CN107601677A

CN107601677A - 一种采用微生物燃料电池降解甲氧苄啶的方法

Info

Publication number: CN107601677A
Application number: CN201710805663.4A
Authority: CN
Inventors: 周爱娟; 魏瑶丽; 岳秀萍; 张家广; 汪素芳
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2017-09-08
Publication date: 2018-01-19
Anticipated expiration: 2037-09-08
Also published as: CN107601677B

Abstract

本发明涉及污水处理领域，公开了一种采用微生物燃料电池（MFC）降解甲氧苄啶的方法。本发明要解决目前存在的现有抗生素处理方法的生物降解难度大，环境中残留量高，生物毒性强等突出问题，旨在通过采用微生物燃料电池降解甲氧苄啶并同步产生能源。微生物燃料电池为可再生能源的生产和难降解抗生素甲氧苄啶的处理提供了一条新途径。方法如下：一、组装并连接数据记录仪；二、碳刷电极、阳离子交换膜预处理；三、组装反应器；四、MFC的接种启动与功能微生物的驯化；五、单共基质甲氧苄啶阳极的降解并产电能。本发明可成功用于抗生素废水的处理，是一种快速、高效的方法。微生物作为催化剂，在降解利用甲氧苄啶的同时将其化学能直接转化为电能。

Description

一种采用微生物燃料电池降解甲氧苄啶的方法

技术领域

本方法涉及一种采用微生物燃料电池降解甲氧苄啶的方法。

背景技术

如今抗生素的广泛使用，大量残留不可避免的进入水体和土壤环境中。在长期毒性压力下抗生素的抗性基因通过水平转移产生许多抗生素抗性菌，它的频繁出现可以使许多新型抗生素药物失效，因此对生态环境和人类健康构成了严重的威胁，并且已经引起世界范围内的广泛关注。传统的抗生素废水生物或物化处理技术具有针对性不强、效率低或能耗高、副产物多等缺点，因此建立一种新型、快速和高效的抗生素废水预处理方法，特别是在此过程中消除抗生素抑菌活性具有十分重要的意义。

甲氧苄啶作为一种典型抗生素，随着其使用量的增加，在环境中的残留也增多。抗生素在环境中的残留主要存在于土壤、沉积物、水环境中，特别在水体环境中含量分布极为广泛。传统生物处理法、高级氧化法、TiO2 多项光催化、超生裂解等物理方法，在去除抗生素的同时，会产生较多的副产物，或者非目标氧化物被氧化后与抗生素发生反应生成许多未知或许更有毒性物质。因此开发一种新型、高效的方法降解难降解抗生素，是广受关注并亟待解决的问题。

正在兴起的微生物燃料电池（MFC）研发为可再生能源生产和难降解废弃物处理提供了一条新途径。微生物燃料电池是一种利用微生物作为催化剂，将燃料中的化学能直接转化为电能的生物反应器。典型的MFC装置由阴极区和阳极区组成，两区域之间由质子交换膜分隔。其工作原理是：在阳极区表面，水溶液或污泥中的有机物，如葡萄糖、醋酸、多糖和其他可降解的有机物等在阳极微生物的作用下，产生CO₂、质子和电子。电子通过中间体或细胞膜传递给电极，并通过外电路到达阴极，质子通过溶液迁移到阴极后与O₂发生反应产生水，从而使得整个过程达到物质和电荷的平衡，并且外部用电器也获得了电能。

微生物燃料电池（ MFC）是基于传统的燃料电池（FC）与微生物相结合发展起来的由阴阳两极及外电路构成的装置。MFC技术具有废水处理和电能回收的双重功能，它的出现是对传统有机废水处理技术和观念的重大革新，目前正在引起世界范围内的广泛关注，日渐成为环境科学与工程和电化学领域一个新的研究热点。

发明内容

本发明目的是为了解决难降解类抗生素大量残留至环境，对生态环境和人类健康构成严重威胁的瓶颈问题，提供了一种采用微生物燃料电池降解甲氧苄啶的方法。

本发明所述方法是按照以下步骤进行的：

一、组装并连接数据记录仪：数据记录仪用于实时记录反应器的电流数据变化情况；

二、碳刷电极、阳离子交换膜预处理：碳刷先用去离子水洗去表面杂质，然后再用丙酮浸泡 24 h，之后放入马弗炉中，于400℃~ 600℃下烧 30 min，最后置于去离子水中备用；阳离子交换膜置于饱和氯化钠溶液中浸泡 24 h，之后用去离子水润洗干净备用；

三、组装双室MFC反应器：采用双极室微生物燃料电池，主体由阴极室和阳极室两部分组成，两个极室由一块直径为 50mm 的阳离子交换膜分开，两极都以碳刷作为负载电极；

四、MFC的接种启动与功能微生物的驯化：室温启动双室MFC反应器，不外加电压，将剩余污泥与培养基以1：10的体积比加入双室MFC反应器进行启动，并加以甲氧苄啶选择驯化功能微生物，甲氧苄啶加入后的浓度为20mg/L；开始5d为一个周期，检测串联1000Ω电阻的电路中电流的变化，完成双室MFC反应器接种启动与功能微生物驯化；

五、单共基质甲氧苄啶阳极的降解并产电能：分单共基质两种情况分别降解甲氧苄啶，共基质中另外加入乙酸钠作为共基质为微生物提供碳源；乙酸钠加入后的浓度为200mg/L；

观察双室MFC反应器的电流变化，逐渐增大甲氧苄啶的浓度，并利用高效液相色谱测定甲氧苄啶含量，分析降解效率；单共基质进行对照，比较两种情况下甲氧苄啶的最大降解率。

本发明的原理：本发明提出了一种利用微生物燃料电池降解难降解抗生素甲氧苄啶，同时产生电能的新方法。目的在于使污废水中甲氧苄啶得到最大化降解去除，降低降解产物的毒性，并尽可能多的产生电能，收集利用，实现MFC技术废水处理和电能回收的双重功能。

本发明的有益成果：

本发明采用微生物燃料电池降解甲氧苄啶，同时回收电能，通过多频次的MFC阳极接种剩余污泥，驯化功能微生物，最终得到很好的降解效果。在提高难降解抗生素甲氧苄啶处理效能的同时，还可以产生电能，也为剩余污泥的处置利用提供一条资源化思路。试验研究发现：单基质体系中，经过5-6个月时间的污泥反复接种驯化，反应器阳极碳刷上已附着稳定的功能微生物群落，对甲氧苄啶作为唯一碳源已逐渐适应，快速稳定降解甲氧苄啶；共基质体系中，由于共基质乙酸钠的存在，微生物优先选择利用乙酸钠作为碳源，因此一周期内，初期对甲氧苄啶的降解较慢，之后随着乙酸钠含量的减少，微生物开始大量利用甲氧苄啶，高效降解甲氧苄啶。相同浓度、相同反应时间下，共基质体系最终对甲氧苄啶的降解率要比单基质体系高出21%。另外，单基质体系在降解甲氧苄啶的同时可以给外电路提供的最大电流为0.068mA，共基质体系在降解甲氧苄啶的同时可以给外电路提供的最大电流为0.469mA，约是单基质体系提供最大电流的7倍。本发明以废治废同时产生能源，在污废水处理中具有非常重要的实际应用价值。

附图说明

图1为实施例一和实施例二在24h内，甲氧苄啶浓度随时间的变化曲线图。

图2为实施例一和实施例二在某一时间段，反应器外电路的电流随时间变化曲线图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式采用微生物燃料电池降解甲氧苄啶的方法，具体是按照以下步骤进行的：

一、组装并连接数据记录仪：数据记录仪用于实时记录反应器的电流数据变化情况。选用keithley2700数据记录仪，组装连接。

二、碳刷电极、阳离子交换膜预处理：碳刷先用去离子水洗去表面杂质，然后再丙酮浸泡 24 h，之后放入马弗炉中，于 600℃下烧 30 min，最后置于去离子水中备用；阳离子交换膜置于饱和氯化钠溶液中浸泡 24 h，之后用去离子水润洗干净备用。

三、组装反应器：采用双极室微生物燃料电池，主体由阴极室和阳极室两部分组成，两个极室由一块直径为 50mm 的阳离子交换膜分开，两级都以碳刷作为负载电极。

四、MFC的接种启动与功能微生物的驯化：室温启动双室MFC反应器，不外加电压，将剩余污泥与培养基以1：10的体积比加入反应器进行启动，并加以甲氧苄啶选择驯化功能微生物，甲氧苄啶加入后的浓度为20mg/L；开始5d为一个周期，检测串联1000Ω电阻的电路中电流的变化，完成反应器启动和功能微生物驯化。

五、单共基质甲氧苄啶阳极的降解并产电能：单基质体系中只有单一的甲氧苄啶作为微生物生长的碳源，从低浓度开始试验，观察反应器的电流变化，逐渐增大甲氧苄啶的浓度，并利用高效液相色谱测定甲氧苄啶含量，分析降解效率。共基质体系另外加入乙酸钠，共同提供微生物生长所需的碳源，同时研究加入共基质对甲氧苄啶降解的影响；乙酸钠加入后的浓度为200mg/L。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一至二之一不同的是：步骤二中用丙酮浸泡之后的碳刷在马弗炉中400℃烧30min。其它与具体实施方式一至二之一相同。

具体实施方式三：单极室反应器有效容积为28mL。其它与具体实施方式一至二之一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤四中培养基底液25mMPBS为，每升重蒸水中各组成成分含量：磷酸氢二钠5.775g，磷酸二氢钠1.385g。阳极培养基在25mMPBS中加入氯化钾0.13g/L，氯化铵0.31g/L，矿物质10mL/L,微量元素10mL/L；阴极培养基在25mMPBS中加入50mM的铁氰化钾，作为电子受体。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤四中阳极液在进入反应器之前，均需氮气10min-15min驱氧。其它与具体实施方式一至四之一相同。

采用以下实施例相互对照验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例采用微生物燃料电池降解甲氧苄啶的方法，阳极甲氧苄啶作为唯一碳源，具体是按照以下步骤进行的：

二、碳刷电极、阳离子交换膜预处理：碳刷先用去离子水洗去表面杂质，然后再丙酮浸泡 24 h，之后放入马弗炉中，于 400℃下烧 30 min，最后置于去离子水中备用；阳离子交换膜置于饱和NaCl 溶液中浸泡 24 h，之后用去离子水润洗干净备用。

四、MFC的接种启动与功能微生物的驯化：室温启动双室MFC反应器，不外加电压，将剩余污泥与培养基以1：10的体积比加入反应器进行启动，并加以20mg/L的甲氧苄啶选择驯化功能微生物，开始5d为一个周期，检测串联1000Ω电阻的电路中电流的变化，完成反应器启动和功能微生物驯化。

五、单基质甲氧苄啶阳极的降解并产电能：单基质体系中只有单一的甲氧苄啶作为微生物生长的碳源，从低浓度开始试验，观察反应器的电流变化，逐渐增大甲氧苄啶的浓度，并利用高效液相色谱测定甲氧苄啶含量，分析降解效率。

其中所用剩余污泥取自晋中市第一污水厂浓缩池。

实施例二：

本实施例采用微生物燃料电池降解甲氧苄啶的方法，阳极加入乙酸钠作为共基质，具体是按照以下步骤进行的：

五、共基质甲氧苄啶阳极的降解并产电能：共基质体系中除甲氧苄啶，还另外加入200mg/L的乙酸钠，共同提供微生物生长所需的碳源。从甲氧苄啶低浓度开始试验，观察反应器的电流变化，逐渐增大甲氧苄啶的浓度，并利用高效液相色谱测定甲氧苄啶含量，分析降解效率。同时研究加入共基质对甲氧苄啶降解的影响。

其中所用剩余污泥取自晋中市第一污水厂浓缩池。

以下结合附图进行说明：

图1为实施例一和实施例二在24h内，甲氧苄啶浓度随时间的变化曲线图。其中“”代表实施例一即单基质体系中甲氧苄啶的浓度随时间的关系曲线，“”代表实施例二即共基质体系中甲氧苄啶的浓度随时间的关系曲线。前期多次接种污泥，待功能微生物成功附着上碳刷之后，甲氧苄啶高效降解。单基质体系中，功能微生物对甲氧苄啶作为唯一碳源已逐渐适应，快速稳定降解甲氧苄啶；共基质体系中，由于共基质乙酸钠的存在，微生物优先选择利用乙酸钠作为碳源，因此一周期内，初期对甲氧苄啶的降解较慢，之后随着乙酸钠含量的减少，微生物开始大量利用甲氧苄啶，高效降解甲氧苄啶。相同浓度、相同反应时间下，共基质体系最终对甲氧苄啶的降解率要比单基质体系高出21%。由此可见，微生物燃料电池可以有效降解甲氧苄啶，且共基质的存在提升了甲氧苄啶的降解率。

图2为实施例一和实施例二在某一时间段，反应器外电路的电流随时间变化曲线图。其中“”代表实施例一即单基质体系外电路电流随时间变化的曲线，“”代表实施例二即共基质体系外电路电流随时间变化的曲线。单基质体系在降解甲氧苄啶的同时可以给外电路提供的最大电流为0.068mA，共基质体系在降解甲氧苄啶的同时可以给外电路提供的最大电流为0.469mA，约是单基质体系提供最大电流的7倍。

Claims

1.一种采用微生物燃料电池降解甲氧苄啶的方法，其特征在于该方法按照以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述一种采用微生物燃料电池降解甲氧苄啶的方法，其特征在于步骤二中先使用丙酮浸泡碳刷24h，之后于马弗炉400℃温度下烧30min。

3.根据权利要求1所述一种采用微生物燃料电池降解甲氧苄啶的方法，其特征在于步骤三中组装反应器时一定要保证反应器阳极室的绝对厌氧环境。

4.根据权利要求1所述一种采用微生物燃料电池降解甲氧苄啶的方法，其特征在于步骤三中组装反应器时阳极要接甘汞参比电极，反映阳极电势变化。

5.根据权利要求1所述一种采用微生物燃料电池降解甲氧苄啶的方法，其特征在于步骤四中培养基底液为25mMPBS，每升重蒸水中各组成成分含量：磷酸氢二钠5.775g，磷酸二氢钠1.385g；阳极培养基在25mMPBS中加入氯化钾0.13g/L，氯化铵0.31g/L，矿物质10mL/L，微量元素10mL/L；阴极培养基在25mMPBS中加入50mM的铁氰化钾，作为电子受体。

6.根据权利要求1所述一种采用微生物燃料电池降解甲氧苄啶的方法，其特征在于步骤四中阳极接种污泥，主要研究MFC阳极降解甲氧苄啶。

7.根据权利要求1所述一种采用微生物燃料电池降解甲氧苄啶的方法，其特征在于步骤四中加入甲氧苄啶后的阳极液在进入反应器之前，均需氮气10min驱氧。

8.根据权利要求1所述一种采用微生物燃料电池降解甲氧苄啶的方法，其特征在于步骤一中选用keithley2700数据记录仪。