[发明专利]生物电化学系统膜电极集成驯化方法、装置及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物电化学系统膜电极集成驯化方法、装置及其应用，是一种将产电微生物定向富集与生物膜电极集成驯化两种过程相结合的方法，可在该装置内实现多组生物膜电极集成驯化，推进生物电化学系统的科学研究与技术应用。

背景技术

当前，能源短缺和环境污染是全球可持续发展所面临的严峻问题与关注焦点。生物电化学系统（Bioelectrochemical systems, BESs）因其同步生物质产能、污染物降解特点，在能源与环境领域受到研究者广泛关注，近年来已在产电产氢以及高浓度硝酸盐、高氯酸盐、Cr、偶氮染料等废水处理中得到应用。常见的BESs系统主要分为微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）和微生物电解池（Microbial Electrolysis Cell, MEC）两大类，其中前者利用微生物将生物质中的化学能转化为电能，即将未经处理的污水变成干净水的同时发电；后者则在微生物作用下将废水有机物的化学能转化为氢，即处理难处理高浓度硝酸盐、高氯酸盐等废水的同时产生清洁高效能氢能源。相比于传统方法，生物电化学技术可在微生物代谢生物质的同时产电产氢，并具有装置简单、性能稳定、能耗较低等特点。

常规生物电化学系统中，由于阳极的产电微生物富集过程缓慢并且富集程度不同，导致生物电化学系统启动时间长，性能不一。在生物电化学系统中直接安装驯化成熟的生物膜电极可大大加快系统启动时间、实现稳定运行。因此，为进一步推进生物电化学系统的科学研究与技术应用，多组性能稳定、结构相似的生物膜电极需要批量集成驯化。与常规微生物电解池和微生物燃料电池自然挂膜驯化相比，利用MFC进行生物膜电极驯化，由于阴阳两极存在的电位差，在微电场作用下产电微生物可在阳极高度富集。同时，多组生物膜电极在统一体系内集成驯化、线路集成连接，避免了因接种物、底物浓度、环境条件等差异而导致的生物膜组成结构不同及多个MFC运行驯化的复杂，具有装置简便美观、运行操作简单等优点。但是，目前生物膜电极驯化缺乏系统的操作策略，成熟生物膜电极的判定也缺乏相应的标准。

发明内容

本发明的目的是克服上述技术中存在的不足，提供一种设计合理、结构优化、操作简单的生物电化学系统膜电极集成驯化方法和装置，并据此提出可靠的运行策略。本发明采用的技术方案概况如下： 

        一种生物电化学系统膜电极集成驯化方法，将产电微生物定向富集与生物膜电极集成驯化两种过程相结合；微电场刺激下产电微生物在阳极氧化底物并提供电子传递到阴极，在外电路形成闭合回路产生电流，进而实现产电微生物在阳极的定向富集；微电场刺激下产电微生物在阳极定向富集，从而实现生物膜电极集成驯化；将多个微生物燃料电池并联，每个微生物燃料电池自成一体，分别由阴极、生物阳极、可调电阻控制电路板负载电阻形成完整回路，同时所有阴极、生物阳极处于同一个阴极室和阳极室，在一致的培养条件下确保生物膜电极集成驯化。

一种生物电化学系统膜电极集成驯化装置，包括生物膜电极驯化单元、可调电阻控制电路板、数据采集系统，生物膜电极驯化单元主要为厌氧环境下产电细菌富集、生物膜电极批量驯化场所，可调电阻控制电路板用于调节生物膜电极外电路负载电阻，数据采集系统用于负载电阻两端电势差及其他相关电化学参数的采集、记录与分析；

所述的生物膜电极驯化单元包括阴极室、阳极室、质子交换膜和多组电极体系，所述的电极体系包括阴极、生物阳极、参比电极以及导电钛线；

所述的数据采集系统包括多通道数据采集器和装有数据记录软件的电脑；

所述的生物膜电极驯化单元的阴极室和阳极室由质子交换膜分隔，通过法兰固定，阴极室和阳极室正对分别设置多组阴极孔槽、阳极孔槽和参比电极孔槽用于电极固定，其中参比电极孔槽设置在阳极室顶部阳极孔槽附近，阴极和生物阳极分别通过导电钛线连接并固定于阴极孔槽和阳极孔槽，参比电极固定在参比电极孔槽，两极室和两侧间隔均匀设置三个排水口，并安装阀门用于水样采集及营养液更换，驯化装置外部用石蜡密封保持其厌氧环境。对应阴极和生物阳极连接的导电钛线通过导线与可调电阻控制电路板接线端子相连，多通道数据采集器数据采集通道并联于可调电阻控制电路板电阻两端，多通道数据采集器连接装有数据记录软件的电脑。

所述的阴极为304不锈钢网电极，生物阳极为石墨毡电极，质子交换膜为CMI7000。