一种微生物电化学系统阳极生物膜的构筑方法技术方案

本发明专利技术提供了一种微生物电化学系统阳极生物膜的构筑方法，属于阳极生物膜的构筑方法技术领域。电化学活性菌的定向扩培，采集已经稳定运行了生物电化学反应器中阳极上的微生物样品作为接种的菌源，接种于培养基中，通入氮气制造厌氧的环境，然后密封，在厌氧条件下，摇床上培养；导电粒子与电化学活性菌的混合固定，配置导电粒子溶液，超声分散，然后吸取一定量的导电粒子溶液加入到电化学活性菌菌液中，摇匀，静置；进行复合结构生物膜在阳极表面的滤过固定过程。本发明专利技术通过构筑了导电粒子的复合生物膜的构建，成功的将生物电化学系统的启动时间和启动周期大大地缩短，产电性能得到了极大的提高，整个生物电化学系统的库伦效率也得到了提高。

【技术实现步骤摘要】
一种微生物电化学系统阳极生物膜的构筑方法
本专利技术涉及一种微生物电化学系统阳极生物膜的构筑方法，属于阳极生物膜的构筑方法

技术介绍
进入二十一世纪，污水处理技术的发展方向开始逐渐转为在污染物降解的同时实现资源化和能源化。首先，现阶段的污水处理技术仍然以高能耗的好氧污水处理技术为主，处理过程中需要消耗大量的电能，而电能的消耗又将带来大量化石燃料的消耗，其中大量二氧化碳等温室气体的排放，加剧全球变暖等环境问题。因此，实现污水处理的低能耗运行成为了环境工程领域研究的不变主题；与此同时，在降低污水处理能耗的同时，实现污水中能量的能源化回收，可以为降低污水处理能耗甚至实现零能耗运行的重要手段。现阶段，可以同时实现污水低能耗降解和能源化运行的技术主要为利用厌氧污水处理技术并在污水处理的同时在污水中回收生物质能，包括甲烷、氢气和电能等。回收的能源作为污水处理消耗能量的有效平衡补充，这将为实现污水处理过程的能量自给自足提供重要的保证。其次，除了利用污水处理技术中产生的能量实现污水处理过程的能量自平衡，还可以利用污水中的有机物制备重要的化学物质，实现污水的资源化处理。污染物，其实是放错了位置的资源，通过一定的污水处理技术的使用，可以在实现污水处理的同时完成污水资源化过程，得到有用的物质，比如磷肥等。因此，污水处理技术在资源化和能源化方向的发展将成为环境工程领域的重要研究内容。微生物电化学技术是一种利用微生物将有机物中的化学能转化为电能的装置，可以实现污染物降解和能源回收的同步实现。微生物电化学技术因其具备高效快速降解有机污染物质，同时实现清洁能源电能回收和污泥减量的各种优点，在环境和能源领域都受到了广泛的关注。微生物电化学系统的污染物降解和电能回收功能的发挥，主要依赖于阳极产电微生物的快速富集和生长；尤其是，阳极生物膜的形成保证了有机污染物的持续高效去除以及污水中化学能向电能的持续转化。目前，生物电化学系统中的阳极生物膜的成长主要依靠利用阳极材料在生物电化学系统运行过程中逐渐地驯化培养。驯化过程中，首先要构筑生物电化学系统，阳极电极一般采用廉价耐用的碳基电极材料等，以利用微生物的附着和生长；阴极可采用空气阴极和生物阴极的设计，并利用外电路将阴阳极相连，利用阴极的还原反应为阳极上面微生物氧化底物提供重要的电化学驱动力。然后，利用已经驯化并正常运行的反应器的水体或者污水作为菌源进行接种。该过程作为生物电化学系统中阳极的驯化启动的通用的方法，已经被广泛的应用的各种研究工作中。但是，现行的方法仍面临着以下几个问题：a.启动周期长。生物电化学系统成功启动需要在反应器的阳极表面实现产电微生物的富集生长，但是，富集驯化过程往往需要较长的时间，一般可以达到10～15天甚至更长；b.接种源不稳定，这也是影响生物电化学系统阳极稳定启动的重要因素，因为无论是利用已经正常运行的生物电化学系统的阳极水体或者直接利用污水接种都不能保证接种液的质量，这增加了阳极成功启动的不确定性c.随着阳极生物膜的逐渐形成，厚度的逐渐增加，阳极生物膜的性能的提高将受到限制，产电和底物降解效率都将达到一个平台期，这主要是由于生物膜在厚度方向上对胞外电子传递过程和底物传质过程的限制造成的。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种微生物电化学系统阳极生物膜的构筑方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种微生物电化学系统阳极生物膜的构筑方法，步骤一、电化学活性菌的定向扩培，采集已经稳定运行了生物电化学反应器中阳极上的微生物样品作为接种的菌源，接种于培养基中，通入氮气制造厌氧的环境，然后密封，在厌氧条件下，摇床上培养；步骤二、导电粒子与电化学活性菌的混合固定，配置导电粒子溶液，超声分散，然后吸取一定量的导电粒子溶液加入到电化学活性菌菌液中，摇匀，静置；步骤三、进行复合结构生物膜在阳极表面的滤过固定过程。所述步骤三中，首先进行过滤型活性炭阳极的制备；然后利用过滤装置将导电粒子和电化学活性菌复合体过滤到制备的过滤性活性炭阳极表面，其中，将过滤活性炭阳极安装在过滤装置的上腔式和下腔室之间，将导电粒子和电化学活性菌的混合液加入到上腔室中，利用真空泵对下腔室进行抽真空处理，利用上下腔室的气压差，将混合液过滤通过活性炭阳极，同时导电粒子和电化学活性菌的复合结构便滤过固定在电极的表面。所述导电粒子溶液的浓度范围为4～20g/L。所述摇床的使用条件为，转速范围为50rpm～300rpm。所述摇床的使用温度范围为25℃～35℃。本专利技术利用电化学活性菌提前富集驯化技术实现阳极接种源的高质量、高效率的培养，采取已经稳定运行的阳极生物膜样品，利用培养基厌氧扩培驯化，实现电化学活性微生物的选择性富集培养；利用过滤活性炭阳极，通过高效滤过的方式，将选择性富集培养的阳极电化学活性微生物固定到阳极的表面，实现电化学活性生物膜在阳极上的直接固定形成，省略了耗时较长的驯化培养阶段；在阳极生物膜滤过式构筑的同时，在生物膜中均匀地添加多壁碳纳米管，同时利用多壁碳纳米管的导电性和三维结构，改善生物膜的电子传递和底物传递能力，解除生物膜厚度对胞外电子传递和底物传质过程的抑制作用，实现了阳极生物膜性能的提高。本专利技术的有益效果：1、本专利技术通过构筑了导电粒子的复合生物膜的构建，成功的将生物电化学系统的启动时间和启动周期大大地缩短。2、本专利技术利用该复合生物膜，相比于普通自然生长的阳极生物膜而言，产电性能得到了极大的提高，整个生物电化学系统的库伦效率也得到了提高。附图说明图1为真空过滤反应器示意图。图2为测试阳极生物膜性能的单室微生物燃料电池示意图。图3为复合结构阳极生物膜和普通生长阳极生物膜的启动情况对比图。图1中的附图标记，(1)为进水口，(2)为上腔室，(3)为抽真空接口，(4)为下腔室。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术做进一步的详细说明：本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本专利技术的保护范围不限于下述实施例。实施例1：步骤一、电化学活性菌的定向扩培。采集已经稳定运行了生物电化学反应器中阳极上的微生物样品作为接种的菌源，接种于含有25g/L的LB培养基三角烧瓶中，通入氮气30min制造厌氧的环境，然后密封，在厌氧条件下，转速为150rpm温度为30℃的摇床上培养24小时。步骤二、多壁碳纳米管与电化学活性菌的混合固定。配置多壁碳纳米管溶液，超声分散30分钟，然后吸取2mL6g/L多壁碳纳米管溶液加入到25mL的电化学活性菌菌液中，摇匀，静置3个小时。步骤三、复合结构生物膜在阳极表面的滤过固定过程。其中，第一步，进行过滤型活性炭阳极的制备。过滤型活性炭阳极采用辊压法制备，简易的制备过程如下：将活性炭与聚四氟乙烯(PTFE)以质量比6:1的比例混合于酒精中,在超声中混匀，然后辊压在不锈钢网表面，制得过滤型活性炭阳极。第二步，使用图1中的过滤装置将多壁碳纳米管和电化学活性菌复合体过滤到制备的过滤性活性炭阳极表面。图1中的过滤装置各部分分别为：(1)进水口，(2)上腔室，(3)抽真空接口和(4)下腔室。其中过滤活性炭阳极安装在上腔式和下腔室之间。将多壁碳纳米管和电化学活性菌的混合液加入到上腔室中，利用真空泵对下腔室进行抽真空处理，利用上下腔室本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微生物电化学系统阳极生物膜的构筑方法，其特征在于，步骤一、电化学活性菌的定向扩培，采集已经稳定运行了生物电化学反应器中阳极上的微生物样品作为接种的菌源，接种于培养基中，通入氮气制造厌氧的环境，然后密封，在厌氧条件下，摇床上培养；步骤二、导电粒子与电化学活性菌的混合固定，配置导电粒子溶液，超声分散，然后吸取一定量的导电粒子溶液加入到电化学活性菌菌液中，摇匀，静置；步骤三、进行复合结构生物膜在阳极表面的滤过固定过程。

【技术特征摘要】
1.一种微生物电化学系统阳极生物膜的构筑方法，其特征在于，步骤一、电化学活性菌的定向扩培，采集已经稳定运行了生物电化学反应器中阳极上的微生物样品作为接种的菌源，接种于培养基中，通入氮气制造厌氧的环境，然后密封，在厌氧条件下，摇床上培养；步骤二、导电粒子与电化学活性菌的混合固定，配置导电粒子溶液，超声分散，然后吸取一定量的导电粒子溶液加入到电化学活性菌菌液中，摇匀，静置；步骤三、进行复合结构生物膜在阳极表面的滤过固定过程。2.根据权利要求1所述的微生物电化学系统阳极生物膜的构筑方法，其特征在于，所述步骤三中，首先进行过滤型活性炭阳极的制备；然后利用过滤装置将导电粒子和电化学活性菌复合体过滤到制备的过滤性活性炭阳极...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯玉杰，张鹏，刘佳，曲有鹏，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23