申請(qǐng)日2014.09.01

　　公開(公告)日2015.02.04

　　IPC分類號(hào)C02F3/34; H01M8/16

　　摘要

　　一種處理含鉛污水的微生物燃料電池，包括陽極室和陰極室，其中陰極室和陽極室各有一塊石墨板，兩塊石墨板分別通過導(dǎo)線引出，外接電阻，形成電子回路，陰極室和陽極室通過鹽橋連接提供質(zhì)子通路，陽極室內(nèi)裝有含鉛離子廢水作為陽極液，所述的陰極室內(nèi)裝有含產(chǎn)電細(xì)菌并以主要為含硝態(tài)氮的基質(zhì)作為陰極液。本發(fā)明微生物燃料電池主要功能為對(duì)含鉛污水中鉛離子的析出，及其有機(jī)物的降解和氨氮的去除，同時(shí)產(chǎn)生電量，把污水處理變成一個(gè)有利可圖的產(chǎn)業(yè).

　　權(quán)利要求書

　　1.一種處理含鉛污水的微生物燃料電池，包括陽極室和陰極室， 其特征在于：所述的陽極室內(nèi)裝有含鉛離子廢水作為陽極液，所述的 陰極室內(nèi)裝有含產(chǎn)電細(xì)菌并以NH4Cl為唯一氮源的陰極液。

　　2.根據(jù)利要求1所述的一種處理含鉛污水的微生物燃料電池， 其特征在于：所述的產(chǎn)電細(xì)菌的核苷酸序列為SEQ ID No.1所示。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種處理含鉛污水的微生物燃料電池， 其特征在于：所述的陰極液的組成為醋酸鈉1g/L,NH4CI0.35g/L,KCI 0.13g/L)Na2HPO4·12H2O3.75g/L,NaH2PO4H2O4.9g/L。

　　4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種處理含鉛污水的微生物燃料電池， 其特征在于：所述的陽極室和陰極室中的石墨板表面粗糙，陽極室中 石墨板為鉛離子提供發(fā)生氧化反應(yīng)的場(chǎng)所并且提供析出鉛單質(zhì)的附 著場(chǎng)所;陰極室中石墨板為產(chǎn)電細(xì)菌提供附著的場(chǎng)所，并有利于產(chǎn)生 電子以及傳遞到外電路。

　　說明書

　　一種處理含鉛污水的微生物燃料電池

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明涉及微生物燃料電池，具體涉及一種利用微生物燃料電池 處理含鉛污水同時(shí)發(fā)電的方法及其裝置。

　　背景技術(shù)

　　隨著人類的進(jìn)步與發(fā)展，對(duì)能源的需求越加強(qiáng)烈，為了解決能源 問題，人類在積極的尋求新型能源方式。微生物燃料電池是一種利用 微生物將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置，其基本原理是： 在陽極室厭氧環(huán)境下，有機(jī)物在微生物作用下分解并釋放出點(diǎn)子和質(zhì) 子，電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽極之間進(jìn)行有效傳 遞，并通過外路傳遞到陰極形成電流，而質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜傳遞到 陰極，氧化劑在陰極得到電子被還原與質(zhì)子結(jié)合成水。

　　隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，鉛污染事件頻繁發(fā)生，越來越受到人 們的重視，其主要來源為冶煉、制造和使用鉛制品的工礦企業(yè)，尤其 是來自有色金屬冶煉過程中所排出的含鉛廢水、廢氣和廢渣。此外， 還包括汽車排出的含鉛廢氣造成的，汽油中用四乙基鉛作為抗爆劑 (每公斤汽油用1～3克)，在汽油燃燒過程中，鉛便隨汽車排出的廢 氣進(jìn)入大氣，目前世界上已有兩億多輛汽車，每年排出的總鉛量達(dá) 40萬噸，成為大氣的主要鉛污染源。

　　2013年，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)環(huán)境工程系教授BruceLogan 的研究組嘗試開發(fā)微生物燃料電池，目前，污水處理費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢，還 消耗大量能量，基本是只投入不產(chǎn)出的行業(yè)，成為各國(guó)政府頭疼的一 大難題。有數(shù)據(jù)顯示，5%的電力消費(fèi)被用于污水處理，因此，既能 凈化水質(zhì)、又能發(fā)電的微生物燃料電池，將有望把污水處理變成一個(gè) 有利可圖的產(chǎn)業(yè)。本發(fā)明提出一種利用微生物燃料電池處理含鉛污 水，同時(shí)又能將生物能轉(zhuǎn)化為電能的方法，具有極大的推廣實(shí)用價(jià)值。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明旨在通過構(gòu)建一種微生物燃料電池，分離、篩選高效產(chǎn)電 細(xì)菌，對(duì)含鉛廢水中重金屬鉛離子進(jìn)行還原處理，從廢水中去除重金 屬鉛離子，同時(shí)產(chǎn)生電能。另外，高效產(chǎn)電新種菌的分離、篩選和鑒 定也是本發(fā)明專利要解決的主要問題之一。

　　本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

　　一種處理含鉛污水的微生物燃料電池，包括陽極室和陰極室，所 述的陰極室內(nèi)裝有含鉛離子廢水作為陰極液，所述的陽極室內(nèi)裝有含 產(chǎn)電細(xì)菌并以NH4Cl為唯一氮源的陽極液。

　　本發(fā)明陽極室和陰極室中設(shè)有石墨板，石墨板表面粗糙，陰極室 中石墨板為鉛離子提供發(fā)生氧化反應(yīng)的場(chǎng)所并且提供析出鉛單質(zhì)的 附著場(chǎng)所。陽極室中石墨板為產(chǎn)電細(xì)菌提供附著的場(chǎng)所，并有利于產(chǎn) 生電子以及傳遞到外電路。

　　本發(fā)明所述的產(chǎn)電細(xì)菌通過以下方法制備：

　　(1)稱5g土壤倒入到盛有45mL無菌水的燒杯中，邊振蕩邊 攪拌10分鐘，靜置30分鐘。

　　(2)取上述土壤浸出液10mL加入到200mL含檸檬酸鈉(1g/L), NH4Cl(0.35g/L),KCl(0.13g/L),Na2HPO4·12H2O(3.75g/L), NaH2PO4H2O(4.9g/L)的液體培養(yǎng)基中進(jìn)行搖床振蕩培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為 30℃，培養(yǎng)時(shí)間為5天，搖床振蕩頻率為180rpm/min，此過程為產(chǎn) 電細(xì)菌的富集培養(yǎng)。另外，培養(yǎng)基使用前在121℃條件下滅菌20分 鐘，土壤浸出液的轉(zhuǎn)移等操作均在無菌操作臺(tái)中進(jìn)行。

　　(3)取20μL上述富集培養(yǎng)液劃線到平板固體培養(yǎng)基上，固體 培養(yǎng)基是在液體培養(yǎng)基中加入2%(w/w)的瓊脂制備而成，其他成分 及制備方法同液體培養(yǎng)基。靜置培養(yǎng)5天，培養(yǎng)溫度為30℃，然后 分別取單菌落進(jìn)行重復(fù)劃線培養(yǎng)3次，直至平板中菌落形態(tài)一致，此 時(shí)將純化后菌落保存到半固體培養(yǎng)基中，待用。半固體培養(yǎng)基是在液 體培養(yǎng)基中加入0.3%(w/w)的瓊脂制備而成，其他成分及制備方法同 液體培養(yǎng)基。。

　　本發(fā)明將純化菌命名為CHD-1并作為本發(fā)明產(chǎn)電細(xì)菌，其DNA 的提取、PCR擴(kuò)增以及測(cè)序過程為：

　　(1)DNA提取利用細(xì)菌DNA提取試劑盒-DP302對(duì)該菌株 CHD-1DNA進(jìn)行提取。

　　(2)PCR對(duì)產(chǎn)電細(xì)菌DNA進(jìn)行擴(kuò)增利用正向引物PF 5′-AGA GTTTGA TCC TGG CTC AG-3′和反向引物PR5′-GGY TAC CTT GTT ACG ACT T-3′對(duì)菌株CHD-1 16S rDNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增。 PCR反應(yīng)體系(50μL)：5μL10×PCR緩沖液，3.5μL MgCl2，0.5μL 模板DNA，0.5μL PF和PR，2μL dNTP，1μL Taq DNA聚合酶，37μL 超純水。PCR擴(kuò)增條件：95℃預(yù)變性3min，95℃變性45S，55℃退 火45S，72℃延伸90S，32個(gè)循環(huán)，再72℃延伸10min。

　　(3)將PCR產(chǎn)物用DNA測(cè)序儀(型號(hào)：Applied Biosystems 3 730XL)進(jìn)行測(cè)序，獲得序列SEQ ID No.1所示。測(cè)得的序列發(fā)送 到DDBJ(DNA Data Bank of Japan,http://www.ddbj.nig.ac.jp/)獲得 的登錄號(hào)為AB971024。

　　本發(fā)明中陽極液組成為：檸檬酸鈉(1g/L),NH4Cl(0.35g/L),KCl (0.13g/L),Na2HPO4·12H2O(3.75g/L),NaH2PO4·H2O(4.9g/L)，成分同 產(chǎn)電細(xì)菌的富集、純化用液體培養(yǎng)基。

　　本發(fā)明微生物燃料電池中，將產(chǎn)電細(xì)菌培養(yǎng)用陽極液(液體培養(yǎng) 基)加入到陽極室，在陰極室中加入含鉛離子溶液，用鹽橋連接陰極 室和陽極室。在陰極室和陽極室中通過銅線各懸掛一塊石墨版，分別 作為陰極板和陽極板。銅線外接變阻箱，并與數(shù)據(jù)采集模塊連接，數(shù) 據(jù)采集模塊與電腦連接，電腦中安裝有力控軟件，對(duì)采集的電壓、電 流和電功率進(jìn)行分析、傳輸和存儲(chǔ)。微生物燃料電池組裝好后，向陽 極室中接種產(chǎn)電細(xì)菌CHD-1，微生物燃料電池開始運(yùn)行;產(chǎn)電細(xì)菌 在生長(zhǎng)代謝過程中，產(chǎn)生電子，電子經(jīng)外電路傳遞到陰極室，陰極室 中的鉛離子(pb2+)接收電子而從溶液中析出。產(chǎn)電細(xì)菌代謝過程中 同時(shí)消耗氨態(tài)氮，使得陽極液中氨氮濃度降低。運(yùn)行中產(chǎn)生的電流、 電壓以及電功率通過數(shù)據(jù)采集卡和力控軟件在電腦中存儲(chǔ)和顯示出 來。

　　本發(fā)明微生物燃料電池不僅能去除廢水中鉛離子，還能降低污水 中氮化合物的含量，同時(shí)產(chǎn)生一定的電量。另外，本發(fā)明是將產(chǎn)電細(xì) 菌與含鉛離子污水分別在陰極和陽極室中發(fā)生反應(yīng)，避免了常規(guī)微生 物法處理含鉛廢水時(shí)鉛離子對(duì)細(xì)菌的直接毒害，導(dǎo)致鉛離子去除率低 的缺陷，本發(fā)明利用雙室微生物燃料電池去除污水中鉛離子，去除率 高達(dá)35%。