酶强化微生物电解产绿氢的分子调控方法

1.本发明涉及污水处理设备技术领域，具体涉及一种酶强化微生物电解产绿氢的分子调控方法。


背景技术：

2.能源需求、污水减排需求以及污水处理厂污泥减排需求是当今世界亟待解决的问题，环境危机与能源危机已经逐渐成为人类面临的双重挑战。解决环境危机与能源危机的一大关键是获得和使用清洁能源，氢气作为公认的清洁能源，以其零碳优势脱颖而出。当今世界的许多国家和地区都制定了氢能发展规划，我国也已经在氢能源领域取得了多方面的进展。氢能源作为一种理想的含能体能源，具有导热性好、储量丰富、可回收利用、燃烧性能好、零碳环保、运输方便等优势，开发和使用意义重大。
3.基于以上需求，微生物电解池(mec)在微生物电化学领域正处于研究的热潮，其中微生物作为催化剂，在处理废水的同时产生氢气，在实际应用上能够产生巨大经济效益。可以同时满足传统污水处理技术的发展和更新，以及清洁能源——氢气产生，在处理环境问题的同时，在一定程度上为清洁能源需求助力。其可利用底物广泛、所需电压小，可用于环境优化、污水处理、资源回收产生氢气。相较于目前常用的电解水制氢和发酵产氢，在所需理论电压和理论产氢率方面有较大优势。因此研究微生物电解池(mec)具有重大的社会价值与经济价值。
4.随着该领域的不断发展和应用，不得不提的技术痛点是反应器启动和恢复时间久，不稳定，不确定因素多等，产氢效果、效率、稳定性受到很大影响。这使得使用的风险较大、稳定性差，投入的时间成本增大，经济效益也有待提高。归根结底是生物膜的稳定性差、形成过程缓慢、生长的各类不确定因素高。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种促进微生物电解池产绿氢，降低了碳排放的酶强化微生物电解产绿氢的分子调控方法，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
6.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
7.本发明提供一种酶强化微生物电解产绿氢的分子调控方法，包括：
8.向微生物电解池中添加dna降解酶，通过缩短阳极微生物的生物膜形成时间，提高阳极微生物的电解产氢效率和存活能力，实现了分子水平上调控并强化微生物电解产氢。
9.优选的，设置多个通过并联连接的单立方体微生物电解池反应器；各单立方体微生物电解池反应器的碳刷阳极上所负载的产电微生物以废水中的有机物做底物进行新陈代谢产生电子，电子通过胞内传递和外加电路传递至泡沫镍阴极表面；各单立方体微生物电解池反应器的泡沫镍阴极为利用电子还原碳刷阳极产生的h
+
为h2，并通过气袋收集。
10.优选的，所述各单立方体微生物电解池反应器内接种液由厌氧消化污泥、磷酸盐缓冲液、wolfe维生素溶液、wolfe矿物溶液以及乙酸钠组成。
11.优选的，所述磷酸盐缓冲液含有nh4cl、kcl、na2hpo4·
12h2o和nah2po4·
2h2o。
12.优选的，所述各单立方体微生物电解池反应器的碳刷阳极为碳纤维为t700sc 12k的碳刷，碳刷在无水酒精中浸泡，并在松饼炉中加热；所述各单立方体微生物电解池反应器的泡沫镍阴极为表面密度为350g/m3的泡沫镍。
13.优选的，所述单个单立方体微生物电解池反应器内为一个圆柱形腔室，圆柱形腔室由聚碳酸酯制成。
14.优选的，所述dna降解酶为dnaseⅰ。
15.优选的，每个所述单立方体微生物电解池反应器均串联一个电阻器，且每个电阻器串联一个电抗器以检测电流。
16.优选的，所述各单立方体微生物电解池反应器启动时直接以乙酸钠为电子供体，氢离子为电子受体。
17.优选的，所述产电微生物是污水处理厂的厌氧池污泥或曝气池污泥。
18.本发明有益效果：
19.缩短了微生物电解池设备的启动和恢复时间，缩短了前期的等待时间，更加实用；同时，阳极生物膜的鲁棒性和装置反应的库伦效率增加，产氢能力得到强化，反应时间缩短也同样强化了产氢；外加电为无线电供电、太阳能供电等其他可再生能源供电，更加节能低耗，实现了绿氢的产生；阳极生物膜利用污水中的有机物进行代谢，起到处理污水的效能，相比于使用较多的需氧需曝气等高耗能污水处理技术与单元，还实现了能量增(收集氢能大于输入电能)，更贴合节能主流；对于强化微生物电解池产氢意义重大，为微生物电解池产氢的进一步应用提供了广阔的前景。
20.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明实施例所述的构建的酶强化微生物电解产绿氢的分子调控方法的完整装置示意图。
23.图2为本发明实施例所述的构建的酶强化微生物电解产绿氢的分子调控方法的单个装置示意图。
24.图3为本发明实施例所述的构建的酶强化微生物电解产绿氢的分子调控方法所涉及到的加入dna降解酶(dnaseⅰ)后的原理图(1)；
25.图4为本发明实施例所述的构建的酶强化微生物电解产绿氢的分子调控方法所涉及到的加入dna降解酶(dnaseⅰ)后的原理图(2)；
26.图5为本发明实施例中用最大电流比指示的启动时间；
27.图6为本发明实施例每个周期的最大电流及响应时间；
28.其中：1-单个单立方体微生物电解池反应器；2-圆柱形腔室；3-碳刷阳极；4-泡沫
镍阴极；5-气袋；6-反应器产气导出口。
具体实施方式
29.下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
30.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
31.还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
32.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
33.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
34.在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
35.在本说明书的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
36.除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
37.为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
38.本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
39.实施例1
40.本实施例1中，提供一种向微生物电解池的阳极附近添加脱氧核糖核酸酶i(dnaseⅰ)，其利用分子调控促进阳极微生物膜的成膜速度与质量，从而实现强化微生物电解池产
氢的新技术，同时其可以进行污水处理。
41.本实施例1中酶强化微生物电解产绿氢的分子调控方法，设置有12个通过并联连接的单立方体微生物电解池(mec)反应器，在处理有机废水的同时，实现微生物电解池产绿氢的强化。
42.在以上由12个单立方体并联连接的mec反应器中，mec的阳极上所负载的产电微生物膜利用废水中的有机物进行新陈代谢产生电子，电子转移至阳极，通过外加电源输送至阴极；mec阴极为利用阳极转移电子还原h
+
为h2，并通过气袋进行收集。
43.外加电源电压为0.8v，且为固定直流电压，所加电产生方式为无线电供电、太阳能供电等其他可再生能源供电方式。
44.所述12个单立方体并联连接的mec反应器中，单个单立方体反应器内为一个圆柱形腔室，其由聚碳酸酯制成，腔室规格为：长4cm，直径3cm，有效容积28ml。
45.所述单个单立方体微生物电解池(mec)反应器均串联一个10ω的电阻器，且每个电阻器串联一个电抗器以检测电流。
46.所述单个单立方体微生物电解池(mec)反应器阳极为直径25mm，长度为25mm的碳刷(t700sc 12k,toray)，以上阳极碳需于无水酒精中浸泡24h，并于松饼炉中450℃下加热60min。
47.所述单个单立方体微生物电解池(mec)反应器阴极为填充于反应器底部的泡沫镍，所述阴极表面密度为350g/m3，直径为3cm。
48.所述各单立方体微生物电解池(mec)反应器腔室内接种液由厌氧消化污泥(取自污水处理厂)，50mm磷酸盐缓冲液(nh4cl 0.31g/l,kcl 0.13g/l,na2hpo4·
12h2o 11.55g/l,nah2po4·
2h2o 2.77g/l)，1ml/l wolfe维生素溶液，1ml/lwolfe矿物溶液，以及1.5g/l乙酸钠组成。
49.所述各单立方体微生物电解池(mec)反应器运行时的电流由数据记录器监测并记录。
50.本实施例1中，所述各单立方体微生物电解池(mec)反应器腔室内加入dna降解酶为dnaseⅰ(cas rn 9003-98-9,sigma-aldrich)。所述dna降解酶为dnaseⅰ加入后工作的原理为：从分子水平分析，利用dna降解酶剪切dna链上的共价键，大分子dna降解为小分子dna，众多短链dna促进生物之间的黏附过程，进而起到促进微生物成膜的效果，并使得生成的生物膜更加致密和牢固。所述各单立方体微生物电解池(mec)反应器运行均在室温下进行(20℃
±
2℃)。所述各单立方体微生物电解池(mec)反应器运行采用间歇的sbr模式，水力停留时间(hrt)为2天。
51.上述，本实施例1所提供的dna降解酶强化微生物电解产绿氢的分子调控方法，通过切断dna链上的共价键，将大分子dna剪切为小分子dna，促进生物膜的黏附过程，加速生成更加牢固的微生物膜，从而加速和促进微生物电解池产氢，并起到污水处理的效果。
52.实施例2
53.如图1至图4所示，本实施例2中提供酶强化微生物电解产绿氢的分子调控方法，该方法是在一个微生物电解池的阳极中，加入一种dna降解酶将dna链的核苷酸之间的共价键切断，使dna链由大分子降解为小分子，从而通过小分子结构促进生物膜的相互粘附过程，缩短生物膜的形成时间，进而缩短反应器的启动时间，提高微生物电解产氢的效率，实现在
分子水平上强化微生物电解产氢的目标。
54.其中本实施例中的的装置由12个单立方体微生物电解池(mec)反应器1组成，所有反应器并联连接，每个反应器与一个10ω的电阻器串联以监测电流，外接0.8v直流电压。单个单立方体微生物电解池(mec)反应器1中设有圆柱形腔室2、碳刷阳极3、泡沫镍阴极4、气袋5以及反应器产气导出口6。
55.其中mec的运行阶段流程为：阳极的微生物将有机物氧化，产生电子和质子。电子通过外电路到达阴极，质子在溶液中从阳极移动到阴极，与电子结合形成氢气。
56.在上述的实验方案中，mec的圆柱形腔室2由聚碳酸酯制成，碳刷阳极3为在无水酒精中浸泡24小时，并在松饼炉中450℃加热60分钟后的直径25mm，长25mm，碳纤维为t700sc 12k(toray)的碳刷，泡沫镍阴极为直径3cm，表面密度为350g/m3的泡沫镍。
57.在上述的实验方案中，mec启动时以乙酸钠为电子供体，以h
+
为电子受体。反应器中的介质为北京高碑店市污水处理厂的厌氧消化污泥、由nh4cl 0.31g/l,kcl 0.13g/l,na2hpo4·
12h2o 11.55g/l,nah2po4·
2h2o 2.77g/l组成的50mm的磷酸盐缓冲溶液、1ml/l的wolfe的维生素溶液，1ml/l的wolfe的矿物溶液，以及1.5g/l的乙酸钠的混合物。为各单立方体微生物电解池(mec)反应器输入电压的电池为太阳能电池。在各单立方体微生物电解池(mec)反应器的阳极加入的dna降解酶为核糖核酸降解酶i(dnase i)。整个系统的温度为室温(20℃
±
2℃)。
58.具体的本实施例2中酶强化微生物电解产绿氢的分子调控方法，按下列步骤进行的：
59.步骤1：组装各单立方体微生物电解池(mec)反应器，并在第一组的3个反应器中不加入dnasei。
60.步骤2：启动反应器，以间歇sbr模式运行，水力停留时间为2天。
61.步骤3：在初始启动期间，从3个反应器收集电流。
62.步骤4：使用电抗器监测用最大电流比指示的启动时间和每个周期的最大电流及响应时间。最大电流比分别取20％、40％、60％和80％。
63.在本实施利中，用最大电流比指示的启动时间和每个周期的最大电流及响应时间分别如图5和图6所示。
64.实施例3
65.本实施3中提供酶强化微生物电解产绿氢的分子调控方法，其实施方式与实施例2不同的是步骤1中加入的dnase i的浓度为0.005mg/ml；其他步骤及参数与实施例1相同。
66.在本实施例中，用最大电流比指示的启动时间和每个周期的最大电流及响应时间分别如图5和图6所示。
67.实施例4
68.本实施4中提供酶强化微生物电解产绿氢的分子调控方法，其实施方式与实施例2不同的是步骤1中加入的dnase i的浓度为0.01mg/ml；其他步骤及参数与实施例1相同。
69.在本实施例中，用最大电流比指示的启动时间和每个周期的最大电流及响应时间分别如图5和图6所示。
70.实施例5
71.本实施3中提供酶强化微生物电解产绿氢的分子调控方法，其实施方式与实施例2
不同的是步骤1中加入的dnase i的浓度为0.1mg/ml；其他步骤及参数与实施例1相同。
72.在本实施例中，用最大电流比指示的启动时间和每个周期的最大电流及响应时间分别如图5和图6所示。
73.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。