[实用新型]原位测定电极生物膜特性的生物电化学装置

说明书

技术领域

本实用新型属于生物电化学技术领域，涉及原位测定电极生物膜特性的生物 电化学装置。

背景技术

微生物燃料电池(MFCs)由于其在污染物处理的同时可持续回收电能这一经 济环保的特性，而吸引了越来越多的关注。在MFC中，阳极和阴极通过导电材料 相连，有机质在阳极室被产电微生物氧化，产生电子，电子被传递到阳极电极后通 过外电路流至阴极，最终被阴极室中可还原化合物利用。MFC被应用于废水中各 类有机物的去除已经被广泛报道。MFC不仅可以将有机物降解转化为电能，而且 还能利用如硝酸盐和硫酸盐等作为生物阴极的电子受体，进行还原反应，这表明 MFC具有利用自身产电特性进行污染物去除的可能，从而为低碳氮比污水提供可 行的处理办法。

在研究生物阴极微生物电化学系统时，电极生物膜的参数及其表现出的电化 学信号对于调控及优化MFC处理实际废水的性能十分重要。在大部分的研究中， 研究者都借助电化学工作站系统，将配套电极插入MFC系统的电解质中进行原位 测试，可获得系统的电化学数据，但都无法直接获得生物膜内部参数及其变化对系 统整体性能的影响，而近年来发展较快的微电极为电极生物膜的研究提供了一种可 以量化的测试方法，可被运用于电化学系统微生物环境的研究。但由于传统的微生 物燃料电池为了减少电极平板之间的距离，而将阳极与阴极电极生物膜竖直平行放 置，难以将微电极插入生物膜内部，而采用上下型电极室形式的微生物燃料电池只 能测试上极室内生物膜的参数，难以获得同一电化学状态下阳极及阴极电极生物膜 的参数，难以将两电极的测试数据进行耦合。

目前，研究人员也在一直寻找有效方法，用以提高阴极反硝化生物膜对于阳 极产电生物膜所产电子的利用效率，试图建立不同电极生物膜膜内参数变化的相关 关系，但电极生物膜的厚度通常在几十微米到几毫米左右，普通的电化学测试手段 难以对其内外微环境进行表征和分析，而微电极作为一种微创的测试手段，使在空 间上微米级的分析成为可能，而被逐渐运用广泛。它不但能够表征生物膜内外沿深 度与生物膜表面相垂直方向特征参数的梯度分布情况和膜内部某深度上特征参数 的变化情况，而且通过溶解氧电极的使用，可以直接测定生物膜的厚度。

此外，由于传统微生物燃料电池容积固定，无法根据实验条件的变化(进水 流量、污染物浓度)做出相应的调整，也限制了微生物燃料电池的性能测试及实际 应用。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能利用 微电极在同一电化学状态下原位测试阳极和阴极生物膜的原位测定电极生物膜特 性的生物电化学装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

原位测定电极生物膜特性的生物电化学装置，该装置包括阳极室、阴极室、设 置在阳极室与阴极室之间的质子交换膜以及分别与阳极室、阴极室相连通的外接硝 化反应器，所述的阳极室与阴极室一上一下可对调相对设置。

所述的阳极室中水平设有阳极生物膜，所述的阴极室中水平设有阴极生物膜， 并且所述的阳极生物膜与阴极生物膜通过外接电路相连接。

所述的阳极生物膜由阳极碳布以及负载在阳极碳布上的厌氧产电微生物构成； 所述的阴极生物膜由阴极碳布以及负载在阴极碳布上的缺氧产电微生物构成。

其中，厌氧产电微生物为污水处理厂厌氧池污泥驯化得到，缺氧产电微生物为 污水处理厂缺氧池污泥驯化得到。

所述的阳极室与阴极室一上一下相对设置时，所述的阳极室顶端还设有微电极 及参比电极，并且所述的微电极的底端与阳极生物膜相接触；

所述的阴极室与阳极室一上一下相对设置时，所述的阴极室顶端还设有微电极 及参比电极，并且所述的微电极的底端与阴极生物膜相接触。

所述的阳极室设有向阳极室注入废水的第一进水管以及将阳极室的流出液导 入外接硝化反应器的第一出水管，并且所述的第一出水管上设有外接蠕动泵。

所述的废水为高氨氮废水。

所述的阴极室设有将外接硝化反应器的流出液导入阴极室的第二进水管以及 将阴极室处理液排出的第二出水管。

所述的外接硝化反应器中填充有活性炭纤维填料，该活性炭纤维填料的单丝直 径为10-20μm。

所述的活性炭纤维填料上负载有挂膜微生物，该挂膜微生物为污水处理厂好氧 池污泥驯化得到。