在微生物電化學(xué)反應(yīng)器陽極構(gòu)建電催化細(xì)菌生物膜的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種在微生物電化學(xué)反應(yīng)器陽極構(gòu)建電催化細(xì)菌生物膜的方法，步驟如下：先組裝微生物電化學(xué)反應(yīng)器并連接電路，第一路為在陽極與陰極之間串聯(lián)固定電阻，第二路為在陽極與陰極之間串聯(lián)直流穩(wěn)壓電源、電流表、可變電阻器和循環(huán)時(shí)間繼電器的工作觸頭；然后向陽極室注入細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液并接種菌源，接通第一路對(duì)微生物陽極進(jìn)行預(yù)啟動(dòng)，測(cè)量陽極電勢(shì)變化得到極化曲線，確定陽極的極限電流值；接著以脈沖極限電流刺激電催化細(xì)菌生物膜生長(zhǎng)后，再次得到新極限電流值，然后在新極限脈沖電流下進(jìn)行下一輪刺激，如此反復(fù)直至極限電流無明顯增長(zhǎng)，陽極電催化細(xì)菌生物膜即構(gòu)建完成，該電催化細(xì)菌生物膜能夠在較高工作電流下穩(wěn)定運(yùn)行。
【專利說明】在微生物電化學(xué)反應(yīng)器陽極構(gòu)建電催化細(xì)菌生物膜的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在微生物電化學(xué)反應(yīng)器陽極構(gòu)建電催化細(xì)菌生物膜的方法，屬于微生物電化學(xué)反應(yīng)器【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]微生物電化學(xué)反應(yīng)器包括微生物燃料電池、微生物電解池和微生物電化學(xué)傳感器等。在微生物電化學(xué)反應(yīng)器中，附著在電極表面的電催化細(xì)菌生物膜的電催化活性和運(yùn)行穩(wěn)定性是決定反應(yīng)器性能的關(guān)鍵部件，穩(wěn)定高效的電催化細(xì)菌生物膜可提高微生物燃料電池和微生物電解池的能量效率，提高微生物電化學(xué)傳感器信號(hào)響應(yīng)的靈敏度。電催化細(xì)菌生物膜是由具有完整生命代謝功能的產(chǎn)電細(xì)菌(有時(shí)還包括非產(chǎn)電細(xì)菌)細(xì)胞及胞外物質(zhì)共同形成的具有一定空間結(jié)構(gòu)的細(xì)胞堆積層。在生物電化學(xué)反應(yīng)器的電極表面上，細(xì)菌生物膜具有將反應(yīng)底物氧化分解，并將氧化過程釋放的電子傳遞到電極上形成電流的電化學(xué)催化功能。
[0003]目前，在微生物電化學(xué)反應(yīng)器陽極構(gòu)建電催化細(xì)菌生物膜的方法有兩種。第一種是恒外阻模式的構(gòu)建方法，主要步驟有:(I)將細(xì)菌接種源接種到反應(yīng)器的陽極室中，細(xì)菌接種源包括取自環(huán)境沉積物、污水生物處理廠中的含產(chǎn)電菌的污泥以及在實(shí)驗(yàn)室條件下培養(yǎng)出來的含產(chǎn)電菌的培養(yǎng)菌等；(2)將陽極通過某一定值外電阻與陰極接通，構(gòu)成閉合電路，利用接種到陽 極室的細(xì)菌在電極表面上進(jìn)行的適應(yīng)性生長(zhǎng)，形成電催化細(xì)菌生物膜。
[0004]第二種是恒電極電勢(shì)模式的構(gòu)建方法，主要步驟有:(1)將細(xì)菌接種源接種到反應(yīng)器的陽極室中，細(xì)菌接種源包括取自環(huán)境沉積物、污水生物處理廠中的含產(chǎn)電菌的污泥以及在實(shí)驗(yàn)室條件下培養(yǎng)出來的含產(chǎn)電菌的培養(yǎng)菌等；(2)利用恒電位儀和參比電極控制陽極電勢(shì)保持某一恒定值，使接種到陽極室中的細(xì)菌在電極表面進(jìn)行適應(yīng)性生長(zhǎng)，形成電催化細(xì)菌生物膜。雖然兩種方法的電化學(xué)控制方法不同，但兩種方法實(shí)質(zhì)上都是利用細(xì)菌對(duì)陽極電勢(shì)的適應(yīng)性生長(zhǎng)，達(dá)到構(gòu)建電催化細(xì)菌生物膜的目的。
[0005]以上兩種構(gòu)建電催化細(xì)菌生物膜的方法的不同之處是:在第一種方法中，細(xì)菌適應(yīng)的是動(dòng)態(tài)變化的電勢(shì)。根據(jù)目前公開的資料，利用第一種方法在陽極表面構(gòu)建電催化活性生物膜過程中，陽極電勢(shì)(相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極)通常都在約+0.5V~-0.3V的范圍內(nèi)變化。在第二種方法中，細(xì)菌適應(yīng)的是恒定的陽極電勢(shì)，在生物膜形成過程中，通常將陽極電勢(shì)保持在某一個(gè)固定數(shù)值，根據(jù)相關(guān)資料，在第二種構(gòu)建方法中，也基本上都是在+0.5V~-0.3V (相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極)的范圍內(nèi)選定一個(gè)恒定的陽極電勢(shì)培養(yǎng)陽極生物膜。
[0006]利用電勢(shì)適應(yīng)方法構(gòu)建出來的電催化細(xì)菌生物膜，普遍存在如下不足:(I)電極能達(dá)到的極限工作電流較小，電催化效率低；(2)電催化細(xì)菌生物膜對(duì)較高工作電流的承受能力差，當(dāng)通過電極的工作電流接近或超過其極限電流時(shí)，電極會(huì)被迅速過度極化，過度極化會(huì)造成陽極電勢(shì)在短時(shí)間內(nèi)(通常不超過10分鐘)正移到+1.2V (相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極)以上，這樣高的陽極電勢(shì)會(huì)對(duì)細(xì)菌本身造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害，導(dǎo)致電催化細(xì)菌生物膜被破壞，失去催化功能?？傊?，利用電勢(shì)適應(yīng)法構(gòu)建的電催化細(xì)菌生物膜，普遍存在著催化活性較小，對(duì)高工作電流適應(yīng)性差的缺點(diǎn)，構(gòu)建出來的電催化細(xì)菌生物膜，即使在營養(yǎng)物質(zhì)充足的情況下，也無法在接近其極限電流水平的工作電流下連續(xù)穩(wěn)定工作。因此，研發(fā)出具有較高催化活性和在較高工作電流下具有運(yùn)行穩(wěn)定性的電催化細(xì)菌生物膜的構(gòu)建方法，對(duì)于開發(fā)穩(wěn)定高效的生物電化學(xué)反應(yīng)器具有重要的技術(shù)意義和廣泛的應(yīng)用推廣價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種在微生物電化學(xué)反應(yīng)器陽極構(gòu)建電催化細(xì)菌生物膜的方法，能夠在較高工作電流下穩(wěn)定運(yùn)行。[0008]為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明的一種在微生物電化學(xué)反應(yīng)器陽極構(gòu)建電催化細(xì)菌生物膜的方法，依次包括如下步驟:⑴組裝微生物電化學(xué)反應(yīng)器，所述微生物電化學(xué)反應(yīng)器包括陽極室和陰極室；⑵連接電路元件，電路元件包括選擇開關(guān)、固定電阻、直流穩(wěn)壓電源、電流表、可變電阻器、循環(huán)時(shí)間繼電器和輔助直流電源，所述選擇開關(guān)的共端與所述陽極連接，所述選擇開關(guān)的第一選擇端與所述固定電阻串聯(lián)后與所述陰極連接，所述選擇開關(guān)的第二選擇端依次與所述直流穩(wěn)壓電源、電流表、可變電阻器和所述循環(huán)時(shí)間繼電器的工作觸頭串聯(lián)后與所述陰極連接，所述循環(huán)時(shí)間繼電器的線圈通過輔助開關(guān)連接在所述輔助直流電源的兩端；(3)微生物陽極預(yù)啟動(dòng)，向所述微生物電化學(xué)反應(yīng)器的陽極室注入細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液將陽極浸沒，再向所述陽極室中接種含產(chǎn)電菌的微生物菌源，接著將所述選擇開關(guān)撥至與第一選擇端接通，使陽極通過固定電阻與陰極電連接，對(duì)微生物陽極進(jìn)行預(yù)啟動(dòng)；⑷連續(xù)測(cè)量微生物陽極在預(yù)啟動(dòng)過程中的陽極電勢(shì)變化，陽極電勢(shì)變化依次分為三個(gè)階段，第一階段為緩慢下降階段，陽極電勢(shì)處于高位在2~7天內(nèi)共下降小于0.1V ;第二階段為快速下降階段，陽極電勢(shì)在10~20小時(shí)內(nèi)下降0.2V~0.6V ;第三階段為平穩(wěn)變化階段，陽極電勢(shì)變化的幅度穩(wěn)定在±0.03V以內(nèi)達(dá)10小時(shí)以上，當(dāng)陽極電勢(shì)變化到達(dá)第三階段即為微生物陽極預(yù)啟動(dòng)完成，陽極的電催化細(xì)菌生物膜初步構(gòu)建完成；(5)斷開選擇開關(guān)，采用線性掃描伏安法測(cè)量微生物陽極的極化曲線，測(cè)量時(shí)以陰極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，將陽極電勢(shì)從-0.6V掃描到0V，根據(jù)掃描得到的電流-電勢(shì)圖確定陽極的極限電流值；(6)利用公式R=U/I計(jì)算進(jìn)行脈沖電流刺激時(shí)所需要可變電阻器的工作阻值，其中U為所述直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓，I為步驟(5)測(cè)得的極限電流值，然后調(diào)整所述可變電阻器至計(jì)算得到的工作阻值下；再調(diào)節(jié)循環(huán)時(shí)間繼電器的通斷時(shí)間控制脈沖電流的脈沖寬度和通斷時(shí)間比，所述通斷時(shí)間比為(0.5~I)秒:I秒；接著將所述選擇開關(guān)撥至與第二選擇端接通，同時(shí)接通所述輔助開關(guān)，使設(shè)定好的極限脈沖電流對(duì)微生物陽極進(jìn)行電流刺激，電催化細(xì)菌生物膜在上述電流刺激下生長(zhǎng)和發(fā)展30~40小時(shí)；(7)斷開所述選擇開關(guān)，以步驟
(5)的方法再次測(cè)量微生物陽極新的極化曲線，得到新的更高的極限電流值，然后按步驟(6)的方法在新的極限脈沖電流下再對(duì)微生物陽極進(jìn)行進(jìn)一步極限脈沖電流刺激，如此反復(fù)循環(huán)；⑶當(dāng)重復(fù)的極限脈沖電流刺激后，根據(jù)步驟(5)的方法得到的極化曲線與上一輪的極化曲線相比，極限電流值的增長(zhǎng)低于5%，本發(fā)明的陽極電催化細(xì)菌生物膜即構(gòu)建完成。
[0009]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明取得了以下有益效果:⑴本發(fā)明的電路提供了兩個(gè)回路，當(dāng)選擇開關(guān)撥至與第一選擇端連接時(shí)，陽極通過固定電阻與陰極連接，微生物陽極得到預(yù)啟動(dòng)，經(jīng)過三個(gè)階段后，電催化細(xì)菌生物膜初步構(gòu)建完成；當(dāng)選擇開關(guān)撥至與第二選擇端連接時(shí)，同時(shí)接通輔助開關(guān)，循環(huán)時(shí)間繼電器的線圈處于得電狀態(tài)，循環(huán)時(shí)間繼電器的工作觸頭進(jìn)行循環(huán)的通斷，實(shí)現(xiàn)脈沖電流源對(duì)微生物陽極的刺激。⑵利用極限脈沖電流方式對(duì)陽極電催化細(xì)菌生物膜進(jìn)行刺激，一方面可實(shí)現(xiàn)對(duì)電催化細(xì)菌生物膜進(jìn)行高電流刺激，另一方面，使用脈沖電流，電流通時(shí)間不超過I秒，否則會(huì)造成微生物陽極的過度極化，電流斷時(shí)間不大于I秒，否則達(dá)不到對(duì)微生物陽極的充分電流刺激；通過調(diào)節(jié)合適的占空比，可有效地避免電催化細(xì)菌生物膜因陽極過度極化導(dǎo)致的損傷，使得電催化細(xì)菌生物膜可在高電流環(huán)境下，不斷產(chǎn)生對(duì)高電流的適應(yīng)性。⑶電催化細(xì)菌生物膜催化活性的強(qiáng)弱表現(xiàn)為在一定的電勢(shì)范圍和介質(zhì)條件下生物膜可產(chǎn)生的催化電流大小，催化電流大，則催化活性強(qiáng)；本發(fā)明提供的極限脈沖電流刺激法相比于電勢(shì)適應(yīng)法，可將電催化細(xì)菌生物膜的催化活性提高一倍以上。⑷利用本發(fā)明提供的極限脈沖電流刺激法，可加快電催化細(xì)菌生物膜在陽極表面的發(fā)展進(jìn)程，并且增大了電催化細(xì)菌膜在陽極表面的覆蓋度和生物膜厚度，使得電催化細(xì)菌生物膜的工作運(yùn)行穩(wěn)定性增強(qiáng)。(5)本發(fā)明提供的極限脈沖電流刺激法構(gòu)建電催化細(xì)菌生物膜，并不局限于特定的細(xì)菌源和細(xì)菌類群，利用不同的環(huán)境菌源，包括不同環(huán)境中天然沉積物和污水處理廠活性污泥，均可在生物電化學(xué)反應(yīng)器中，利用本發(fā)明構(gòu)建出性能優(yōu)于電勢(shì)適應(yīng)法得到的電催化細(xì)菌生物膜。
[0010]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述固定電阻的阻值為500歐姆，所述可變電阻器的阻值在O~40000歐姆范圍內(nèi)可調(diào)，所述直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓在24V以上。
[0011]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液的原料組分及重量含量如下:氯化鉀:氯化鈉:氯化鈣:氯化鎂:碳酸氫鈉:氯化銨:磷酸二氫鈉:硫酸鎂:七水硫酸亞鐵:四水氯化錳:二 水鑰酸鈉:酵母汁:醋酸鈉:水=(0.05~0.15): (0.05~
0.15): (0.05 ~0.15): (0.05 ~0.15): (2.0 ~3.0): (1.0 ~2.0): (0.5 ~
1.0): (0.05 ~0.15): (0.001 ~0.005): (0.001 ~0.005): (0.001 ~0.005): (0.05 ~
0.1):(1.6~3.2) =10000氯化鉀、氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂、碳酸氫鈉、氯化銨、磷酸二氫鈉和硫酸鎂為常量無機(jī)鹽，一方面用于補(bǔ)充細(xì)菌生長(zhǎng)所需的鉀、鈉、鈣、鎂、碳、氮、磷、硫元素，另一方面，還具有調(diào)控培養(yǎng)液的離子強(qiáng)度和導(dǎo)電能力；如上的配比使培養(yǎng)液保持總離子濃度為30 mM~40 mM,電導(dǎo)率為1.5 mS/cm~3.0 mS/cm ;其中碳酸氫鈉和磷酸二氫鈉除分別用作細(xì)菌生長(zhǎng)的無機(jī)碳源和磷源外，還具有緩沖培養(yǎng)液的PH的作用。七水硫酸亞鐵、四水氯化錳和二水鑰酸鈉分別補(bǔ)充培養(yǎng)液所需的微量元素鐵、錳和鑰。酵母汁為培養(yǎng)液中的生長(zhǎng)因子；醋酸鈉作為有機(jī)底物，是細(xì)菌生長(zhǎng)所需的能源物質(zhì)，以上組分及重量比可以使產(chǎn)電菌在極限電流刺激下在陽極較好地生長(zhǎng)和發(fā)展。
[0012]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述陰極溶液包括50 mM K3Fe (CN)6和100 mM KH2PO40
[0013]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述微生物菌源為城市生活污水處理廠活性污泥或淡水環(huán)境沉積物中的含產(chǎn)電菌的微生物菌源，接種量按每升所述細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液中接種所述活性污泥或所述沉積物50~100克。
[0014]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述步驟(5)中采用線性掃描伏安法測(cè)量微生物陽極的極化曲線時(shí)，電勢(shì)掃描速率控制在0.lmV/s以下。該電勢(shì)掃描速率可以避免過大的充電電流的影響，能夠準(zhǔn)確得到微生物陽極的極限電流值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，附圖僅提供參考與說明用，非用以限制本發(fā)明。
[0016]圖1為本發(fā)明的微生物電化學(xué)反應(yīng)器的電路連接示意圖。
[0017]圖2為微生物陽極在預(yù)啟動(dòng)過程中的陽極電勢(shì)變化圖。
[0018]圖3為未經(jīng)極限脈沖電流刺激發(fā)展出的電催化細(xì)菌生物膜。
[0019]圖4為微生物陽極預(yù)啟動(dòng)后的極化曲線圖。
[0020]圖5為微生物陽極在極限脈沖電流刺激后的極化曲線圖。
[0021]圖6為經(jīng)極限脈沖電流刺激發(fā)展出的電催化細(xì)菌生物膜。
[0022]圖中:QS1.選擇開關(guān)；QS2.輔助開關(guān)；R0.固定電阻；DV1.直流穩(wěn)壓電源；DV2.輔助直流電源；A.電流表；RX.可變電阻器；KT.循環(huán)時(shí)間繼電器。
【具體實(shí)施方式】
[0023]實(shí)施例一
本發(fā)明在微生物電化學(xué)反應(yīng)器陽極構(gòu)建電催化細(xì)菌生物膜的方法，依次包括如下步
驟: ⑴組裝微生物電化學(xué)反應(yīng)器，微生物電化學(xué)反應(yīng)器包括陽極室和陰極室。
[0024]⑵如圖1所示連接電路元件，電路元件包括選擇開關(guān)QSl、阻值為500 Ω的固定電阻R0、輸出電壓為24V的直流穩(wěn)壓電源DVl、電流表A、阻值在O~40000歐姆范圍內(nèi)可調(diào)的可變電阻器RX、輔助開關(guān)QS2和通/斷時(shí)間比在(0.1s~10 s): (0.1s~10 s)范圍內(nèi)可調(diào)的循環(huán)時(shí)間繼電器KT，選擇開關(guān)QSl的共端與陽極連接，選擇開關(guān)QSl的第一選擇端與固定電阻RO串聯(lián)后與陰極連接，選擇開關(guān)QSl的第二選擇端依次與直流穩(wěn)壓電源DVl、i流表A、可變電阻器RX和循環(huán)時(shí)間繼電器KT的工作觸頭串聯(lián)后與陰極連接，循環(huán)時(shí)間繼電器KT的線圈通過輔助開關(guān)QS2連接在輔助直流電源DV2的兩端。
[0025]⑶微生物陽極預(yù)啟動(dòng)，向微生物電化學(xué)反應(yīng)器的陽極室注入細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液將陽極浸沒，向微生物電化學(xué)反應(yīng)器的陰極室注入陰極溶液將陰極浸沒，再向陽極室中接種含產(chǎn)電菌的微生物菌源，接著將選擇開關(guān)QSl撥至與第一選擇端接通使陽極通過固定電阻RO與陰極電連接，對(duì)微生物陽極進(jìn)行預(yù)啟動(dòng)。
[0026]細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液的原料組分及重量含量如下:氯化鉀:氯化鈉:氯化鈣:氯化鎂:碳酸氫鈉:氯化銨:磷酸二氫鈉:硫酸鎂:七水硫酸亞鐵:四水氯化錳:二水鑰酸鈉:酵母汁:醋酸鈉:水=0.08: 0.07: 0.07: 0.08: 2.5: 1.5: 0.7: 0.10:0.003:
0.003:0.003:0.08:2.4:1000o 陰極溶液包括 50 mM K3Fe(CN)6 和 100 mM KH2PO4。
[0027]微生物菌源為城市生活污水處理廠活性污泥中含產(chǎn)電菌的微生物菌源，接種量按每升細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液中接種活性污泥80克。
[0028]⑷連續(xù)測(cè)量微生物陽極在預(yù)啟動(dòng)過程中的陽極電勢(shì)變化，如圖2所示，陽極電勢(shì)變化依次分為三個(gè)階段，第一階段為緩慢下降階段，陽極電勢(shì)處于高位在65小時(shí)內(nèi)共下降小于0.1V ;第二階段為快速下降階段，陽極電勢(shì)在20小時(shí)內(nèi)下降0.6V ;第三階段為平穩(wěn)變化階段，陽極電勢(shì)變化的幅度穩(wěn)定在±0.03V以內(nèi)達(dá)15小時(shí)，當(dāng)陽極電勢(shì)變化到達(dá)第三階段即為微生物陽極預(yù)啟動(dòng)完成，陽極的電催化細(xì)菌生物膜初步構(gòu)建完成，此時(shí)的電催化細(xì)菌生物膜如圖3所示。
[0029](5)斷開選擇開關(guān)QS1，采用線性掃描伏安法測(cè)量微生物陽極的極化曲線，電勢(shì)掃描速率控制在0.lmV/s以下，測(cè)量時(shí)以陰極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，將陽極電勢(shì)從-0.6V掃描到0V，如圖4所示，根據(jù)掃描得到的電流-電勢(shì)圖確定陽極的極限電流值，圖中曲線的最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流即為微生物陽極的極限電流。
[0030](6)利用公式R=U/I計(jì)算進(jìn)行脈沖電流刺激時(shí)所需要可變電阻器RX的工作阻值，其中U為直流穩(wěn)壓電源DVl的輸出電壓，I為步驟(5)測(cè)得的極限電流值，然后調(diào)整可變電阻器RX至計(jì)算得到的工作阻值下；再調(diào)節(jié)循環(huán)時(shí)間繼電器KT的通斷時(shí)間控制脈沖電流的脈沖寬度和通斷時(shí)間比，通斷時(shí)間比為I秒:I秒；接著將選擇開關(guān)QSl撥至與第二選擇端接通，同時(shí)接通輔助開關(guān)QS2，使設(shè)定好的極限脈沖電流對(duì)微生物陽極進(jìn)行電流刺激，電催化細(xì)菌生物膜在上述電流刺激下生長(zhǎng)和發(fā)展40小時(shí)。
[0031](7)斷開選擇開關(guān)QS1，以步驟(5)的方法再次測(cè)量微生物陽極新的極化曲線，得到新的更高的極限電流值，然后按步驟(6)的方法在新的極限脈沖電流下再對(duì)微生物陽極進(jìn)行進(jìn)一步極限脈沖電流刺激，如此反復(fù)循環(huán)；圖5所示為第①次至第⑤次微生物陽極在類次極限脈沖電流刺激后的極化曲線圖對(duì)比，每一輪的極限電流值均比上一輪有所提高。
[0032]⑶當(dāng)重復(fù)的極限脈沖電流刺激后，根據(jù)步驟(5)的方法得到的極化曲線與上一輪的極化曲線相比，極限電流值的增長(zhǎng)低于5%，如圖5中曲線④和曲線⑤所示，即極限電流不再有明顯提高，本發(fā)明的陽極電催化細(xì)菌生物膜即構(gòu)建完成，經(jīng)極限脈沖電流刺激發(fā)展出的電催化細(xì)菌生物膜如圖6所示。
[0033]實(shí)施例二
本發(fā)明在微生物電化學(xué)反應(yīng)器陽極構(gòu)建電催化細(xì)菌生物膜的方法，依次包括如下步
驟:
⑴裝微生物電化學(xué)反應(yīng)器，微生物電化學(xué)反應(yīng)器包括陽極室和陰極室。
[0034]⑵如圖1所示連接電路元件，電路元件包括選擇開關(guān)QSl、阻值為500 Ω的固定電阻R0、輸出電壓為24V的直流穩(wěn)壓電源DVl、電流表A、阻值在O~40000歐姆范圍內(nèi)可調(diào)的可變電阻器RX、輔助開關(guān)QS2和通/斷時(shí)間比在(0.1s~10 s): (0.1s~10 s)范圍內(nèi)可調(diào)的循環(huán)時(shí)間繼電器KT，選擇開關(guān)QSl的共端與陽極連接，選擇開關(guān)QSl的第一選擇端與固定電阻RO串聯(lián)后與陰極連接，選擇開關(guān)QSl的第二選擇端依次與直流穩(wěn)壓電源DVl、i流表A、可變電阻器RX和循環(huán)時(shí)間繼電器KT的工作觸頭串聯(lián)后與陰極連接，循環(huán)時(shí)間繼電器KT的線圈通過輔助開關(guān)QS2連接在輔助直流電源DV2的兩端。
[0035]⑶微生物陽極預(yù)啟動(dòng)，向微生物電化學(xué)反應(yīng)器的陽極室注入細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液將陽極浸沒，向微生物電化學(xué)反應(yīng)器的陰極室注入陰極溶液將陰極浸沒，再向陽極室中接種含產(chǎn)電菌的微生物菌源，接著將選擇開關(guān)QSl撥至與第一選擇端接通使陽極通過固定電阻RO與陰極電連接，對(duì)微生物陽極進(jìn)行預(yù)啟動(dòng)。
[0036]細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液的原料組分及重量含量如下:氯化鉀:氯化鈉:氯化鈣:氯化鎂:碳酸氫鈉:氯化銨:磷酸二氫鈉:硫酸鎂:七水硫酸亞鐵:四水氯化錳:二水鑰酸鈉:酵母汁:醋酸鈉:水=0.05: 0.05: 0.05: 0.05: 2.0: 1.0: 0.5: 0.05:0.001:
0.001:0.001:0.05:1.6:1000o 陰極溶液包括 50 mM K3Fe(CN)6 和 100 mM KH2PO40 [0037]微生物菌源為淡水環(huán)境沉積物中含產(chǎn)電菌的微生物菌源，接種量按每升細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液中接種沉積物50克。
[0038]⑷連續(xù)測(cè)量微生物陽極在預(yù)啟動(dòng)過程中的陽極電勢(shì)變化，陽極電勢(shì)變化依次分為三個(gè)階段，第一階段為緩慢下降階段，陽極電勢(shì)處于高位在2天內(nèi)共下降小于0.1V;第二階段為快速下降階段，陽極電勢(shì)在10小時(shí)內(nèi)下降0.2V ;第三階段為平穩(wěn)變化階段，陽極電勢(shì)變化的幅度穩(wěn)定在±0.03V以內(nèi)達(dá)10小時(shí)，當(dāng)陽極電勢(shì)變化到達(dá)第三階段即為微生物陽極預(yù)啟動(dòng)完成，陽極的電催化細(xì)菌生物膜初步構(gòu)建完成。
[0039](5)斷開選擇開關(guān)QS1，采用線性掃描伏安法測(cè)量微生物陽極的極化曲線，電勢(shì)掃描速率控制在0.lmV/s以下，測(cè)量時(shí)以陰極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，將陽極電勢(shì)從-0.6V掃描到0V，根據(jù)掃描得到的電流-電勢(shì)圖確定陽極的極限電流值，圖中曲線的最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流即為微生物陽極的極限電流。
[0040](6)利用公式R=U/I計(jì)算進(jìn)行脈沖電流刺激時(shí)所需要可變電阻器RX的工作阻值，其中U為直流穩(wěn)壓電源DVl的輸出電壓，I為步驟(5)測(cè)得的極限電流值，然后調(diào)整可變電阻器RX至計(jì)算得到的工作阻值下；再調(diào)節(jié)循環(huán)時(shí)間繼電器KT的通斷時(shí)間控制脈沖電流的脈沖寬度和通斷時(shí)間比，通斷時(shí)間比為0.5秒:I秒；接著將選擇開關(guān)QSl撥至與第二選擇端接通，同時(shí)接通輔助開關(guān)QS2，使設(shè)定好的極限脈沖電流對(duì)微生物陽極進(jìn)行電流刺激，電催化細(xì)菌生物膜在上述電流刺激下生長(zhǎng)和發(fā)展30小時(shí)。
[0041](7)斷開選擇開關(guān)QS1，以步驟(5)的方法再次測(cè)量微生物陽極新的極化曲線，得到新的更高的極限電流值，然后按步驟(6)的方法在新的極限脈沖電流下再對(duì)微生物陽極進(jìn)行進(jìn)一步極限脈沖電流刺激，如此反復(fù)循環(huán)，每一輪的極限電流值均比上一輪有所提高。
[0042]⑶當(dāng)重復(fù)的極限脈沖電流刺激后，根據(jù)步驟(5)的方法得到的極化曲線與上一輪的極化曲線相比，極限電流值的增長(zhǎng)低于5%，即極限電流不再有明顯提高，本發(fā)明的陽極電催化細(xì)菌生物膜即構(gòu)建完成。 [0043]實(shí)施例三
本發(fā)明在微生物電化學(xué)反應(yīng)器陽極構(gòu)建電催化細(xì)菌生物膜的方法，依次包括如下步
驟:
⑴裝微生物電化學(xué)反應(yīng)器，微生物電化學(xué)反應(yīng)器包括陽極室和陰極室。
[0044]⑵如圖1所示連接電路元件，電路元件包括選擇開關(guān)QSl、阻值為500 Ω的固定電阻R0、輸出電壓為24V的直流穩(wěn)壓電源DVl、電流表A、阻值在O~40000歐姆范圍內(nèi)可調(diào)的可變電阻器RX、輔助開關(guān)QS2和通/斷時(shí)間比在(0.1s~10 s): (0.1s~10 s)范圍內(nèi)可調(diào)的循環(huán)時(shí)間繼電器KT，選擇開關(guān)QSl的共端與陽極連接，選擇開關(guān)QSl的第一選擇端與固定電阻RO串聯(lián)后與陰極連接，選擇開關(guān)QSl的第二選擇端依次與直流穩(wěn)壓電源DVl、i流表A、可變電阻器RX和循環(huán)時(shí)間繼電器KT的工作觸頭串聯(lián)后與陰極連接，循環(huán)時(shí)間繼電器KT的線圈通過輔助開關(guān)QS2連接在輔助直流電源DV2的兩端。
[0045]⑶微生物陽極預(yù)啟動(dòng)，向微生物電化學(xué)反應(yīng)器的陽極室注入細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液將陽極浸沒，向微生物電化學(xué)反應(yīng)器的陰極室注入陰極溶液將陰極浸沒，再向陽極室中接種含產(chǎn)電菌的微生物菌源，接著將選擇開關(guān)QSl撥至與第一選擇端接通使陽極通過固定電阻RO與陰極電連接，對(duì)微生物陽極進(jìn)行預(yù)啟動(dòng)。
[0046]細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液的原料組分及重量含量如下，氯化鉀:氯化鈉:氯化鈣:氯化鎂:碳酸氫鈉:氯化銨:磷酸二氫鈉:硫酸鎂:七水硫酸亞鐵:四水氯化錳:二水鑰酸鈉:酵母汁:醋酸鈉:水=0.15: 0.15: 0.15: 0.15: 3.0: 2.0: 1.0: 0.15:0.005:
0.005:0.005:0.1:3.2:1000o 陰極溶液包括 50 mM K3Fe(CN)6 和 100 mM KH2PO4。[0047]微生物菌源為城市生活污水處理廠活性污泥中的含產(chǎn)電菌的微生物菌源，接種量按每升細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液中接種活性污泥100克。
[0048]⑷連續(xù)測(cè)量微生物陽極在預(yù)啟動(dòng)過程中的陽極電勢(shì)變化，陽極電勢(shì)變化依次分為三個(gè)階段，第一階段為緩慢下降階段，陽極電勢(shì)處于高位在7天內(nèi)共下降小于0.1V ;第二階段為快速下降階段，陽極電勢(shì)在20小時(shí)內(nèi)下降0.6V ;第三階段為平穩(wěn)變化階段，陽極電勢(shì)變化的幅度穩(wěn)定在±0.03V以內(nèi)達(dá)12小時(shí)，當(dāng)陽極電勢(shì)變化到達(dá)第三階段即為微生物陽極預(yù)啟動(dòng)完成，陽極的電催化細(xì)菌生物膜初步構(gòu)建完成。
[0049](5)斷開選擇開關(guān)QS1，采用線性掃描伏安法測(cè)量微生物陽極的極化曲線，電勢(shì)掃描速率控制在0.lmV/s以下，測(cè)量時(shí)以陰極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，將陽極電勢(shì)從-0.6V掃描到0V，根據(jù)掃描得到的電流-電勢(shì)圖確定陽極的極限電流值，圖中曲線的最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流即為微生物陽極的極限電流。
[0050](6)利用公式R=U/I計(jì)算進(jìn)行脈沖電流刺激時(shí)所需要可變電阻器RX的工作阻值，其中U為直流穩(wěn)壓電源DVl的輸出電壓，I為步驟(5)測(cè)得的極限電流值，然后調(diào)整可變電阻器RX至計(jì)算得到的工作阻值下；再調(diào)節(jié)循環(huán)時(shí)間繼電器KT的通斷時(shí)間控制脈沖電流的脈沖寬度和通斷時(shí)間比，通斷時(shí)間比為I秒:I秒；接著將選擇開關(guān)QSl撥至與第二選擇端接通，同時(shí)接通輔助開關(guān)QS2，使設(shè)定好的極限脈沖電流對(duì)微生物陽極進(jìn)行電流刺激，電催化細(xì)菌生物膜在上述電流刺激下生長(zhǎng)和發(fā)展40小時(shí)。
[0051](7)斷開選擇開關(guān)QS1，以步驟(5)的方法再次測(cè)量微生物陽極新的極化曲線，得到新的更高的極限電流值，然后按步驟(6)的方法在新的極限脈沖電流下再對(duì)微生物陽極進(jìn)行進(jìn)一步極限脈沖電流刺激，如此反復(fù)循環(huán)，每一輪的極限電流值均比上一輪有所提高。 [0052](8)當(dāng)重復(fù)的極限脈沖電流刺激后，根據(jù)步驟(5)的方法得到的極化曲線與上一輪的極化曲線相比，極限電流值的增長(zhǎng)低于5%，即極限電流不再有明顯提高，本發(fā)明的陽極電催化細(xì)菌生物膜即構(gòu)建完成。
[0053]實(shí)施例四
本發(fā)明在微生物電化學(xué)反應(yīng)器陽極構(gòu)建電催化細(xì)菌生物膜的方法，依次包括如下步
驟:
⑴裝微生物電化學(xué)反應(yīng)器，微生物電化學(xué)反應(yīng)器包括陽極室和陰極室。
[0054]⑵如圖1所示連接電路元件，電路元件包括選擇開關(guān)QSl、阻值為500 Ω的固定電阻R0、輸出電壓為24V的直流穩(wěn)壓電源DVl、電流表A、阻值在O~40000歐姆范圍內(nèi)可調(diào)的可變電阻器RX、輔助開關(guān)QS2和通/斷時(shí)間比在(0.1s~10 s): (0.1s~10 s)范圍內(nèi)可調(diào)的循環(huán)時(shí)間繼電器KT，選擇開關(guān)QSl的共端與陽極連接，選擇開關(guān)QSl的第一選擇端與固定電阻RO串聯(lián)后與陰極連接，選擇開關(guān)QSl的第二選擇端依次與直流穩(wěn)壓電源DVl、i流表A、可變電阻器RX和循環(huán)時(shí)間繼電器KT的工作觸頭串聯(lián)后與陰極連接，循環(huán)時(shí)間繼電器KT的線圈通過輔助開關(guān)QS2連接在輔助直流電源DV2的兩端。
[0055]⑶微生物陽極預(yù)啟動(dòng)，向微生物電化學(xué)反應(yīng)器的陽極室注入細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液將陽極浸沒，向微生物電化學(xué)反應(yīng)器的陰極室注入陰極溶液將陰極浸沒，再向陽極室中接種含產(chǎn)電菌的微生物菌源，接著將選擇開關(guān)QSl撥至與第一選擇端接通使陽極通過固定電阻RO與陰極電連接，對(duì)微生物陽極進(jìn)行預(yù)啟動(dòng)。
[0056]細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液的原料組分及重量含量如下:氯化鉀:氯化鈉:氯化鈣:氯化鎂:碳酸氫鈉:氯化銨:磷酸二氫鈉:硫酸鎂:七水硫酸亞鐵:四水氯化錳:二水鑰酸鈉:酵母汁:醋酸鈉:水=0.05: 0.15: 0.05: 0.15: 2.5: 1.0: 1.0: 0.15:0.001:
0.005:0.001:0.1:2.0:1000o 陰極溶液包括 50 mM K3Fe(CN)6 和 100 mM KH2PO40
[0057] 微生物菌源為淡水環(huán)境沉積物中含產(chǎn)電菌的微生物菌源，接種量按每升細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液中接種沉積物70克。
[0058]⑷連續(xù)測(cè)量微生物陽極在預(yù)啟動(dòng)過程中的陽極電勢(shì)變化，陽極電勢(shì)變化依次分為三個(gè)階段，第一階段為緩慢下降階段，陽極電勢(shì)處于高位在3天內(nèi)共下降小于0.1V ;第二階段為快速下降階段，陽極電勢(shì)在16小時(shí)內(nèi)下降0.4V ;第三階段為平穩(wěn)變化階段，陽極電勢(shì)變化的幅度穩(wěn)定在±0.03V以內(nèi)達(dá)13小時(shí)，當(dāng)陽極電勢(shì)變化到達(dá)第三階段即為微生物陽極預(yù)啟動(dòng)完成，陽極的電催化細(xì)菌生物膜初步構(gòu)建完成。
[0059](5)斷開選擇開關(guān)QS1，采用線性掃描伏安法測(cè)量微生物陽極的極化曲線，電勢(shì)掃描速率控制在0.lmV/s以下，測(cè)量時(shí)以陰極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，將陽極電勢(shì)從-0.6V掃描到0V，根據(jù)掃描得到的電流-電勢(shì)圖確定陽極的極限電流值，圖中曲線的最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流即為微生物陽極的極限電流。
[0060](6)利用公式R=U/I計(jì)算進(jìn)行脈沖電流刺激時(shí)所需要可變電阻器RX的工作阻值，其中U為直流穩(wěn)壓電源DVl的輸出電壓，I為步驟(5)測(cè)得的極限電流值，然后調(diào)整可變電阻器RX至計(jì)算得到的工作阻值下；再調(diào)節(jié)循環(huán)時(shí)間繼電器KT的通斷時(shí)間控制脈沖電流的脈沖寬度和通斷時(shí)間比，通斷時(shí)間比為0.7秒:I秒；接著將選擇開關(guān)QSl撥至與第二選擇端接通，同時(shí)接通輔助開關(guān)QS2，使設(shè)定好的極限脈沖電流對(duì)微生物陽極進(jìn)行電流刺激，電催化細(xì)菌生物膜在上述電流刺激下生長(zhǎng)和發(fā)展35小時(shí)。
[0061](7)斷開選擇開關(guān)QS1，以步驟(5)的方法再次測(cè)量微生物陽極新的極化曲線，得到新的更高的極限電流值，然后按步驟(6)的方法在新的極限脈沖電流下再對(duì)微生物陽極進(jìn)行進(jìn)一步極限脈沖電流刺激，如此反復(fù)循環(huán)，每一輪的極限電流值均比上一輪有所提高。
[0062]⑶當(dāng)重復(fù)的極限脈沖電流刺激后，根據(jù)步驟(5)的方法得到的極化曲線與上一輪的極化曲線相比，極限電流值的增長(zhǎng)低于5%，即極限電流不再有明顯提高，本發(fā)明的陽極電催化細(xì)菌生物膜即構(gòu)建完成。
[0063]實(shí)施例五
本發(fā)明在微生物電化學(xué)反應(yīng)器陽極構(gòu)建電催化細(xì)菌生物膜的方法，依次包括如下步
驟:
⑴裝微生物電化學(xué)反應(yīng)器，微生物電化學(xué)反應(yīng)器包括陽極室和陰極室。
[0064]⑵如圖1所示連接電路元件，電路元件包括選擇開關(guān)QSl、阻值為500 Ω的固定電阻R0、輸出電壓為24V的直流穩(wěn)壓電源DVl、電流表A、阻值在O~40000歐姆范圍內(nèi)可調(diào)的可變電阻器RX、輔助開關(guān)QS2和通/斷時(shí)間比在(0.1s~10 s): (0.1s~10 s)范圍內(nèi)可調(diào)的循環(huán)時(shí)間繼電器KT，選擇開關(guān)QSl的共端與陽極連接，選擇開關(guān)QSl的第一選擇端與固定電阻RO串聯(lián)后與陰極連接，選擇開關(guān)QSl的第二選擇端依次與直流穩(wěn)壓電源DVl、i流表A、可變電阻器RX和循環(huán)時(shí)間繼電器KT的工作觸頭串聯(lián)后與陰極連接，循環(huán)時(shí)間繼電器KT的線圈通過輔助開關(guān)QS2連接在輔助直流電源DV2的兩端。
[0065]⑶微生物陽極預(yù)啟動(dòng)，向微生物電化學(xué)反應(yīng)器的陽極室注入細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液將陽極浸沒，向微生物電化學(xué)反應(yīng)器的陰極室注入陰極溶液將陰極浸沒，再向陽極室中接種含產(chǎn)電菌的微生物菌源，接著將選擇開關(guān)QSl撥至與第一選擇端接通使陽極通過固定電阻RO與陰極電連接，對(duì)微生物陽極進(jìn)行預(yù)啟動(dòng)。
[0066]細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液的原料組分及重量含量如下:氯化鉀:氯化鈉:氯化鈣:氯化鎂:碳酸氫鈉:氯化銨:磷酸二氫鈉:硫酸鎂:七水硫酸亞鐵:四水氯化錳:二水鑰酸鈉:酵母汁:醋酸鈉:水=0.09: 0.08: 0.07: 0.09: 2.4: 1.8: 0.9: 0.07:0.002:
0.003:0.005:0.07:1.9:1000o 陰極溶液包括 50 mM K3Fe(CN)6 和 100 mM KH2PO40
[0067]微生物菌源為城市生活污水處理廠活性污泥中含產(chǎn)電菌的微生物菌源，接種量按每升細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液中接種活性污泥90克。
[0068]⑷連續(xù)測(cè)量微生物陽極在預(yù)啟動(dòng)過程中的陽極電勢(shì)變化，陽極電勢(shì)變化依次分為三個(gè)階段，第一階段為緩慢下降階段，陽極電勢(shì)處于高位在4天內(nèi)共下降小于0.1V;第二階段為快速下降階段，陽極電勢(shì)在18小時(shí)內(nèi)下降0.5V ;第三階段為平穩(wěn)變化階段，陽極電勢(shì)變化的幅度穩(wěn)定在±0.03V以內(nèi)達(dá)18小時(shí)，當(dāng)陽極電勢(shì)變化到達(dá)第三階段即為微生物陽極預(yù)啟動(dòng)完成，陽極的電催化細(xì)菌生物膜初步構(gòu)建完成。
[0069](5)斷開選擇開關(guān)QS1，采用線性掃描伏安法測(cè)量微生物陽極的極化曲線，電勢(shì)掃描速率控制在0.lmV/s以下，測(cè)量時(shí)以陰極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，將陽極電勢(shì)從-0.6V掃描到0V，根據(jù)掃描得到的電流-電勢(shì)圖確定陽極的極限電流值，圖中曲線的最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流即為微生物陽極的極限電流。
[0070](6)利用公式R=U/I計(jì)算進(jìn)行脈沖電流刺激時(shí)所需要可變電阻器RX的工作阻值，其中U為直流穩(wěn)壓電源DVl的輸出電壓，I為步驟(5)測(cè)得的極限電流值，然后調(diào)整可變電阻器RX至計(jì)算得到的工作阻值下；再調(diào)節(jié)循環(huán)時(shí)間繼電器KT的通斷時(shí)間控制脈沖電流的脈沖寬度和通斷時(shí)間比，通斷時(shí)間比為0.9秒:I秒；接著將選擇開關(guān)QSl撥至與第二選擇端接通，同時(shí)接通輔助開關(guān)QS2，使設(shè)定好的極限脈沖電流對(duì)微生物陽極進(jìn)行電流刺激，電催化細(xì)菌生物膜在上述電流刺激下生長(zhǎng)和發(fā)展30小時(shí)。
[0071](7)斷開選擇開關(guān)QS1，以步驟(5)的方法再次測(cè)量微生物陽極新的極化曲線，得到新的更高的極限電流值，然后按步驟(6)的方法在新的極限脈沖電流下再對(duì)微生物陽極進(jìn)行進(jìn)一步極限脈沖電流刺激，如此反復(fù)循環(huán)，每一輪的極限電流值均比上一輪有所提高。
[0072](8)當(dāng)重復(fù)的極限脈沖電流刺激后，根據(jù)步驟(5)的方法得到的極化曲線與上一輪的極化曲線相比，極限電流值的增長(zhǎng)低于5%，即極限電流不再有明顯提高，本發(fā)明的陽極電催化細(xì)菌生物膜即構(gòu)建完成。
[0073]實(shí)施例六
本發(fā)明在微生物電化學(xué)反應(yīng)器陽極構(gòu)建電催化細(xì)菌生物膜的方法，依次包括如下步
驟:
⑴裝微生物電化學(xué)反應(yīng)器，微生物電化學(xué)反應(yīng)器包括陽極室和陰極室。
[0074]⑵如圖1所示連接電路元件，電路元件包括選擇開關(guān)QSl、阻值為500 Ω的固定電阻R0、輸出電壓為24V的直流穩(wěn)壓電源DVl、電流表A、阻值在O~40000歐姆范圍內(nèi)可調(diào)的可變電阻器R X、輔助開關(guān)QS2和通/斷時(shí)間比在(0.1s~10 s): (0.1s~10 s)范圍內(nèi)可調(diào)的循環(huán)時(shí)間繼電器KT，選擇開關(guān)QSl的共端與陽極連接，選擇開關(guān)QSl的第一選擇端與固定電阻RO串聯(lián)后與陰極連接，選擇開關(guān)QSl的第二選擇端依次與直流穩(wěn)壓電源DVl、i流表A、可變電阻器RX和循環(huán)時(shí)間繼電器KT的工作觸頭串聯(lián)后與陰極連接，循環(huán)時(shí)間繼電器KT的線圈通過輔助開關(guān)QS2連接在輔助直流電源DV2的兩端。
[0075]⑶微生物陽極預(yù)啟動(dòng)，向微生物電化學(xué)反應(yīng)器的陽極室注入細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液將陽極浸沒，向微生物電化學(xué)反應(yīng)器的陰極室注入陰極溶液將陰極浸沒，再向陽極室中接種含產(chǎn)電菌的微生物菌源，接著將選擇開關(guān)QSl撥至與第一選擇端接通使陽極通過固定電阻RO與陰極電連接，對(duì)微生物陽極進(jìn)行預(yù)啟動(dòng)。
[0076]細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液的原料組分及重量含量如下:氯化鉀:氯化鈉:氯化鈣:氯化鎂:碳酸氫鈉:氯化銨:磷酸二氫鈉:硫酸鎂:七水硫酸亞鐵:四水氯化錳:二水鑰酸鈉:酵母汁:醋酸鈉:水=0.15: 0.05: 0.15: 0.08: 2.0: 2.0: 0.5: 0.08:0.003:0.004:0.005:0.05:3.2:1000o 陰極溶液包括 50 mM K3Fe(CN)6 和 100 mM KH2PO4。
[0077]微生物菌源為城市生活污水處理廠活性污泥中含產(chǎn)電菌的微生物菌源，接種量按每升細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液中接種活性污泥90克。
[0078]⑷連續(xù)測(cè)量微生物陽極在預(yù)啟動(dòng)過程中的陽極電勢(shì)變化，陽極電勢(shì)變化依次分為三個(gè)階段，第一階段為緩慢下降階段，陽極電勢(shì)處于高位在4天內(nèi)共下降小于0.1V;第二階段為快速下降階段，陽極電勢(shì)在16小時(shí)內(nèi)下降0.5V ;第三階段為平穩(wěn)變化階段，陽極電勢(shì)變化的幅度穩(wěn)定在±0.03V以內(nèi)達(dá)10小時(shí)，當(dāng)陽極電勢(shì)變化到達(dá)第三階段即為微生物陽極預(yù)啟動(dòng)完成，陽極的電催化細(xì)菌生物膜初步構(gòu)建完成。
[0079](5)斷開選擇開關(guān)QS1，采用線性掃描伏安法測(cè)量微生物陽極的極化曲線，電勢(shì)掃描速率控制在0.lmV /s以下，測(cè)量時(shí)以陰極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，將陽極電勢(shì)從-0.6V掃描到0V，根據(jù)掃描得到的電流-電勢(shì)圖確定陽極的極限電流值，圖中曲線的最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流即為微生物陽極的極限電流。
[0080](6)利用公式R=U/I計(jì)算進(jìn)行脈沖電流刺激時(shí)所需要可變電阻器RX的工作阻值，其中U為直流穩(wěn)壓電源DVl的輸出電壓，I為步驟(5)測(cè)得的極限電流值，然后調(diào)整可變電阻器RX至計(jì)算得到的工作阻值下；再調(diào)節(jié)循環(huán)時(shí)間繼電器KT的通斷時(shí)間控制脈沖電流的脈沖寬度和通斷時(shí)間比，通斷時(shí)間比為0.6秒:I秒；接著將選擇開關(guān)QSl撥至與第二選擇端接通，同時(shí)接通輔助開關(guān)QS2，使設(shè)定好的極限脈沖電流對(duì)微生物陽極進(jìn)行電流刺激，電催化細(xì)菌生物膜在上述電流刺激下生長(zhǎng)和發(fā)展34小時(shí)。
[0081](7)斷開選擇開關(guān)QS1，以步驟(5)的方法再次測(cè)量微生物陽極新的極化曲線，得到新的更高的極限電流值，然后按步驟(6)的方法在新的極限脈沖電流下再對(duì)微生物陽極進(jìn)行進(jìn)一步極限脈沖電流刺激，如此反復(fù)循環(huán)，每一輪的極限電流值均比上一輪有所提高。
[0082]⑶當(dāng)重復(fù)的極限脈沖電流刺激后，根據(jù)步驟(5)的方法得到的極化曲線與上一輪的極化曲線相比，極限電流值的增長(zhǎng)低于5%，即極限電流不再有明顯提高，本發(fā)明的陽極電催化細(xì)菌生物膜即構(gòu)建完成。
[0083]以上所述僅為本發(fā)明之較佳可行實(shí)施例而已，非因此局限本發(fā)明的專利保護(hù)范圍。除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍內(nèi)。本發(fā)明未經(jīng)描述的技術(shù)特征可以通過或采用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在此不再贅述。
【權(quán)利要求】
1.一種在微生物電化學(xué)反應(yīng)器陽極構(gòu)建電催化細(xì)菌生物膜的方法，其特征在于，依次包括如下步驟:⑴組裝微生物電化學(xué)反應(yīng)器，所述微生物電化學(xué)反應(yīng)器包括陽極室和陰極室；⑵連接電路元件，電路元件包括選擇開關(guān)、固定電阻、直流穩(wěn)壓電源、電流表、可變電阻器、循環(huán)時(shí)間繼電器和輔助直流電源，所述選擇開關(guān)的共端與所述陽極連接，所述選擇開關(guān)的第一選擇端與所述固定電阻串聯(lián)后與所述陰極連接，所述選擇開關(guān)的第二選擇端依次與所述直流穩(wěn)壓電源、電流表、可變電阻器和所述循環(huán)時(shí)間繼電器的工作觸頭串聯(lián)后與所述陰極連接，所述循環(huán)時(shí)間繼電器的線圈通過輔助開關(guān)連接在所述輔助直流電源的兩端；(3)微生物陽極預(yù)啟動(dòng)，向所述微生物電化學(xué)反應(yīng)器的陽極室注入細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液將陽極浸沒，再向所述陽極室中接種含產(chǎn)電菌的微生物菌源，接著將所述選擇開關(guān)撥至與第一選擇端接通，使陽極通過固定電阻與陰極電連接，對(duì)微生物陽極進(jìn)行預(yù)啟動(dòng)；⑷連續(xù)測(cè)量微生物陽極在預(yù)啟動(dòng)過程中的陽極電勢(shì)變化，陽極電勢(shì)變化依次分為三個(gè)階段，第一階段為緩慢下降階段，陽極電勢(shì)處于高位在2~7天內(nèi) 共下降小于0.1V ;第二階段為快速下降階段，陽極電勢(shì)在10~20小時(shí)內(nèi)下降0.2V~0.6V ;第三階段為平穩(wěn)變化階段，陽極電勢(shì)變化的幅度穩(wěn)定在±0.03V以內(nèi)達(dá)10小時(shí)以上，當(dāng)陽極電勢(shì)變化到達(dá)第三階段即為微生物陽極預(yù)啟動(dòng)完成，陽極的電催化細(xì)菌生物膜初步構(gòu)建完成；(5)斷開選擇開關(guān)，采用線性掃描伏安法測(cè)量微生物陽極的極化曲線，測(cè)量時(shí)以陰極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，將陽極電勢(shì)從-0.6V掃描到0V，根據(jù)掃描得到的電流-電勢(shì)圖確定陽極的極限電流值；(6)利用公式R=U/I計(jì)算進(jìn)行脈沖電流刺激時(shí)所需要可變電阻器的工作阻值，其中U為所述直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓，I為步驟(5)測(cè)得的極限電流值，然后調(diào)整所述可變電阻器至計(jì)算得到的工作阻值下；再調(diào)節(jié)循環(huán)時(shí)間繼電器的通斷時(shí)間控制脈沖電流的脈沖寬度和通斷時(shí)間比，所述通斷時(shí)間比為(0.5~I)秒:I秒；接著將所述選擇開關(guān)撥至與第二選擇端接通，同時(shí)接通所述輔助開關(guān)，使設(shè)定好的極限脈沖電流對(duì)微生物陽極進(jìn)行電流刺激，電催化細(xì)菌生物膜在上述電流刺激下生長(zhǎng)和發(fā)展30~40小時(shí)；(7)斷開所述選擇開關(guān)，以步驟(5)的方法再次測(cè)量微生物陽極新的極化曲線，得到新的更高的極限電流值，然后按步驟(6)的方法在新的極限脈沖電流下再對(duì)微生物陽極進(jìn)行進(jìn)一步極限脈沖電流刺激，如此反復(fù)循環(huán)；⑶當(dāng)重復(fù)的極限脈沖電流刺激后，根據(jù)步驟(5)的方法得到的極化曲線與上一輪的極化曲線相比，極限電流值的增長(zhǎng)低于5%，本發(fā)明的陽極電催化細(xì)菌生物膜即構(gòu)建完成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在微生物電化學(xué)反應(yīng)器陽極構(gòu)建電催化細(xì)菌生物膜的方法，其特征在于:所述固定電阻的阻值為500歐姆，所述可變電阻器的阻值在O~40000歐姆范圍內(nèi)可調(diào)，所述直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓在24V以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在微生物電化學(xué)反應(yīng)器陽極構(gòu)建電催化細(xì)菌生物膜的方法，其特征在于，所述細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液的原料組分及重量含量如下:氯化鉀:氯化鈉:氯化鈣:氯化鎂:碳酸氫鈉:氯化銨:磷酸二氫鈉:硫酸鎂:七水硫酸亞鐵:四水氯化錳:二水鑰酸鈉:酵母汁:醋酸鈉:水=(0.05~0.15): (0.05~0.15): (0.05~0.15): (0.05 ~0.15): (2.0 ~3.0): (1.0 ~2.0): (0.5 ~1.0): (0.05 ~0.15):(0.001 ~0.005): (0.001 ~0.005): (0.001 ~0.005): (0.05 ~0.1): (1.6 ~3.2):1000。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在微生物電化學(xué)反應(yīng)器陽極構(gòu)建電催化細(xì)菌生物膜的方法，其特征在于:所述陰極溶液包括50 mM K3Fe (CN)6和100 mM ΚΗ2Ρ04。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在微生物電化學(xué)反應(yīng)器陽極構(gòu)建電催化細(xì)菌生物膜的方法，其特征在于:所述微生物菌源為城市生活污水處理廠活性污泥或淡水環(huán)境沉積物中的含產(chǎn)電菌的微生物菌源，接種量按每升所述細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基液中接種所述活性污泥或所述沉積物50~100克。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在微生物電化學(xué)反應(yīng)器陽極構(gòu)建電催化細(xì)菌生物膜的方法，其特征在于:所述步驟(5)中采用線性掃描伏安法測(cè)量微生物陽極的極化曲線時(shí)，電勢(shì)掃描速率控制在0. lmV/s以下。
【文檔編號(hào)】C12M1/42GK103952305SQ201410176526
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】張恩仁, 汪霄, 劉奕, 刁國旺 申請(qǐng)人:揚(yáng)州大學(xué)