一种藻菌微生物燃料电池及其制备方法和应用

摘要

本发明属于生物燃料电池技术领域，公开了一种藻菌微生物燃料电池及其制备方法和应用。该藻菌微生物燃料电池，包括阳极室、阴极室、横膈膜、阳电极、阴电极和外电路，阳极室和阴极室均装有藻菌、培养液和碳源。本发明藻菌微生物燃料电池在运作的过程中反复对换电极运作；整个过程借助藻菌的协同作用，实现偶氮染料污染物的全过程高效降解；通过交替单个电极降解偶氮染料污染物，消除偶氮染料污染物对产电菌的生理毒性效应，实现持续高效产电。阴、阳电极均采用藻菌作为生物催化剂，无任何金属催化剂修饰和外源人工介体的添加，无需曝气，降低了微生物燃料电池构建与运行成本，增强了微生物燃料电池可持续性，有利于工业放大。

权利要求

1.一种藻菌微生物燃料电池，包括阳极室、阴极室、横膈膜、阳电极、阴电极和外电路，其特征在于：阳极室和阴极室均装有藻菌、培养液和碳源；

所述的藻菌微生物燃料电池在运作的过程中反复对换电极运作；

当藻菌微生物燃料电池正向电极运作时，阳极室遮光、密封维持厌氧；阴极室光照，通过藻的光合作用供氧；

当藻菌微生物燃料电池反转电极运作时，原先的阳极室变换为阴极室，光照，通过藻的光合作用供氧，阴极室变换为阳极室运行，遮光、密封维持厌氧；

所述的藻菌指绿藻和产电菌的共生体。

2.根据权利要求1所述的藻菌微生物燃料电池，其特征在于：阳极室装有0.5g/L葡萄糖作为碳源；阴极室装有0.4g/L NaHCO3作为碳源；所述的藻菌以生物膜的形式在电极表面生长。

3.根据权利要求1所述的藻菌微生物燃料电池，其特征在于：所述的产电菌指以污水处理厂的活性污泥接种，在微生物电池阴极驯化出的和绿藻共生的混合产电菌群；所述的绿藻指蛋白核小球藻(Chlorella vulgaris)。

4.根据权利要求1所述的藻菌微生物燃料电池，其特征在于：所述的藻菌由以下方法得到：采用两个单独的双室型微生物燃料电池分别在阴极培养藻菌共生电极；用质量比1:1混合的好氧污泥+厌氧污泥按体积比10％分别接种于电池的阳极和阴极；阳极添加以葡萄糖为有机碳源的培养液并密封维持厌氧，阴极则添加以NaHCO3为无机碳源的培养液并持续曝空气供氧，外接电阻，启动微生物燃料电池；待观察到重复稳定的电压输出，即细菌在电极表面形成成熟生物膜后，再向阴极加入预先培养好处于对数生长期的绿藻，接种量为阴极室体积的10％，并去除曝气，改用日光灯照射，继续培养，待观察到重复稳定的电压输出，即藻菌在阴极表面形成共生生物膜后，拆除微生物燃料电池，得到两个附生有藻菌的电极。

5.根据权利要求1所述的藻菌微生物燃料电池，其特征在于：所述培养液的成份为，无机盐：0.2g/L NaNO3、0.04g/L K2HPO4、0.075g/L MgSO4·7H2O、0.075g/L CaCl2·2H2O、0.006g/L柠檬酸、0.006g/L EDTA-2Na、0.31g/L NH4Cl、0.13g/L KCl；矿质元素12.5mL/L；维生素

12.5mL/L；

所述矿质元素的成份为：1.5g/L N(CH2COOH)3、0.1g/L FeSO4·7H2O、0.5g/L MnSO4·H2O、

1g/L NaCl、0.1g/L CaCl2·2H2O、0.1g/L CoCl2·6H2O、0.13g/L ZnCl2、0.01g/L CuSO4·5H2O、

0.01g/L KAl(SO4)2·12H2O、0.01g/L H3BO3、0.025g/L Na2MoO4、0.024g/L NiCl2·6H2O、

0.025g/L Na2WO4·2H2O；

所述维生素的成分为：0.002g/L维生素H、0.0001g/L维生素B12、0.005g/L叶酸、

0.005g/L烟酸、0.01g/L维生素B6、0.0001g/L DL-泛酸钙、0.005g/L维生素B1、0.005g/L对氨基苯甲酸、0.005g/L维生素B2；

所述的阴极室和阳极室的材料为聚甲基丙烯酸甲酯；

所述的阳电极和阴电极悬空于电极室中，紧贴外侧池壁；

所述阳电极和阴电极的材料为多孔碳材料。

6.根据权利要求1所述的藻菌微生物燃料电池，其特征在于：所述阳电极和阴电极的材料为石墨毡、介孔碳和碳纳米管中的至少一种；所述的横膈膜指阳离子交换膜或质子交换膜；所述的外电路指阴电极和阳电极通过钛丝与外电阻相连。

7.一种根据权利要求1～6任一项所述的藻菌微生物燃料电池的制备方法，其特征在于包括以下具体步骤：把两个附生有藻菌的电极分别作为阳电极和阴电极，分别悬空于阳极室和阴极室中，通过钛丝与外电阻连接；阳极室和阴极室之间以横膈膜隔开，往阳极室和阴极室装入培养液，阳极室加入0.5g/L葡萄糖作为碳源，阴极室加入0.4g/L NaHCO3作为碳源，即得到藻菌微生物燃料电池。

8.根据权利要求1～6任一项所述的藻菌微生物燃料电池在降解偶氮染料污染物中的应用，其特征在于具体包括以下步骤：向阳极室加入偶氮染料，阳极室密封厌氧并用铝箔遮光，阴极室日光灯照射；运行过程中，阳极室通过绿藻暗反应生成的CO2维持厌氧，同时细菌以有机碳源为燃料产电并同步脱色偶氮燃料污染物；阴极室通过绿藻的光合作用原位供氧，提供电子受体；当周期完成后，反转电池电极，阳极室变换为阴极室，光照通过藻的光合作用原位供氧，偶氮染料的脱色产物在阳极室中好氧矿化；阴极室变换为阳极室，遮光、密封运行，全周期完成后，偶氮染料得到降解。

9.根据权利要求8所述的藻菌微生物燃料电池在降解偶氮染料污染物中的应用，其特征在于：所述的周期完成指偶氮染料污染物脱色完成，并检测到电池电压低于50mV；所述的全周期完成指脱色产物矿化完成，并检测到电池电压低于50mV。

说明书

一种藻菌微生物燃料电池及其制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明属于生物燃料电池技术领域，特别涉及一种藻菌微生物燃料电池及其制备方法和应用。

背景技术

[0002] 微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，简称微生物燃料电池）是一种利用微生物将有机物转变为电能的新型生物电化学装置，将其应用到废水处理领域，可以废水为燃料在降解有机污染物的同时直接产生电能，使废水得以净化资源化。

[0003] 有机污染物的生物降解通常涉及氧化还原反应，微生物燃料电池的厌氧生物阳极和好氧生物阴极可为多种难降解有机污染物的生物降解创造条件。研究表明，微生物燃料电池能同步增强降解多种难降解有机物，如偶氮染料、硝基苯、苯酚、柴油等，并同步产电，显示出较好的应用前景。

[0004] 偶氮染料作为应用最广泛的染料，占所有人工合成染料的80%以上。染料在制造过程中有2%随水流失，此外，染色过程中又有将近10%的染料流失。偶氮染料废水的大量排放导致了严重的环境污染，其高色度与周边环境形成鲜明的反差，极大的破坏了环境美观，且对水体生物具有毒害作用，导致其死亡。同时，偶氮染料及其降解产物又具有“三致”效应，对环境生物和人类健康造成了极大的潜在威胁。目前，偶氮染料废水的处理仍然存在技术上的挑战。物理化学法虽然能在短时内对偶氮染料废水实现较好的处理效果，然而高成本、高能耗、苛刻的反应条件和导致的二次污染问题限制了其大范围的应用。相比之下，生物法以其廉价、高效、绿色环保的优势成为当今研究的热点。偶氮染料的生物降解必须经过两步，首先厌氧生物还原脱色，脱色产物再经过好氧生物进一步矿化。偶氮染料生物降解存在问题是，细菌对偶氮染料脱色效率高，但对脱色产物的矿化率较低。

[0005] 利用微生物燃料电池同步降解难降解有机污染物和同步产电存在以下问题：

[0006] （1）基于微生物燃料电池运行原理，微生物燃料电池长期连续运行通常导致阳极酸化和阴极碱化。因此，普遍在微生物燃料电池阴阳极使用缓冲溶液，不仅增大了微生物燃料电池的运行费用，且广泛使用磷酸盐作为缓冲液也导致了环境水体的富营养化。尤其在应用微生物燃料电池长期大流量处理实际废水中，磷的排放量是相当巨大的。去除高强度的磷无论在经济还是技术上都是一个巨大的挑战。

[0007] （2）目前，微生物燃料电池普遍采用生物阴极替代传统的铂金催化阴极，降低成本的同时增强了微生物燃料电池运行的可持续性。然而，基于阴极微生物催化氧还原动力学的限制，阴极催化性能显著低于铂阴极。

[0008] （3）基于氧气的高氧化还原电势和易于获取，微生物燃料电池阴极通常以溶解氧作为电子受体，氧气的供应通过曝空气实现，需要消耗额外的能量，减少了微生物燃料电池净能量输出。

[0009] （4）应用微生物燃料电池阳极去除难降解有机污染物，在一定浓度范围内，某些难降解有机污染物对阳极产电菌有生理毒害作用，导致产电效率低下。

发明内容

[0010] 为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种藻菌微生物燃料电池。该藻菌微生物燃料电池在反转极性运行下可同步实现pH自缓冲、阴极原位供氧和高效产电。

[0011] 本发明另一目的在于提供一种上述藻菌微生物燃料电池的制备方法。

[0012] 本发明再一目的在于提供上述藻菌微生物燃料电池在降解偶氮染料污染物中的应用。将该藻菌微生物燃料电池应用于降解偶氮染料污染物，在增强偶氮染料降解的同时降低偶氮染料及其降解产物对阳极产电菌的生物毒性，使微生物燃料电池持续高效产电。

[0013] 本发明的目的通过下述方案实现：

[0014] 一种藻菌微生物燃料电池，包括阳极室、阴极室、横膈膜、阳电极、阴电极和外电路；阳极室和阴极室均装有藻菌、培养液和碳源。

[0015] 所述的藻菌微生物燃料电池在运作的过程中反复对换电极运作。

[0016] 当藻菌微生物燃料电池正向电极运作时，阳极室遮光、密封维持厌氧；阴极室光照，通过藻的光合作用供氧；

[0017] 当藻菌微生物燃料电池反转电极运作时，原先的阳极室变换为阴极室，光照，通过藻的光合作用供氧，阴极室变换为阳极室运行，遮光、密封维持厌氧。

[0018] 阳极室装有0.5g/L葡萄糖作为碳源。

[0019] 阴极室装有0.4g/L NaHCO3作为碳源。

[0020] 所述的藻菌指绿藻和产电菌的共生体。

[0021] 优选地，所述的绿藻指蛋白核小球藻（Chlorella vulgaris）。

[0022] 所述的产电菌指以污水处理厂的活性污泥接种（包含混合菌），在微生物电池阴极驯化出的和绿藻共生的混合产电菌群。

[0023] 所述的藻菌以生物膜的形式在电极表面生长。

[0024] 所述的藻菌由以下方法得到：

[0025] 采用两个单独的双室型微生物燃料电池分别在阴极培养藻菌共生电极。用质量比1:1混合的好氧污泥+厌氧污泥按体积比10%分别接种于电池的阳极和阴极；阳极添加以葡萄糖为有机碳源的培养液并密封维持厌氧，阴极则添加以NaHCO3为无机碳源的培养液并持续曝空气供氧，外接电阻，启动微生物燃料电池；待观察到重复稳定的电压输出，即细菌在电极表面形成成熟生物膜后，再向阴极加入预先培养好处于对数生长期的绿藻，接种量为阴极室体积的10%，并去除曝气，改用日光灯照射，继续培养，待观察到重复稳定的电压输出，即藻菌在阴极表面形成共生生物膜后，拆除微生物燃料电池，得到两个附生有藻菌的电极。

[0026] 所述的好氧污泥、厌氧污泥分别取自污水处理厂A2/O工艺的好氧段和厌氧段。

[0027] 所述培养 液的成 份为，无机 盐：0.2g/L NaNO3、0.04g/L K2HPO4、0.075g/L MgSO4·7H2O、0.075g/L CaCl·2H2O、0.006g/L柠檬酸、0.006g/L EDTA-Na2、0.31g/L NH4Cl、0.13g/L KCl；矿质元素12.5mL/L；维生素12.5mL/L。

[0028] 其中，所述矿质元素的成份为：1.5g/L NTAN(CH2COOH)3、0.1g/L FeSO4·7H2O、0.5g/L MnSO4·H2O、1g/L NaCl、0.1g/L CaCl2·2H2O、0.1g/L CoCl2·6H2O、0.13g/L ZnCl2、
0.01g/L CuSO4·5H2O、0.01g/L AlK(SO4)2·12H2O、0.01g/L H3BO3、0.025g/L Na2MoO4、0.024g/L NiCl2·6H2O、0.025g/L NaWO4·2H2O。

[0029] 所述维生素的成分为：0.002g/L维生素H、0.0001g/L维生素B12、0.005g/L叶酸、0.005g/L烟酸、0.01g/L维生素B6、0.0001g/L DL-泛酸钙、0.005g/L维生素B1、0.005g/L对氨基苯甲酸、0.005g/L维生素B2。

[0030] 所述的阴极室和阳极室的材料为高透光率、抗酸碱腐蚀的聚甲基丙烯酸甲酯。

[0031] 所述的阳电极和阴电极悬空于电极室中，紧贴外侧池壁。

[0032] 所述阳电极和阴电极的材料为多孔碳材料，阳电极和阴电极的材料可相同或不同。

[0033] 优选地，所述阳电极和阴电极的材料为石墨毡、介孔碳和碳纳米管中的至少一种。

[0034] 多孔碳材料具有大的比表面积，有利于藻菌附着生长。

[0035] 所述的横膈膜优选为阳离子交换膜或质子交换膜。

[0036] 所述的外电路指阴电极和阳电极通过钛丝与外电阻相连。

[0037] 钛丝具有抗腐蚀、导电性能优良、廉价的优点。

[0038] 上述藻菌微生物燃料电池的制备方法，包括以下具体步骤：

[0039] 把两个附生有藻菌的电极分别作为阳电极和阴电极，分别悬空于阳极室和阴极室中，通过钛丝与外电阻连接；阳极室和阴极室之间以横膈膜隔开，往阳极室和阴极室装入培养液，阳极室加入0.5g/L葡萄糖作为碳源，阴极室加入0.4g/L NaHCO3作为碳源，即得到藻菌微生物燃料电池。

[0040] 将上述两个附生有藻菌的电极作为两个半电池的电极，构建得到可反转极性的全电池藻菌微生物燃料电池。

[0041] 上述藻菌微生物燃料电池在降解偶氮染料污染物中的应用，具体包括以下步骤：

[0042] 向阳极室加入偶氮染料，阳极室密封厌氧并用铝箔遮光，阴极室日光灯照射；运行过程中，阳极室通过绿藻暗反应生成的CO2维持厌氧，同时细菌以有机碳源为燃料产电并同步脱色偶氮燃料污染物；阴极室通过绿藻的光合作用原位供氧，提供电子受体；当周期完成后，反转电池电极，阳极室变换为阴极室，光照通过藻的光合作用原位供氧，偶氮染料的脱色产物在阳极室中好氧矿化；阴极室变换为阳极室，遮光、密封运行，全周期完成后，偶氮染料得到降解。

[0043] 所述的周期完成指偶氮染料污染物脱色完成，并检测到电池电压低于50mV。

[0044] 所述的全周期完成指脱色产物矿化完成，并检测到电池电压低于50mV。

[0045] 在阳极，以葡萄糖为共基质（电子供体），细菌厌氧氧化葡萄糖，获取电子，并传递给阳电极，电子再通过外电路循环到达阴极，与阴极的氧气反应生成水，电子流动形成电流而产电，同步脱色偶氮染料同步产电；反转极性后，原先的阳极变为阴极，其中的偶氮染料脱色液继续好氧矿化；而原先的阴极变为阳极，需要额外补充葡萄糖作为电子供体维持产电，这是因为阳极始终需要加入葡萄糖提供电子来产电，反转极性过程中，不更换溶液，只是阴极变换为阳极时，补充葡糖糖作为电子供体，用于产电，偶氮染料在最开始，即反转极性前就加入，反转极性后不再添加，即可实现持续降解偶氮染料、高效产电。整个过程借助藻菌的协同作用，实现偶氮染料污染物的全过程高效降解；通过交替单个电极降解偶氮染料污染物，消除偶氮染料污染物对产电菌的生理毒性效应，实现持续高效产电。

[0046] 偶氮染料污染物在阳极的厌氧脱色和脱色产物在阳极反转为阴极后的进一步好氧矿化在同一个电极中完成，因此，交替使用单个电极降解偶氮染料污染物可以避免长期使用一个电极来降解偶氮染料污染物对产电菌的生理毒害效应，确保电池持续高效产电。

[0047] 通过交替单电极降解偶氮染料，减轻偶氮染料及其脱色产物对产电菌的生理毒害+作用，使微生物燃料电池持续高效产电。采用周期反转极性的运行方式，阳极生成的H在- - +
反转极性后可中和新生成的OH，阴极生成的OH在反转极性后可中和新生成的H ，从而实现阴、阳极pH动态自缓冲，同时改善阴、阳极反应动力学，进行高效产电。

[0048] 本发明的机理为：

[0049] 本发明的藻菌微生物染料电池采用周期反转极性的运行方式，阳极生成的H+在反- - +转极性后可中和新生成的OH，阴极生成的OH在反转极性后可中和新生成的H ，从而实现阴、阳极pH动态自缓冲，消除缓冲液的使用，同时改善阴、阳极反应动力学，进行高效产电。
将其应用与降解偶氮染料污染物。首先利用阳极对偶氮染料污染物进行厌氧脱色，再通过反转电极，利用阴极对偶氮染料脱色产物进一步好氧矿化。通过藻菌的协同作用对偶氮染料污染物进行全过程高效降解。通过交替单电极降解偶氮染料污染物，减轻偶氮染料污染物及其脱色产物对产电菌的生理毒害作用，使微生物燃料电池持续高效产电。

[0050] 本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：

[0051] （1）本发明的藻菌微生物燃料电池通过反转电极极性，将阳极产生的H+和阴极产-生的OH转换为各自电极的反应物，实现阴、阳极pH的动态自缓冲，取消了缓冲液的添加，在消除二次污染的同时降低了微生物燃料电池运行成本，并从反应动力学上改善阴、阳极性能，整体提升微生物燃料电池产电功率输出。

[0052] （2）本发明的藻菌微生物燃料电池的藻菌协同作用增强偶氮染料降解的同时，偶氮染料及其降解产物又可作为电子介体，加速阴阳极的电子传递，同步实现偶氮染料的强化降解和高效产电。整个过程借助藻菌的协同作用，实现偶氮染料污染物的全过程高效降解；通过交替单个电极降解偶氮染料污染物，消除偶氮染料污染物对产电菌的生理毒性效应，实现持续高效产电。

[0053] （3）通过单电极交替降解偶氮染料解除产电菌活性抑制的同时，将暗反应下厌氧脱色偶氮染料与光反应下好氧矿化脱色产物在同一生物电极中连续完成，简化操作，同时实现偶氮染料的原位高效降解、双电极pH动态自缓冲和高效产电。

[0054] （4）阴、阳电极均采用藻菌作为生物催化剂，无任何金属催化剂修饰和外源人工介体的添加，无需曝气，极大的降低了微生物燃料电池构建与运行成本，增强了微生物燃料电池可持续性，有利于工业放大。

附图说明

[0055] 图1为本发明藻菌微生物燃料电池的结构示意图。其中：1为电极，2为pH计插孔，3为参比电极插孔，4为排气孔，5为取样孔，6为外电阻，7为溶解氧探头插孔，8为排水口，9为夹板，10为横膈膜，11为人工光源。

[0056] 图2为藻菌微生物燃料电池运作中电压与pH关系图。

[0057] 图3为藻菌微生物燃料电池对偶氮染料污染物的降解曲线。其中，A为正向极性时，阳极室中偶氮染料污染物的脱色曲线，B为反转极性，阳极室变为阴极室后，对脱色产物的进一步矿化曲线。

具体实施方式

[0058] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0059] 实施例1

[0060] （1）微生物燃料电池的结构与组装

[0061] 如图1所示，本发明的藻菌微生物燃料电池由透光性好、耐腐蚀和易于加工的聚甲基丙烯酸甲酯材料构成，使藻易于接受光照进行光合作用。池体分为两室，中间通过阳离子交换膜（或质子交换膜）（10）分隔，两室中均包含电极（1），电极材料为比表面积大的多孔碳材料，便于藻菌在其表面和内部以生物膜的形式附着生长。两电极相对中间隔膜平行靠池体外侧安置，便于藻类接触光照，并通过钛丝与外电阻（6）相连，构成回路。整个池体通过夹板（9）及螺丝固定。池体顶端开口设置便于运行监控、数据的采集和取样分析，包括：pH探头插孔（2）、参比电极插孔（3）、溶解氧探头插孔（7）、取样孔（5），通过橡胶塞固定于顶盖，同时保持池体的气密性。顶盖额外设置一个带减压阀的排气孔（4）便于内部气体的排出。池体侧面底端设置排水口（8）便于室内液体排出，运行时用止水夹夹紧。单侧通过人工光源（11）照射，为藻类光合作用提供光源。

[0062] （2）藻菌微生物燃料电池的构建

[0063] 采用两个单独的双室型微生物燃料电池分别在阴极培养藻菌共生电极，再重新组合成全电池的方式构建藻菌双电极微生物燃料电池。

[0064] 步骤一：产电菌生物膜电极的培养。采用两个同等的双室型微生物燃料电池，分别将按1:1比例混合且通过筛网过滤的好氧污泥+厌氧污泥加入微生物燃料电池的两2
个极室（所用的好氧污泥、厌氧污泥分别取自广州猎德污水处理厂A/O工艺的好氧段和厌氧段），并添加藻菌培养液，其成份为：无机盐：0.2g/L NaNO3、0.04g/L K2HPO4、0.075g/L MgSO4·7H2O、0.075g/L CaCl·2H2O：、0.006g/L柠 檬酸、0.006g/L EDTA-Na2、0.31g/L NH4Cl、0.13g/L KCl；矿质元素（12.5mL/L）：1.5g/L NTAN(CH2COOH)3、0.1g/L FeSO4·7H2O、
0.5g/L MnSO4·H2O、1g/L NaCl、0.1g/L CaCl2·2H2O、0.1g/L CoCl2·6H2O、0.13g/L ZnCl2、
0.01g/L CuSO4·5H2O、0.01g/L AlK(SO4)2·2H2O、0.01g/L H3BO3、0.025g/L Na2MoO4、0.024g/L NiCl2·6H2O、0.025g/L NaWO4·2H2O；维生素（12.5mL/L）：0.002g/L维生素H、0.0001g/L维生素B12、0.005g/L叶酸、0.005g/L烟酸、0.01g/L维生素B6、0.0001g/L DL-泛酸钙、
0.005g/L维生素B1、0.005g/L对氨基苯甲酸、0.005g/L维生素B2。同时，在阳极添加0.5g/L葡萄糖，阴极添加0.4g/L NaHCO3，作为阴、阳极碳源。运行时，将阴、阳极与500欧电阻相连，阳极密封，阴极曝空气，同时用外接数据采集器的电脑监控和采集微生物燃料电池输出电压，电压低于50mV更换阴、阳极溶液。

[0065] 步骤二：藻菌共生生物膜电极的培养。在上述运行方式下观察到重复三个周期以上稳定电压输出后（产电菌生物膜形成），在新的周期分别向两个微生物燃料电池的阴极投加25mL（10%体积）预先培养好的处于对数生长期的绿藻（此处所用绿藻为蛋白核小球藻（Chlorella vulgaris）FACHB-5，购于中科院水生生物研究所），去除曝气，改用日光灯从阴极侧面照射，利用藻的光合作用为阴极原位供氧，开始新的运行周期。

[0066] 步骤三：藻菌双电极微生物燃料电池的组装。待上述运行方式下再次观察到重复三个周期以上稳定电压输出后（藻菌共生生物膜形成）拆除两个微生物燃料电池，将培养好的两个微生物燃料电池的藻菌共生阴极重新组装一个全新的藻菌共生双电极微生物燃料电池。

[0067] （3）藻菌微生物燃料电池的运行及应用于降解偶氮染料污染物

[0068] 藻菌微生物燃料电池周期反转极性同步pH自缓冲和产电，并应用于降解偶氮染料污染物。在阳极加入0.3g/L刚果红偶氮染料、0.5g/L葡萄糖和藻菌培养液，阴极加入0.4g/L NaHCO3和藻菌培养液，不添加染料。阳极用橡胶塞密封维持厌氧并用铝箔遮光，阴极开放并用日光灯照射。阴、阳极通过500欧姆电阻连接构成回路，并用连接电脑的数据采集器实时监控和记录电压，运行过程中，阳极pH逐渐降低、阴极pH逐渐升高，同时伴随着偶氮染料脱色和产电。待周期结束后（偶氮染料脱色完全，电压低于50mV）反转极性，阳极拆除铝箔加入NaHCO3至浓度为0.4g/L作为碳源并进行光照反转为阴极运行（继续好氧降解偶氮染料脱色液），而阴极则密封、光照和添加葡萄糖至浓度为0.5g/L作为碳源反转为阳极运行，运行过程中阳极（对应上个周期的阴极）pH降低、阴极（对应上个周期的阳极）pH升高，从而实现阴、阳极pH同时自缓冲，并同步降解偶氮染料脱色产物和产电。当电压低于50mV时周期结束，更换阴、阳极溶液。至此，完成一个完整的大循环周期，之后再更换电极降解偶氮染料，实现两电极交替降解偶氮染料，缓解偶氮染料及其降解产物对产电菌的生物毒性。

[0069] 微生物燃料电池反转极性运行过程中的pH和电压输出随时间变化如图2所示。反转前，随着微生物燃料电池的运行，阳极逐渐酸化，pH降到了5～6，阴极则逐渐碱化，pH升高到9.0～9.5。在反转极性后，阳极（新的阴极）pH逐渐回升并达到8.8～9.2，阴极（新的阳极）pH则逐渐下降到6.5～6.7，实现了阴、阳极pH的自缓冲。同时，微生物燃料电池产生了最大0.3V左右的电压输出。由图3可见，伴随着pH的自缓冲和产电，刚果红偶氮染料污染物在阳极48小时后脱色率达90%以上，阳极反转为阴极继续好氧降解脱色产物，周期末（120h）矿化率可达65%。相对于传统偶氮染料废水生物处理装置，本发明的微生物燃料电池电池具有更高的偶氮染料降解效能。

[0070] 与传统的偶氮染料处理技术和现有微生物燃料电池技术相比，本发明的微生物燃料电池无需额外添加缓冲液和任何外源人工电子介体，无需阴极曝气供氧，操作简便，可在较低运行成本下实现偶氮染料的全程高效降解，同时额外获取高的净产电效能。

[0071] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。