CN104332645A

CN104332645A - 一种处理含铅污水的微生物燃料电池

Info

Publication number: CN104332645A
Application number: CN201410439814.5A
Authority: CN
Inventors: 陆洪省; 王建燕; 张庆莹
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2014-09-01
Filing date: 2014-09-01
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2034-09-01
Also published as: CN104332645B

Abstract

一种处理含铅污水的微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室，其中阴极室和阳极室各有一块石墨板，两块石墨板分别通过导线引出，外接电阻，形成电子回路，阴极室和阳极室通过盐桥连接提供质子通路，阳极室内装有含铅离子废水作为阳极液，所述的阴极室内装有含产电细菌并以主要为含硝态氮的基质作为阴极液。本发明微生物燃料电池主要功能为对含铅污水中铅离子的析出，及其有机物的降解和氨氮的去除，同时产生电量，把污水处理变成一个有利可图的产业。

Description

一种处理含铅污水的微生物燃料电池

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池，具体涉及一种利用微生物燃料电池处理含铅污水同时发电的方法及其装置。

背景技术

随着人类的进步与发展，对能源的需求越加强烈，为了解决能源问题，人类在积极的寻求新型能源方式。微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置，其基本原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出点子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂在阴极得到电子被还原与质子结合成水。

随着现代工业的高速发展，铅污染事件频繁发生，越来越受到人们的重视，其主要来源为冶炼、制造和使用铅制品的工矿企业，尤其是来自有色金属冶炼过程中所排出的含铅废水、废气和废渣。此外，还包括汽车排出的含铅废气造成的，汽油中用四乙基铅作为抗爆剂(每公斤汽油用1～3克)，在汽油燃烧过程中，铅便随汽车排出的废气进入大气，目前世界上已有两亿多辆汽车，每年排出的总铅量达40万吨，成为大气的主要铅污染源。

2013年，美国宾夕法尼亚州立大学环境工程系教授BruceLogan的研究组尝试开发微生物燃料电池，目前，污水处理费时、费钱，还消耗大量能量，基本是只投入不产出的行业，成为各国政府头疼的一大难题。有数据显示，5％的电力消费被用于污水处理，因此，既能净化水质、又能发电的微生物燃料电池，将有望把污水处理变成一个有利可图的产业。本发明提出一种利用微生物燃料电池处理含铅污水，同时又能将生物能转化为电能的方法，具有极大的推广实用价值。

发明内容

本发明旨在通过构建一种微生物燃料电池，分离、筛选高效产电细菌，对含铅废水中重金属铅离子进行还原处理，从废水中去除重金属铅离子，同时产生电能。另外，高效产电新种菌的分离、筛选和鉴定也是本发明专利要解决的主要问题之一。

本发明通过以下技术方案实现：

一种处理含铅污水的微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室，所述的阴极室内装有含铅离子废水作为阴极液，所述的阳极室内装有含产电细菌并以NH₄Cl为唯一氮源的阳极液。

本发明阳极室和阴极室中设有石墨板，石墨板表面粗糙，阴极室中石墨板为铅离子提供发生氧化反应的场所并且提供析出铅单质的附着场所。阳极室中石墨板为产电细菌提供附着的场所，并有利于产生电子以及传递到外电路。

本发明所述的产电细菌通过以下方法制备：

(1)称5g土壤倒入到盛有45mL无菌水的烧杯中，边振荡边搅拌10分钟，静置30分钟。

(2)取上述土壤浸出液10mL加入到200mL含柠檬酸钠(1g/L),NH₄Cl(0.35g/L),KCl(0.13g/L),Na₂HPO4·12H₂O(3.75g/L),NaH₂PO₄H₂O(4.9g/L)的液体培养基中进行摇床振荡培养，培养温度为30℃，培养时间为5天，摇床振荡频率为180rpm/min，此过程为产电细菌的富集培养。另外，培养基使用前在121℃条件下灭菌20分钟，土壤浸出液的转移等操作均在无菌操作台中进行。

(3)取20μL上述富集培养液划线到平板固体培养基上，固体培养基是在液体培养基中加入2％(w/w)的琼脂制备而成，其他成分及制备方法同液体培养基。静置培养5天，培养温度为30℃，然后分别取单菌落进行重复划线培养3次，直至平板中菌落形态一致，此时将纯化后菌落保存到半固体培养基中，待用。半固体培养基是在液体培养基中加入0.3％(w/w)的琼脂制备而成，其他成分及制备方法同液体培养基。。

本发明将纯化菌命名为CHD-1并作为本发明产电细菌，其DNA的提取、PCR扩增以及测序过程为：

(1)DNA提取利用细菌DNA提取试剂盒-DP302对该菌株CHD-1DNA进行提取。

(2)PCR对产电细菌DNA进行扩增利用正向引物PF5′-AGA GTTTGA TCC TGG CTC AG-3′和反向引物PR5′-GGY TACCTT GTT ACG ACT T-3′对菌株CHD-1 16S rDNA进行PCR扩增。PCR反应体系(50μL)：5μL10×PCR缓冲液，3.5μL MgCl₂，0.5μL模板DNA，0.5μL PF和PR，2μL dNTP，1μL Taq DNA聚合酶，37μL超纯水。PCR扩增条件：95℃预变性3min，95℃变性45S，55℃退火45S，72℃延伸90S，32个循环，再72℃延伸10min。

(3)将PCR产物用DNA测序仪(型号：Applied Biosystems 3730XL)进行测序，获得序列SEQ ID No.1所示。测得的序列发送到DDBJ(DNA Data Bank of Japan,http://www.ddbj.nig.ac.jp/)获得的登录号为AB971024。

本发明中阳极液组成为：柠檬酸钠(1g/L),NH₄Cl(0.35g/L),KCl(0.13g/L),Na₂HPO₄·12H₂O(3.75g/L),NaH₂PO₄·H₂O(4.9g/L)，成分同产电细菌的富集、纯化用液体培养基。

本发明微生物燃料电池中，将产电细菌培养用阳极液(液体培养基)加入到阳极室，在阴极室中加入含铅离子溶液，用盐桥连接阴极室和阳极室。在阴极室和阳极室中通过铜线各悬挂一块石墨版，分别作为阴极板和阳极板。铜线外接变阻箱，并与数据采集模块连接，数据采集模块与电脑连接，电脑中安装有力控软件，对采集的电压、电流和电功率进行分析、传输和存储。微生物燃料电池组装好后，向阳极室中接种产电细菌CHD-1，微生物燃料电池开始运行；产电细菌在生长代谢过程中，产生电子，电子经外电路传递到阴极室，阴极室中的铅离子(pb²⁺)接收电子而从溶液中析出。产电细菌代谢过程中同时消耗氨态氮，使得阳极液中氨氮浓度降低。运行中产生的电流、电压以及电功率通过数据采集卡和力控软件在电脑中存储和显示出来。

本发明微生物燃料电池不仅能去除废水中铅离子，还能降低污水中氮化合物的含量，同时产生一定的电量。另外，本发明是将产电细菌与含铅离子污水分别在阴极和阳极室中发生反应，避免了常规微生物法处理含铅废水时铅离子对细菌的直接毒害，导致铅离子去除率低的缺陷，本发明利用双室微生物燃料电池去除污水中铅离子，去除率高达35％。

附图说明

图1是不同浓度铅离子溶液的吸光度。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明，以下所述，仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更为同等变化的等效实施例。凡是未脱离本发明方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改或等同变化，均落在本发明的保护范围内。

实施例1微生物产电细菌的培养及铅离子的去除率

一种处理含铅污水的微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室尺寸完全相同，材料为有机玻璃，长宽高分别为20cm×15cm×25cm，阴极室内装有含铅离子废水作为阴极室液，铅离子浓度为0.2g/L，阳极室和阴极室中盛的液体体积均为为2.0L。阳极室内液体(产电细菌生长用液体培养基)，主要组成为：柠檬酸钠(1g/L),NH₄Cl(0.35g/L),KCl(0.13g/L),Na₂HPO₄·12H₂O(3.75g/L),NaH₂PO₄·H₂O(4.9g/L)。阴极室和阳极室各有一块石墨板，阴极室和阳极室中石墨板形状尺寸完全相同，长宽厚分别为8cm×8cm×0.6cm，两块石墨板分别通过铜线引出，外接1000Ω电阻，形成电子回路。阴极室和阳极室通过盐桥连接提供质子通路，盐桥直径1cm，长度15cm。盐桥制作方法：100mL去离子水中加入25g氯化钾和2g琼脂，加热熔化，趁热倒入到U型玻璃管中，冷却即可。

将产电细菌接种到阳极室中含有氨态氮的阳极液中，接通导线、盐桥、电流和电压采集模块并打开电脑，进行电流、电压记录。开始计时起作为0时刻，每隔24小时取阳极室中培养液用血球计数板测定其中产电细菌的数量。经过4天的运行，产电细菌的数量(0-5天)分别为3×10⁶(cells/L)，5×10⁶(cells/L)，8×10⁶(cells/L)，1.4×10⁷(cells/L)，和2.1×10⁷(cells/L)。

铅离子浓度测定采用原子吸收火焰法，使用的仪器名称为原子吸收分光光度计(型号：TAS986)；

原子吸收测定阳极室中铅离子浓度的步骤：

(1)标准溶液的配制

分别配制系列铅离子浓度溶液：0、5.0mg/L、10.0mg/L、20.0mg/L、30.0mg/L、40.0mg/L。按照原子吸收分光光度计说明书操作，分别测定上述溶液中铅离子吸光度，结果分别为0.004，0.084，0.152，0.289，0.412和0.556，做成标准曲线如图1所示。

(2)样品测定

微生物燃料电池启动开始时记为0时刻，每隔24小时从阴极液中取出10mL液体，共取5次样品液，分别标记为pb²⁺-1、pb²⁺-2、pb²⁺-3、pb²⁺-4和pb²⁺-5。按照上述(1)的测定步骤，对1-5号样品液中铅离子吸光度进行测定，并根据上述标准曲线经计算。铅离子浓度分别为0.2g/L，0.19g/L，0.17g/L，0.140g/L和0.12g/L，因此，本发明微生物燃料电池经过4天运行，铅离子的去除率最高为[(0.2-0.12)/0.2]％＝40％。

实施例2微生物燃料电池氨氮去除效果

在阳极室中用于培养产电细菌的基质组成及含量：柠檬酸钠(1g/L)，NH₄Cl(0.35g/L)，KCl(0.13g/L)，Na₂HPO₄·12H₂O(3.75g/L),NaH₂PO₄·H₂O(4.9g/L)。将保存在半固体培养基中的产电细菌CHD-1接种到上述阳极液中，在阴极室中加入含铅离子浓度为0.2g/L的硝酸铅溶液，用盐桥连接阳极室和阴极室，并连接电脑、外电路及数据采集模块，开始运行微生物燃料电池。微生物燃料电池开始运行时记为0时刻，然后每隔24小时分别取阳极室培养液5mL用来测定氨氮含量，共取5次，分别标记为氨-I，氨-II，氨-III，氨-IV和氨-V，氨氮含量测定步骤：

(1)标准曲线绘制

吸取0、0.50、1.00、3.00、5.00、7.00和10.0mL氨标准使用液(氨浓度为0.010mg/mL)于50mL比色管中，加水定容至标线，再分别加1.0mL酒石酸钾钠溶液(0.50g/mL)到上述7支比色管中，混匀。最后分别加1.5mL纳氏试剂到上述7支比色管，混匀，放置10min后，在波长420nm处，用光程10mm比色皿，以水为参比，测定吸光度。

(2)阳极液中氨氮测定及氨氮去除率

分别取5mL氨-I，氨-II，氨-III，氨-IV和氨-V加入到5支50mL比色管中，用无氨水定容至50mL，依次加入1.0mL酒石酸钾钠溶液和1.5mL纳氏试剂到上述5支比色管中，操作步骤同标准曲线的制作，在波长420nm处测定其吸光度，根据标准曲线分别求出氨氮浓度分别为氨-I0.106g/L，氨-II0.097g/L，氨-III0.068g/L，氨-IV0.031g/L和氨-V0.014g/L，因此，经过4天的运行，微生物燃料电池对氨氮的去除率为[(0.106-0.014)/0.106]％＝86.79％。

实施例3微生物燃料电池产电量的测定

电流测定及分析分别采用数据采集模块RDAM-4017和力控软件(Forcecontrot6.1)，其工作原理是利用传感器采集电流和电压信号，然后对其进行分析、处理、传输、显示和存储。

微生物燃料电池的运行：阴极室和阳极室中分别加入含铅离子的溶液和产电细菌培养用液体培养基，铅离子浓度以及产电细菌液体培养基的组成与实施例2完全相同，连接盐桥，外电路和数据采集卡，微生物燃料电池开始运行，电压、电流及电功率通过力控软件(Forcecontrot6.1)进行处理，利用电功率及石墨板面积，经计算，本发明专利中电流密度高达513mW/m²。

Claims

1.一种处理含铅污水的微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室，其特征在于：所述的阳极室内装有含铅离子废水作为阳极液，所述的阴极室内装有含产电细菌并以NH₄Cl为唯一氮源的阴极液。

2.根据利要求1所述的一种处理含铅污水的微生物燃料电池，其特征在于：所述的产电细菌的核苷酸序列为SEQ ID No.1所示。

3.根据权利要求1所述的一种处理含铅污水的微生物燃料电池，其特征在于：所述的阴极液的组成为醋酸钠1g/L,NH₄CI0.35g/L,KCI0.13g/L)Na₂HPO₄·12H₂O3.75g/L,NaH₂PO₄H₂O4.9g/L。

4.根据权利要求1所述的一种处理含铅污水的微生物燃料电池，其特征在于：所述的阳极室和阴极室中的石墨板表面粗糙，阳极室中石墨板为铅离子提供发生氧化反应的场所并且提供析出铅单质的附着场所；阴极室中石墨板为产电细菌提供附着的场所，并有利于产生电子以及传递到外电路。