處理過程中需要消耗大量的電能，而電能的消耗又將帶來大量化石燃料的消耗，其中大量二氧化碳等溫室氣體的排放，加劇全球變暖等環境問題。因此，實現污水處理的低能耗運行成為了環境工程領域研究的不變主題；與此同時，在降低污水處理能耗的同時，實現污水中能量的能源化回收，可以為降低污水處理能耗甚至實現零能耗運行的重要手段。現階段，可以同時實現污水低能耗降解和能源化運行的技術主要為利用厭氧污水處理技術并在污水處理的同時在污水中回收生物質能，包括甲烷、氫氣和電能等。回收的能源作為污水處理消耗能量的有效平衡補充，這將為實現污水處理過程的能量自給自足提供重要的保證。其次，除了利用污水處理技術中產生的能量實現污水處理過程的能量自平衡，還可以利用污水中的有機物制備重要的化學物質，實現污水的資源化處理。污染物，其實是放錯了位置的資源，通過一定的污水處理技術的使用，可以在實現污水處理的同時完成污水資源化過程，得到有用的物質，比如磷肥等。因此，污水處理技術在資源化和能源化方向的發展將成為環境工程領域的重要研究內容。
微生物電化學技術是一種利用微生物將有機物中的化學能轉化為電能的裝置，可以實現污染物降解和能源回收的同步實現。微生物電化學技術因其具備高效快速降解有機污染物質，同時實現清潔能源電能回收和污泥減量的各種優點，在環境和能源領域都受到了廣泛的關注。微生物電化學系統的污染物降解和電能回收功能的發揮，主要依賴于陽極產電微生物的快速富集和生長；尤其是，陽極生物膜的形成保證了有機污染物的持續高效去除以及污水中化學能向電能的持續轉化。目前，生物電化學系統中的陽極生物膜的成長主要依靠利用陽極材料在生物電化學系統運行過程中逐漸地馴化培養。馴化過程中，首先要構筑生物電化學系統，陽極電極一般采用廉價耐用的碳基電極材料等，以利用微生物的附著和生長；陰極可采用空氣陰極和生物陰極的設計，并利用外電路將陰陽極相連，利用陰極的還原反應為陽極上面微生物氧化底物提供重要的電化學驅動力。然后，利用已經馴化并正常運行的反應器的水體或者污水作為菌源進行接種。該過程作為生物電化學系統中陽極的馴化啟動的通用的方法，已經被廣泛的應用的各種研究工作中。
但是，現行的方法仍面臨著以下幾個問題：a.啟動周期長。生物電化學系統成功啟動需要在反應器的陽極表面實現產電微生物的富集生長，但是，富集馴化過程往往需要較長的時間，一般可以達到10～15天甚至更長；b.接種源不穩定，這也是影響生物電化學系統陽極穩定啟動的重要因素，因為無論是利用已經正常運行的生物電化學系統的陽極水體或者直接利用污水接種都不能保證接種液的質量，這增加了陽極成功啟動的不確定性c.隨著陽極生物膜的逐漸形成，厚度的逐漸增加，陽極生物膜的性能的提高將受到限制，產電和底物降解效率都將達到一個平臺期，這主要是由于生物膜在厚度方向上對胞外電子傳遞過程和底物傳質過程的限制造成的。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決上述現有技術存在的問題，進而提供一種微生物電化學系統陽極生物膜的構筑方法。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
一種微生物電化學系統陽極生物膜的構筑方法，
步驟一、電化學活性菌的定向擴培，采集已經穩定運行了生物電化學反應器中陽極上的微生物樣品作為接種的菌源，接種于培養基中，通入氮氣制造厭氧的環境，然后密封，在厭氧條件下，搖床上培養；
步驟二、導電粒子與電化學活性菌的混合固定，配置導電粒子溶液，超聲分散，然后吸取一定量的導電粒子溶液加入到電化學活性菌菌液中，搖勻，靜置；
步驟三、進行復合結構生物膜在陽極表面的濾過固定過程。
所述步驟三中，首先進行過濾型活性炭陽極的制備；然后利用過濾裝置將導電粒子和電化學活性菌復合體過濾到制備的過濾性活性炭陽極表面，其中，將過濾活性炭陽極安裝在過濾裝置的上腔式和下腔室之間，將導電粒子和電化學活性菌的混合液加入到上腔室中，利用真空泵對下腔室進行抽真空處理，利用上下腔室的氣壓差，將混合液過濾通過活性炭陽極，同時導電粒子和電化學活性菌的復合結構便濾過固定在電極的表面。
所述導電粒子溶液的濃度范圍為4～20g/L。
所述搖床的使用條件為，轉速范圍為50rpm～300rpm。
所述搖床的使用溫度范圍為25℃～35℃。
本發明利用電化學活性菌提前富集馴化技術實現陽極接種源的高質量、高效率的培養，采取已經穩定運行的陽極生物膜樣品，利用培養基厭氧擴培馴化，實現電化學活性微生物的選擇性富集培養；利用過濾活性炭陽極，通過高效濾過的方式，將選擇性富集培養的陽極電化學活性微生物固定到陽極的表面，實現電化學活性生物膜在陽極上的直接固定形成，省略了耗時較長的馴化培養階段；在陽極生物膜濾過式構筑的同時，在生物膜中均勻地添加多壁碳納米管，同時利用多壁碳納米管的導電性和三維結構，改善生物膜的電子傳遞和底物傳遞能力，解除生物膜厚度對胞外電子傳遞和底物傳質過程的抑制作用，實現了陽極生物膜性能的提高。
本發明的有益效果：
1、本發明通過構筑了導電粒子的復合生物膜的構建，成功的將生物電化學系統的啟動時間和啟動周期大大地縮短。
2、本發明利用該復合生物膜，相比于普通自然生長的陽極生物膜而言，產電性能得到了極大的提高，整個生物電化學系統的庫倫效率也得到了提高。
附圖說明
圖1為真空過濾反應器示意圖。
圖2為測試陽極生物膜性能的單室微生物燃料電池示意圖。
圖3為復合結構陽極生物膜和普通生長陽極生物膜的啟動情況對比圖。
圖1中的附圖標記，(1)為進水口，(2)為上腔室，(3)為抽真空接口，(4)為下腔室。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明做進一步的詳細說明：本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式，但本發明的保護范圍不限于下述實施例。
實施例1：
步驟一、電化學活性菌的定向擴培。采集已經穩定運行了生物電化學反應器中陽極上的微生物樣品作為接種的菌源，接種于含有25g/L的LB培養基三角燒瓶中，通入氮氣30min制造厭氧的環境，然后密封，在厭氧條件下，轉速為150rpm溫度為30℃的搖床上培養24小時。
步驟二、多壁碳納米管與電化學活性菌的混合固定。配置多壁碳納米管溶液，超聲分散30分鐘，然后吸取2mL6g/L多壁碳納米管溶液加入到25mL的電化學活性菌菌液中，搖勻，靜置3個小時。
步驟三、復合結構生物膜在陽極表面的濾過固定過程。
其中，第一步，進行過濾型活性炭陽極的制備。過濾型活性炭陽極采用輥壓法制備，簡易的制備過程如下：將活性炭與聚四氟乙烯(PTFE)以質量比6:1的比例混合于酒精中,在超聲中混勻，然后輥壓在不銹鋼網表面，制得過濾型活性炭陽極。第二步，使用圖1中的過濾裝置將多壁碳納米管和電化學活性菌復合體過濾到制備的過濾性活性炭陽極表面。圖1中的過濾裝置各部分分別為：(1)進水口，(2)上腔室，(3)抽真空接口和(4)下腔室。其中過濾活性炭陽極安裝在上腔式和下腔室之間。將多壁碳納米管和電化學活性菌的混合液加入到上腔室中，利用真空泵對下腔室進行抽真空處理，利用上下腔室的氣壓差，將混合液過濾通過活性炭陽極，同時多壁碳納米管和電化學活性菌的復合結構便濾過固定在電極的表面。
將該制備的復合生物膜的活性炭陽極置于有機玻璃反應器不開口的一側，陰極采用活性炭空氣陰極，置于有機玻璃反應器開口的一側，使用鈦線將陰陽極與外電路1000Ω外阻相連。反應器中為含有1g/L乙酸鈉濃度的50mM的PBS溶液，其中含有必須的微量元素和礦物元素(78.49μM，C6H9NO3；121.71μM，MgSO4·7H2O；29.58μM，MnSO4·H2O,；171.12μM，NaCl；3.60μM，FeSO4·7H2O,6.80μM，CaCl2·2H2O,4.20μM，CoCl2·6H2O；9.54μM，ZnCl2；0.40μM，CuSO4·5H2O；0.21μM，AlK(SO4)2·12H2O；1.62μM，H3BO3；1.03μM，Na2MoO4·2H2O,1.01μM，NiCl2·6H2O；0.76μM Na2WO4·2H2O)。電池的運行方式為，待電壓下降到100mV以下時更換其中的底液。
裝備有復合生物膜和對照陽極的單室微生物燃料電池的啟動電壓圖如圖3所示，裝備有復合生物膜的單室微生物燃料電池的1000Ω外阻兩端電壓在第二周期就趨于穩定，并且達到了0.75V；而對照組陽極則需要在第五個周期才能成功啟動，并處于穩定狀態，穩定后最終電壓也只有0.51V左右，低于制備的復合生物膜。
實施例2：
步驟一、電化學活性菌的定向擴培。采集已經穩定運行了生物電化學反應器中陽極上的微生物樣品作為接種的菌源，接種于含有30g/L的LB培養基三角燒瓶中，通入氮氣30min制造厭氧的環境，然后密封，在厭氧條件下，轉速為150rpm溫度為30℃的搖床上培養24小時。
步驟二、石墨烯與電化學活性菌的混合固定。配置石墨烯溶液，超聲分散30分鐘，然后吸取2mL8g/L石墨烯溶液加入到25mL的電化學活性菌菌液中，搖勻，靜置3個小時。
步驟三、復合結構生物膜在陽極表面的濾過固定過程。
其中，第一步，進行過濾型活性炭陽極的制備。過濾型活性炭陽極采用輥壓法制備，簡易的制備過程如下：將活性炭與聚四氟乙烯(PTFE)以質量比6:1的比例混合于酒精中,在超聲中混勻，然后輥壓在不銹鋼網表面，制得過濾型活性炭陽極。第二步，使用圖1中的過濾裝置將石墨烯和電化學活性菌復合體過濾到制備的過濾性活性炭陽極表面。其中過濾活性炭陽極安裝在上腔式和下腔室之間。將石墨烯和電化學活性菌的混合液加入到上腔室中，利用真空泵對下腔室進行抽真空處理，利用上下腔室的氣壓差，將混合液過濾通過活性炭陽極，同時石墨烯和電化學活性菌的復合結構便濾過固定在電極的表面。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，這些具體實施方式都是基于本發明整體構思下的不同實現方式，而且本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！