申请日2014.09.01
公开(公告)日2015.02.04
IPC分类号C02F3/34; H01M8/16
摘要
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.
权利要求书
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,KCI 0.13g/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。
说明书
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PF 5′-AGA GTTTGA TCC TGG CTC AG-3′和反向引物PR5′-GGY TAC CTT 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 3 730XL)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%。
