[发明专利]一种可强化磷化氢产生的微生物电化学系统的构建方法

说明书

技术领域

本发明属于微生物电化学技术领域，具体涉及一种可强化磷化氢产生的微生物电化学系统的构建方法。

背景技术

磷化氢作为磷循环中重要的磷载体，正逐渐引起人们的重视。大量学者研究发现，微生物在厌氧环境中可将磷转化为磷化氢。污水厂厌氧污泥、畜禽粪便、湿地、稻田等环境中均有相关报道。但在近一个世纪的研究历史中，尚未能对磷化氢的产生机理做出明确阐述。微生物还原生成的磷化氢含量也都仅在痕量级别。

微生物电化学系统是在电化学系统的基础上引入微生物。根据功能的不同，可分为微生物燃料电池(MFC)和微生物电解池(MEC)。在微生物电解池中，微生物在电极上附着、生长，在系统施加一定电压或恒电位条件下，形成对电化学环境具有适应性且具有一定功能的生物膜。常见的相关应用有：利用微生物电解池产氢气、强化污染物的降解等。

能够用生物电化学方法进行强化反应的微生物需要具备胞外传递电子的能力。目前已知的产磷化氢菌种中仅有溶剂发酵菌：生孢梭菌(Clostridiumsporogenes)，匙形梭菌(Clostridiumcochliarium)和丙酮丁醇菌(Clostridiumacetobutyricum)，其具有较强的电化学活性，可能受到强化。

发明内容

基于以上现有技术，本发明的目的在于提供一种可强化磷化氢产生的微生物电化学系统的构建方法。该系统利用一定电位条件下附着在阴极表面生长的微生物来强化磷酸盐还原为磷化氢这一反应。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种可强化磷化氢产生的微生物电化学系统的构建方法，包括以下步骤：

(1)将动物粪便与厌氧活性污泥混合，加入到厌氧反应器中，然后加入培养基进行培养，得到富含产磷化氢微生物的驯化后的活性污泥混合液；

(2)取驯化后的活性污泥混合液，经离心并用磷酸缓冲溶液洗涤后获得接种污泥，然后将接种污泥加入到微生物电解池中进行挂膜；

(3)对微生物电解池施加电位并加入培养基进行厌氧培养，强化磷化氢的产生。

所述的动物粪便优选猪粪。

步骤(1)中所述的培养基是以甲醇为碳源：COD为600～1000mg/L；以磷酸氢二钾为磷源，总磷含量(TP)为20～60mg/L；以氯化铵为氮源，总氮含量(TN)为20～40mg/L；微量元素营养液，加入量1ml/L；培养基在使用前先除去氧气。

步骤(1)中所述培养的条件为：培养周期以4～7天为一个周期，厌氧避光，温度30～40℃，pH6～7，氧化还原电位(ORP)保持在380～400mv范围内。

所述的微生物电解池包括阴极室和阳极室，阴极室和阳极室用质子交换膜分隔开，阴极室和阳极室分别设置阴极电极和阳极电极，并在阴极室设置Ag/AgCl参比电极，阴极电极、阳极电极和参比电极通过恒电位仪用导线连接。其结构示意图如图1所示。

所述的阴极电极和阳极电极为经过预处理的碳毡，所述预处理的过程为：碳毡先用去离子水洗去表面杂质，然后依次在1mol/L的NaOH和HCl溶液中煮沸30min，随后用去离子水冲为中性，最后置于烘箱中，在105℃烘干。

所述阴极电极和阳极电极间的距离为3～5cm。

所述的质子交换膜在使用前依次经去离子水和稀硫酸浸泡。

步骤(2)中所述的离心是指在3000r/min的条件下离心10min；所述的洗涤是指用50mmol/L磷酸缓冲溶液(pH7.0)洗涤3次。

步骤(3)中所述施加电位是指施加-660mv～-1410mv的阴极电位。

步骤(3)中所述的培养基与步骤(1)相同；步骤(3)中所述培养的条件为：反应周期1～4天，培养温度30～40℃，保持搅拌和厌氧环境。

本发明的构建方法具有如下优点及有益效果：

(1)本发明通过预先在微生物电解池外对产磷化氢微生物进行富集培养，提高了接种成功率，缩短了启动时间；

(2)本发明所构建的微生物电化学系统中的阴极表面上生长着以溶剂发酵菌为主的混合菌群，不仅具有磷酸盐还原功能，且在适当的电位条件下，能够提高磷酸盐还原生成的磷化氢的产量和速率；

(3)本发明通过恒电位仪在阴极室提供了具有特定的氧化还原电位的环境，对微生物具有一定选择作用，可以进一步驯化出具有产磷化氢能力且具备较强电化学活性的微生物，进而优化磷化氢还原性能；

(4)本发明的取材方便，设备简单，操作方便，成本低廉。

附图说明