CN105036326B - 一种具有直接电子转移机制的活性生物膜电极的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有直接电子转移机制的活性生物膜电极的制备方法，首先利用PAMAM对电极基底进行修饰，然后对经过修饰的电极基底进行微生物挂膜，即制备得到具有直接电子转移机制的活性生物膜电极。本发明中利用PAMAM对电极基底进行修饰，通过PAMAM的树枝状结构紧密结合架起了“桥梁”作用以供电子通过，解决了电子从阴极传递到活性生物膜途径问题，实现了电子在电极和活性生物膜之间的直接转移，实现了高的电子利用率。

Description

一种具有直接电子转移机制的活性生物膜电极的制备方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种适用于微电场强化的电极生物膜处理废水技术的、具有直接电子转移机制的活性生物膜电极制备的工艺。

背景技术

将生物法和电化学法有机结合的电极生物膜脱氮技术是近年来发展起来的一项新型水处理技术。在微电场作用下阴极产生氢气或原子态氢作为电子供体，以为在阴极生长的活性生物膜进行自养反硝化时对电子的需要。

同时，活性生物膜经过驯化后能够实现完全的自养，避免了有机物的人工投加和可能导致的二次污染，是一种经济、有效的废水脱氮处理技术。

废水脱氮处理过程中，只有紧密接触电极表面的微生物才能够利用到氢气，但是，由于现使用的挂膜基底材料都未经过处理，表面的形貌也多种多样，这导致生物膜与电极基底材料接触不完全，从而影响了氢气的利用率。

另外，氢气的溶解度低、气液非均相界面传质速率不高，生物膜厚度有限等原因都造成了电子利用率不高，从而也限制了反硝化脱氮的速率。

研究者们在致力于提高反硝化脱氮效率过程中发现克服这一限制的关键就是改变反硝化生物膜与电极之间的相互作用。通过对电极基底材料的修饰，使阴极的电子能够直接转移给微生物，省去产氢的间接过程，而且电子在微生物与微生物之间可以传递下去，这样没有直接接触电极的微生物也能获得电子供体。

现有研究认为电子由微生物向电极传递的机理主要有以下两种：1.某些属的微生物之间能够实现直接转移电子，这类微生物菌体表面具有能够导电的类似鞭毛的丝状附属物—纳米导线，通过这些附属物来实现电子的转移；2.微生物利用化学电子中介体来构建导电通路实现间接转移电子，如绿脓杆菌属能够产生绿脓菌素来作为电子中介体从而实现电子转移。纳米导线的产生能够实现最高效的电子直接转移，但是根据现有的研究发现具有纳米导线的微生物主要就集中在Shewanella和Geobactor两类异化金属还原菌属，导致了可利用的范围较窄；微生物产生化学电子中介体从而使其能够间接转移电子，但是由于是微生物自身产生和分泌，容易受到外界环境干扰而中介体产生不稳定，从而使电子的转移也不够稳定。在实际应用过程中，若人为的投加化学电子中介体也会因为无法准确估计用量而造成二次污染或投加不足的情况。因此，构建基于“直接电子转移机制”的活性生物膜电极高效脱氮系统，强化电活性微生物与电极之间的直接电子转移是解决电极生物膜脱氮效率的关键“瓶颈”所在。

发明内容

针对现有电极活性生物膜脱氮技术中生物膜与电极材料结合不紧密，电子利用率不高导致脱氮效率受抑制的情况，本发明提出了一种具有直接电子转移机制的活性生物膜电极的制备方法，该制备方法以树枝状聚合物材料-聚酰胺(PAMAM)树枝状聚合物作为“桥梁”载体的制备电促生物膜电极的工艺。

一种具有直接电子转移机制的活性生物膜电极的制备方法，

利用PAMAM对电极基底进行修饰，然后对经过修饰的电极基底进行微生物挂膜，即制备得到具有直接电子转移机制的活性生物膜电极。

树枝状聚合物材料-聚酰胺(PAMAM)是一类三维的、高度对称有序的单分散性大分子化合物，分子直径大小为1～10nm，有独特的分子结构和大量易于改性的表面基团，其明确可控的结构有利于促进电子从阴极有效传递到生物膜表面。且PAMAM分子内可以发生电子交换作用，阴极的电子可以通过其分布在外围的“天线分子”迅速有效地传递出去，其纳米尺寸的结构也有利于微生物的纳米线电导丝或者具有电子传递功能的细胞色素连接到“天线”上接收电子。因此，经PAMAM修饰的石墨电极具有良好的电化学性能和生物兼容性，适合微生物在其上面生长并进一步利用，且利用PAMAM对电极基底进行修饰后在进行微生物挂膜制备得到的活性生物膜电极，解决了电子从阴极传递到活性生物膜的“桥梁”问题，省去产氢的间接过程，实现了电子在电极和活性生物膜之间的直接转移。

本发明中利用PAMAM对电极基底材料进行修饰时采用电化学氧化固定的方法使PAMAM在电极基底上成膜，具体如下：

以电极基底作为工作电极，以惰性电极为对电极，对含有PAMAM的电解液进行电解。

选择生物兼容性好的电极基底材料和合适的电解条件，如PAMAM溶液的浓度、电解电压、电解时长等，能够保证固定在电极基底上的PAMAM均匀并致密。

电极基底材料需具有良好的导电性和生物兼容性，包括(不限于)石墨电极、碳纤维电极和玻碳电极等。

使用前需将电极基底材料切割到所需尺寸后再放入1M(即mol/L)HCl和1M NaOH溶液中分别浸洗24h后，最后在去离子水中反复漂洗并烘干，以除去可能的金属污染和生物质污染。

对电极可采用尺寸略大于工作电极的惰性电极材料，如钛片、碳片、铂片等。

作为优选，含有PAMAM的电解液为PAMAM-LiClO₄电解液，其中PAMAM的浓度为10～30μmol/L。进一步优选，PAMAM浓度可确定为20μmol/L。

本发明中含有PAMAM的电解液为PAMAM-LiClO₄电解液体系，其中，LiClO₄浓度优选为0.5mol/L，可以适当调整。

作为优选，电解时施加的电压为0～1.0V，优选为0.5V，此时所需的电解时长为5h。

对经过修饰的电极基底进行微生物挂膜时：

以经过修饰的电极基底为阴极，以石墨电极为阳极，且阳极尺寸与阴极相同，将所述的阴极和阳极置于反硝化污泥中，并在二者间施加电压使电流密度为0.2～0.4mA/cm²。

反硝化污泥通过如下方法得到：

取自运行中的污水处理厂反硝化污泥，接种到放置电极的容器后需每天投放所需的无机营养物质和微量元素。

对经过修饰的电极基底进行微生物挂膜时采用的反硝化污泥的浓度为4g/L，pH值为7.0～7.3，且挂膜温度为35℃左右，溶解氧＜0.5mg/L(即溶解氧的含量小于0.5mg/L)，当形成的反硝化生物膜厚度达到2～3mm时停止。

为避免污泥沉降而影响微生物挂膜的速度，需设置磁力搅拌器，磁力搅拌器转速设定为50～100转/min。此外，通过搅拌，保证在挂膜过程中具有适当的湍流强度和水力冲刷，有利于促进微生物纤毛产生，使生物膜纤毛与PAMAM树枝状结构连接更紧密，生物膜结构更加稳定。

未作特殊说明，本发明中利用PAMAM对电极基底进行修饰和对经过修饰的电极基底进行微生物挂膜时采用的电解系统均为三电极电解体系，且以Ag/AgCl为参比电极。

与直接使用电极基底材料挂膜得到活性生物膜电极相比，使用本发明中经过PAMAM修饰的，具有直接电子转移机制的活性生物膜电极制备工艺所制备的电极优点在于：

(1)微生物纤毛能够与PAMAM的树枝状结构紧密结合，使生物膜具有稳定的结构，有利于在各种水力条件下使用，增加了生物膜的寿命；

(2)微生物纤毛和PAMAM的树枝状结构紧密结合架起了“桥梁”作用以供电子通过，解决了电子从阴极传递到活性生物膜途径问题，实现了电子在电极和活性生物膜之间的直接转移，实现了高的电子利用率；

(3)由于实现了生物膜和电极之间直接的电子转移，提高了电子的利用率，在大规模的工程应用中能够明显的降低能耗，节约成本，提高反硝化速度。

附图说明

图1为三电极电解装置结构示意图；

图2为本实施例的活性生物膜电极制备方法的原理示意图；

图3为PAMAM树枝状聚合物的结构；

图4为实验组与参照组的电流变化示意图；

图5为实验组与参照组的脱氮效果对比图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

本实施例的制备经PAMAM修饰生物膜电极步骤均基于如图1所示的三电极体系电解装置内完成，该装置包括由有机玻璃制成的反应室5以及设置于反应室内的阳极1、阴极2和参比电极为3，以及提供电压的电源4。

阳极1和阴极2的电极基底材料为石墨，参比电极为3为Ag/AgCl电极。采用电源4为上海华辰CHI660D电化学工作站。将阳极1、阴极2和参比电极3分别固定于反应室5内，阴极、阳极之间正对并相距2cm。正确连接电源4的各个接线端。

如图2所示，本实施例的具有直接电子转移机制的活性生物膜电极的制备方法依次包括分为PAMAM沉积和微生物挂摸两个步骤：

第一步，采用氧化固定的方法使PAMAM电极基底表面上成膜(即图2中的①过程)，使PAMAM固定到电极表面利用PAMAM对电极基底进行修饰得到电化学性能和生物兼容性良好的电极基底，完成PAMAM沉积；

第二步，使微生物附着生长到PAMAM阴极表面，形成活性生物膜电极(图2中的②、③过程)，即对经过修饰的电极基底进行微生物挂膜，即制备得到具有直接电子转移机制的活性生物膜电极。

进行PAMAM沉积时，以阴极2为工作电极；阳极1为对电极；Ag/AgCl电极3接参比电极。且电解前，先将电极基底材料(石墨)切割到所需尺寸后再放入1M HCl和1M NaOH溶液中分别浸洗24h后，最后在去离子水中反复漂洗并烘干，以除去可能的金属污染和生物质污染。此时，对电极可采用尺寸略大于工作电极的惰性电极材料，如钛片、碳片、铂片等。

进行PAMAM沉积的方法如下：

S1：配置PAMAM浓度为20μM的PAMAM-LiClO₄电解液体系，其中LiClO₄浓度为0.5mol/L；

S2：将配置好的电解液通入反应室，且完全浸没阳极和阴极；

S3：在阳极和阴极之间施加0.5V的工作电压。

维持步骤S3至5h时切断电源(即电解时长为5h)，将工作电极取出用去离子水清洗后自然风干即得到，待微生物挂膜使用。

按上述PAMAM沉积制备得到的经PAMAM修饰的石墨电极表面均匀的固定有一层致密的PAMAM膜，即得到利用PAMAM修饰的电极基底。

微生物挂膜过程除仍旧使用上述反应室，阴极2采用的即为经PAMAM修饰的石墨电极，阳极1为石墨电极。将阳极1、阴极2和Ag/AgCl参比电极3分别固定于反应室5内，正确连接电源的各个接线4，其中，以阴极2为工作电极；阳极1为对电极；Ag/AgCl电极3接参比电极。阴极、阳极之间正对并相距2cm。除此之外，还需增加搅拌装置6，本实施例中为磁力搅拌器6。

微生物的挂膜时，进行如下步骤：

S1：配置人工模拟的待处理废水，调节pH值为7.0，将活性污泥通入此废水，使污泥浓度为4g/L。

S2：将S1中活性污泥通入反应室内，且完全浸没阴极、阳极。

S3：接通电源，使电流密度维持为0.2～0.4mA/cm²，开启搅拌装置6，设定转速为50～100转/min。

步骤S3需要在35℃环境下进行，每24h需对反应室内废水进行更换。维持步骤S3直至在阴极表面形成一层2～3mm的黑色生物膜即可将阴极取出后续使用。

如图3，由于PAMAM具有三维、高度对称有序的树枝状结构，能够模拟蛋白质的某些特性，其分子直径大小和结构特性有利于微生物纤毛在电极表面的附着固定，加速生物膜的形成，加强生物膜的附着强度和结构稳定性。而且，其具有纳米级的尺寸树枝状结构的“天线”能够深入到生物膜内部，因此，利用本实施例的制备方法得到的活性生物膜电极具有直接电子转移机制，能够促进电子从阴极有效传递到生物膜各处，提高电子的使用率。

为对利用本实施例的制备方法得到的活性生物膜电极的性能进行说明，以本实施例的生物膜电极(经过PAMAM修饰生物膜电极)为实验组，以普通生物电极(即电极基底未进行PAMAM修饰的生物电极)作为参照组，比较利用二者进行废水处理时的处理效果。

针对实验组和参照组，均采用如下方法进行废水处理：

首先将待处理的废水的pH调节7.0，且完全浸没阳极和阴极；其中，实验组内使用阴极为PAMAM修饰生物膜电极，对照组内阴极为普通生物膜电极。另外，为便于对比，两个反应室中通入的废水量相同，为150mL。分别在每个反应室内的阴极和阳极施加1.0V的工作电压，使搅拌桨的转速为100转/分。

本实施例中采用的待处理废水中的硝氮浓度为35mg/L。

使用电表时时记录并输出反应器内的电流情况结果，如图4所示，可以看出，在使用经过PAMAM修饰制备的生物膜电极反应室内电流明显大于对照组内电流，这说明使用经过PAMAM修饰制备的生物膜电极的反应器内电子的流动效率高于对照组。

在反应进行到8h后，分别对各个反应室中硝氮的浓度进行测定。

测定结果图5所示，实验组在反应到8h后，硝氮去除率为62％，对照组硝氮去除率为43％，这说明使用经过PAMAM修饰制备的生物膜电极的反应器硝氮的去除效率高于对照组硝氮去除效率。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有直接电子转移机制的活性生物膜电极的制备方法，其特征在于，利用PAMAM对电极基底进行修饰，然后对经过修饰的电极基底进行微生物挂膜，即制备得到具有直接电子转移机制的活性生物膜电极；其中，利用PAMAM对电极基底进行修饰时采用电化学氧化固定的方法使PAMAM在电极基底上成膜，使PAMAM在电极基底上成膜具体如下：

以电极基底作为工作电极，以惰性电极为对电极，对含有PAMAM的电解液进行电解。

2.如权利要求1所述的具有直接电子转移机制的活性生物膜电极的制备方法，其特征在于，含有PAMAM的电解液为PAMAM-LiClO₄电解液，其中PAMAM的浓度为10～30μmol/L。

3.如权利要求1所述的具有直接电子转移机制的活性生物膜电极的制备方法，其特征在于，电解时施加的电压为0～1.0V，电解时长为5h。

4.如权利要求1～3中任意一项所述的具有直接电子转移机制的活性生物膜电极的制备方法，其特征在于，对经过修饰的电极基底进行微生物挂膜时：

以经过修饰的电极基底为阴极，以相同尺寸的石墨电极为阳极，将所述的阴极和阳极置于反硝化污泥中，并在二者间施加电压使电流密度为0.2～0.4mA/cm²。

5.如权利要求4所述的具有直接电子转移机制的活性生物膜电极的制备方法，其特征在于，对经过修饰的电极基底进行微生物挂膜时采用的反硝化污泥的浓度为4g/L，pH值为7.0～7.3。