在微生物电化学反应器阳极构建电催化细菌生物膜的方法

摘要

本发明涉及一种在微生物电化学反应器阳极构建电催化细菌生物膜的方法，步骤如下：先组装微生物电化学反应器并连接电路，第一路为在阳极与阴极之间串联固定电阻，第二路为在阳极与阴极之间串联直流稳压电源、电流表、可变电阻器和循环时间继电器的工作触头；然后向阳极室注入细菌生长培养基液并接种菌源，接通第一路对微生物阳极进行预启动，测量阳极电势变化得到极化曲线，确定阳极的极限电流值；接着以脉冲极限电流刺激电催化细菌生物膜生长后，再次得到新极限电流值，然后在新极限脉冲电流下进行下一轮刺激，如此反复直至极限电流无明显增长，阳极电催化细菌生物膜即构建完成，该电催化细菌生物膜能够在较高工作电流下稳定运行。

权利要求

1.一种在微生物电化学反应器阳极构建电催化细菌生物膜的方法，其特征在于，依次包括如下步骤：⑴组装微生物电化学反应器，所述微生物电化学反应器包括阳极室和阴极室；⑵连接电路元件，电路元件包括选择开关、固定电阻、直流稳压电源、电流表、可变电阻器、循环时间继电器和辅助直流电源，所述选择开关的共端与所述阳极连接，所述选择开关的第一选择端与所述固定电阻串联后与所述阴极连接，所述选择开关的第二选择端依次与所述直流稳压电源、电流表、可变电阻器和所述循环时间继电器的工作触头串联后与所述阴极连接，所述循环时间继电器的线圈通过辅助开关连接在所述辅助直流电源的两端；⑶微生物阳极预启动，向所述微生物电化学反应器的阳极室注入细菌生长培养基液将阳极浸没，再向所述阳极室中接种含产电菌的微生物菌源，接着将所述选择开关拨至与第一选择端接通，使阳极通过固定电阻与阴极电连接，对微生物阳极进行预启动；⑷连续测量微生物阳极在预启动过程中的阳极电势变化，阳极电势变化依次分为三个阶段，第一阶段为缓慢下降阶段，阳极电势处于高位在2～7天内共下降小于0.1V；第二阶段为快速下降阶段，阳极电势在10～20小时内下降0.2V～0.6V；第三阶段为平稳变化阶段，阳极电势变化的幅度稳定在±0.03V以内达10小时以上，当阳极电势变化到达第三阶段即为微生物阳极预启动完成，阳极的电催化细菌生物膜初步构建完成；⑸断开选择开关，采用线性扫描伏安法测量微生物阳极的极化曲线，测量时以阴极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，将阳极电势从-0.6V扫描到0V，根据扫描得到的电流-电势图确定阳极的极限电流值；⑹利用公式R=U/I计算进行脉冲电流刺激时所需要可变电阻器的工作阻值，其中U为所述直流稳压电源的输出电压，I为步骤⑸测得的极限电流值，然后调整所述可变电阻器至计算得到的工作阻值下；再调节循环时间继电器的通断时间控制脉冲电流的脉冲宽度和通断时间比，所述通断时间比为(0.5～1)秒∶1秒；接着将所述选择开关拨至与第二选择端接通，同时接通所述辅助开关，使设定好的极限脉冲电流对微生物阳极进行电流刺激，电催化细菌生物膜在上述电流刺激下生长和发展30～40小时；⑺断开所述选择开关，以步骤⑸的方法再次测量微生物阳极新的极化曲线，得到新的更高的极限电流值，然后按步骤⑹的方法在新的极限脉冲电流下再对微生物阳极进行进一步极限脉冲电流刺激，如此反复循环；⑻当重复的极限脉冲电流刺激后，根据步骤⑸的方法得到的极化曲线与上一轮的极化曲线相比，极限电流值的增长低于5%，阳极电催化细菌生物膜即构建完成。

2.根据权利要求1所述的一种在微生物电化学反应器阳极构建电催化细菌生物膜的方法，其特征在于：所述固定电阻的阻值为500欧姆，所述可变电阻器的阻值在0～40000欧姆范围内可调，所述直流稳压电源的输出电压在24V以上。

3.根据权利要求1所述的一种在微生物电化学反应器阳极构建电催化细菌生物膜的方法，其特征在于，所述细菌生长培养基液的原料组分及重量含量如下：氯化钾∶氯化钠∶氯化钙∶氯化镁∶碳酸氢钠∶氯化铵∶磷酸二氢钠∶硫酸镁：七水硫酸亚铁：四水氯化锰：二水钼酸钠：酵母汁：醋酸钠：水=(0.05～0.15)∶(0.05～0.15)∶(0.05～

0.15)∶(0.05～0.15)∶(2.0～3.0)∶(1.0～2.0)∶(0.5～1.0)∶(0.05～0.15)：

(0.001～ 0.005)：(0.001～ 0.005)：(0.001 ～ 0.005)：(0.05 ～ 0.1)：(1.6 ～ 3.2)：

1000。

4.根据权利要求1所述的一种在微生物电化学反应器阳极构建电催化细菌生物膜的方法，其特征在于：阴极溶液包括50 mM K3Fe(CN)6 和 100 mM KH2PO4。

5.根据权利要求1所述的一种在微生物电化学反应器阳极构建电催化细菌生物膜的方法，其特征在于：所述微生物菌源为城市生活污水处理厂活性污泥或淡水环境沉积物中的含产电菌的微生物菌源，接种量按每升所述细菌生长培养基液中接种所述活性污泥或所述沉积物50～100克。

6.根据权利要求1所述的一种在微生物电化学反应器阳极构建电催化细菌生物膜的方法，其特征在于：所述步骤⑸中采用线性扫描伏安法测量微生物阳极的极化曲线时，电势扫描速率控制在0.1mV/s以下。

说明书

在微生物电化学反应器阳极构建电催化细菌生物膜的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种在微生物电化学反应器阳极构建电催化细菌生物膜的方法，属于微生物电化学反应器技术领域。

背景技术

[0002] 微生物电化学反应器包括微生物燃料电池、微生物电解池和微生物电化学传感器等。在微生物电化学反应器中，附着在电极表面的电催化细菌生物膜的电催化活性和运行稳定性是决定反应器性能的关键部件，稳定高效的电催化细菌生物膜可提高微生物燃料电池和微生物电解池的能量效率，提高微生物电化学传感器信号响应的灵敏度。电催化细菌生物膜是由具有完整生命代谢功能的产电细菌(有时还包括非产电细菌)细胞及胞外物质共同形成的具有一定空间结构的细胞堆积层。在生物电化学反应器的电极表面上，细菌生物膜具有将反应底物氧化分解，并将氧化过程释放的电子传递到电极上形成电流的电化学催化功能。

[0003] 目前，在微生物电化学反应器阳极构建电催化细菌生物膜的方法有两种。第一种是恒外阻模式的构建方法，主要步骤有：(1)将细菌接种源接种到反应器的阳极室中，细菌接种源包括取自环境沉积物、污水生物处理厂中的含产电菌的污泥以及在实验室条件下培养出来的含产电菌的培养菌等；(2)将阳极通过某一定值外电阻与阴极接通，构成闭合电路，利用接种到阳极室的细菌在电极表面上进行的适应性生长，形成电催化细菌生物膜。

[0004] 第二种是恒电极电势模式的构建方法，主要步骤有：(1)将细菌接种源接种到反应器的阳极室中，细菌接种源包括取自环境沉积物、污水生物处理厂中的含产电菌的污泥以及在实验室条件下培养出来的含产电菌的培养菌等；(2)利用恒电位仪和参比电极控制阳极电势保持某一恒定值，使接种到阳极室中的细菌在电极表面进行适应性生长，形成电催化细菌生物膜。虽然两种方法的电化学控制方法不同，但两种方法实质上都是利用细菌对阳极电势的适应性生长，达到构建电催化细菌生物膜的目的。

[0005] 以上两种构建电催化细菌生物膜的方法的不同之处是：在第一种方法中，细菌适应的是动态变化的电势。根据目前公开的资料，利用第一种方法在阳极表面构建电催化活性生物膜过程中，阳极电势(相对于标准氢电极)通常都在约+0.5V～-0.3V的范围内变化。在第二种方法中，细菌适应的是恒定的阳极电势，在生物膜形成过程中，通常将阳极电势保持在某一个固定数值，根据相关资料，在第二种构建方法中，也基本上都是在+0.5V～-0.3V (相对于标准氢电极)的范围内选定一个恒定的阳极电势培养阳极生物膜。

[0006] 利用电势适应方法构建出来的电催化细菌生物膜，普遍存在如下不足：(1) 电极能达到的极限工作电流较小，电催化效率低；(2) 电催化细菌生物膜对较高工作电流的承受能力差，当通过电极的工作电流接近或超过其极限电流时，电极会被迅速过度极化，过度极化会造成阳极电势在短时间内(通常不超过10分钟)正移到+1.2V (相对于标准氢电极)以上，这样高的阳极电势会对细菌本身造成不可逆转的伤害，导致电催化细菌生物膜被破坏，失去催化功能。总之，利用电势适应法构建的电催化细菌生物膜，普遍存在着催化活性较小，对高工作电流适应性差的缺点，构建出来的电催化细菌生物膜，即使在营养物质充足的情况下，也无法在接近其极限电流水平的工作电流下连续稳定工作。因此，研发出具有较高催化活性和在较高工作电流下具有运行稳定性的电催化细菌生物膜的构建方法，对于开发稳定高效的生物电化学反应器具有重要的技术意义和广泛的应用推广价值。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种在微生物电化学反应器阳极构建电催化细菌生物膜的方法，能够在较高工作电流下稳定运行。

[0008] 为解决以上技术问题，本发明的一种在微生物电化学反应器阳极构建电催化细菌生物膜的方法，依次包括如下步骤：⑴组装微生物电化学反应器，所述微生物电化学反应器包括阳极室和阴极室；⑵连接电路元件，电路元件包括选择开关、固定电阻、直流稳压电源、电流表、可变电阻器、循环时间继电器和辅助直流电源，所述选择开关的共端与所述阳极连接，所述选择开关的第一选择端与所述固定电阻串联后与所述阴极连接，所述选择开关的第二选择端依次与所述直流稳压电源、电流表、可变电阻器和所述循环时间继电器的工作触头串联后与所述阴极连接，所述循环时间继电器的线圈通过辅助开关连接在所述辅助直流电源的两端；⑶微生物阳极预启动，向所述微生物电化学反应器的阳极室注入细菌生长培养基液将阳极浸没，再向所述阳极室中接种含产电菌的微生物菌源，接着将所述选择开关拨至与第一选择端接通，使阳极通过固定电阻与阴极电连接，对微生物阳极进行预启动；⑷连续测量微生物阳极在预启动过程中的阳极电势变化，阳极电势变化依次分为三个阶段，第一阶段为缓慢下降阶段，阳极电势处于高位在2～7天内共下降小于0.1V；第二阶段为快速下降阶段，阳极电势在10～20小时内下降0.2V～0.6V；第三阶段为平稳变化阶段，阳极电势变化的幅度稳定在±0.03V以内达10小时以上，当阳极电势变化到达第三阶段即为微生物阳极预启动完成，阳极的电催化细菌生物膜初步构建完成；⑸断开选择开关，采用线性扫描伏安法测量微生物阳极的极化曲线，测量时以阴极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，将阳极电势从-0.6V扫描到0V，根据扫描得到的电流-电势图确定阳极的极限电流值；⑹利用公式R=U/I计算进行脉冲电流刺激时所需要可变电阻器的工作阻值，其中U为所述直流稳压电源的输出电压，I为步骤⑸测得的极限电流值，然后调整所述可变电阻器至计算得到的工作阻值下；再调节循环时间继电器的通断时间控制脉冲电流的脉冲宽度和通断时间比，所述通断时间比为(0.5～1)秒∶1秒；接着将所述选择开关拨至与第二选择端接通，同时接通所述辅助开关，使设定好的极限脉冲电流对微生物阳极进行电流刺激，电催化细菌生物膜在上述电流刺激下生长和发展30～40小时；⑺断开所述选择开关，以步骤⑸的方法再次测量微生物阳极新的极化曲线，得到新的更高的极限电流值，然后按步骤⑹的方法在新的极限脉冲电流下再对微生物阳极进行进一步极限脉冲电流刺激，如此反复循环；⑻当重复的极限脉冲电流刺激后，根据步骤⑸的方法得到的极化曲线与上一轮的极化曲线相比，极限电流值的增长低于5%，本发明的阳极电催化细菌生物膜即构建完成。

[0009] 相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：⑴本发明的电路提供了两个回路，当选择开关拨至与第一选择端连接时，阳极通过固定电阻与阴极连接，微生物阳极得到预启动，经过三个阶段后，电催化细菌生物膜初步构建完成；当选择开关拨至与第二选择端连接时，同时接通辅助开关，循环时间继电器的线圈处于得电状态，循环时间继电器的工作触头进行循环的通断，实现脉冲电流源对微生物阳极的刺激。⑵利用极限脉冲电流方式对阳极电催化细菌生物膜进行刺激，一方面可实现对电催化细菌生物膜进行高电流刺激，另一方面，使用脉冲电流，电流通时间不超过1秒，否则会造成微生物阳极的过度极化，电流断时间不大于1秒，否则达不到对微生物阳极的充分电流刺激；通过调节合适的占空比，可有效地避免电催化细菌生物膜因阳极过度极化导致的损伤，使得电催化细菌生物膜可在高电流环境下，不断产生对高电流的适应性。⑶电催化细菌生物膜催化活性的强弱表现为在一定的电势范围和介质条件下生物膜可产生的催化电流大小，催化电流大，则催化活性强；本发明提供的极限脉冲电流刺激法相比于电势适应法，可将电催化细菌生物膜的催化活性提高一倍以上。⑷利用本发明提供的极限脉冲电流刺激法，可加快电催化细菌生物膜在阳极表面的发展进程，并且增大了电催化细菌膜在阳极表面的覆盖度和生物膜厚度，使得电催化细菌生物膜的工作运行稳定性增强。⑸本发明提供的极限脉冲电流刺激法构建电催化细菌生物膜，并不局限于特定的细菌源和细菌类群，利用不同的环境菌源，包括不同环境中天然沉积物和污水处理厂活性污泥，均可在生物电化学反应器中，利用本发明构建出性能优于电势适应法得到的电催化细菌生物膜。

[0010] 作为本发明的优选方案，所述固定电阻的阻值为500欧姆，所述可变电阻器的阻值在0～40000欧姆范围内可调，所述直流稳压电源的输出电压在24V以上。

[0011] 作为本发明的优选方案，所述细菌生长培养基液的原料组分及重量含量如下：氯化钾∶氯化钠∶氯化钙∶氯化镁∶碳酸氢钠∶氯化铵∶磷酸二氢钠∶硫酸镁：七水硫酸亚铁：四水氯化锰：二水钼酸钠：酵母汁：醋酸钠：水=(0.05～0.15)∶(0.05～
0.15)∶(0.05～0.15)∶(0.05～0.15)∶(2.0～3.0)∶(1.0～2.0)∶(0.5～
1.0)∶(0.05～0.15)：(0.001～0.005)：(0.001～0.005)：(0.001～ 0.005)：(0.05～
0.1)：(1.6～3.2)：1000。氯化钾、氯化钠、氯化钙、氯化镁、碳酸氢钠、氯化铵、磷酸二氢钠和硫酸镁为常量无机盐，一方面用于补充细菌生长所需的钾、钠、钙、镁、碳、氮、磷、硫元素，另一方面，还具有调控培养液的离子强度和导电能力；如上的配比使培养液保持总离子浓度为30 mM～40 mM，电导率为1.5 mS/cm～3.0 mS/cm；其中碳酸氢钠和磷酸二氢钠除分别用作细菌生长的无机碳源和磷源外，还具有缓冲培养液的pH的作用。七水硫酸亚铁、四水氯化锰和二水钼酸钠分别补充培养液所需的微量元素铁、锰和钼。酵母汁为培养液中的生长因子；醋酸钠作为有机底物，是细菌生长所需的能源物质，以上组分及重量比可以使产电菌在极限电流刺激下在阳极较好地生长和发展。

[0012] 作为本发明的优选方案，所述阴极溶液包括50 mM K3Fe(CN)6 和 100 mM KH2PO4。

[0013] 作为本发明的优选方案，所述微生物菌源为城市生活污水处理厂活性污泥或淡水环境沉积物中的含产电菌的微生物菌源，接种量按每升所述细菌生长培养基液中接种所述活性污泥或所述沉积物50～100克。

[0014] 作为本发明的优选方案，所述步骤⑸中采用线性扫描伏安法测量微生物阳极的极化曲线时，电势扫描速率控制在0.1mV/s以下。该电势扫描速率可以避免过大的充电电流的影响，能够准确得到微生物阳极的极限电流值。

附图说明

[0015] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，附图仅提供参考与说明用，非用以限制本发明。

[0016] 图1为本发明的微生物电化学反应器的电路连接示意图。

[0017] 图2为微生物阳极在预启动过程中的阳极电势变化图。

[0018] 图3为未经极限脉冲电流刺激发展出的电催化细菌生物膜。

[0019] 图4为微生物阳极预启动后的极化曲线图。

[0020] 图5为微生物阳极在极限脉冲电流刺激后的极化曲线图。

[0021] 图6为经极限脉冲电流刺激发展出的电催化细菌生物膜。

[0022] 图中：QS1.选择开关；QS2.辅助开关；R0.固定电阻；DV1.直流稳压电源；DV2.辅助直流电源；A.电流表；RX.可变电阻器；KT.循环时间继电器。

具体实施方式

[0023] 实施例一

[0024] 本发明在微生物电化学反应器阳极构建电催化细菌生物膜的方法，依次包括如下步骤：

[0025] ⑴组装微生物电化学反应器，微生物电化学反应器包括阳极室和阴极室。

[0026] ⑵如图1所示连接电路元件，电路元件包括选择开关QS1、阻值为500Ω的固定电阻R0、输出电压为24V的直流稳压电源DV1 、电流表A、阻值在0～40000欧姆范围内可调的可变电阻器RX、辅助开关QS2和通/断时间比在(0.1s～10 s)∶(0.1s～10 s)范围内可调的循环时间继电器KT，选择开关QS1的共端与阳极连接，选择开关QS1的第一选择端与固定电阻R0串联后与阴极连接，选择开关QS1的第二选择端依次与直流稳压电源DV1、电流表A、可变电阻器RX和循环时间继电器KT的工作触头串联后与阴极连接，循环时间继电器KT的线圈通过辅助开关QS2连接在辅助直流电源DV2的两端。

[0027] ⑶微生物阳极预启动，向微生物电化学反应器的阳极室注入细菌生长培养基液将阳极浸没，向微生物电化学反应器的阴极室注入阴极溶液将阴极浸没，再向阳极室中接种含产电菌的微生物菌源，接着将选择开关QS1拨至与第一选择端接通使阳极通过固定电阻R0与阴极电连接，对微生物阳极进行预启动。

[0028] 细菌生长培养基液的原料组分及重量含量如下：氯化钾∶氯化钠∶氯化钙∶氯化镁∶碳酸氢钠∶氯化铵∶磷酸二氢钠∶硫酸镁：七水硫酸亚铁：四水氯化锰：二水钼酸钠：酵母汁：醋酸钠：水=0.08∶0.07∶0.07∶0.08∶2.5∶1.5∶0.7∶0.10：0.003：
0.003：0.003：0.08：2.4：1000。阴极溶液包括50 mM K3Fe(CN)6 和 100 mM KH2PO4。

[0029] 微生物菌源为城市生活污水处理厂活性污泥中含产电菌的微生物菌源，接种量按每升细菌生长培养基液中接种活性污泥80克。

[0030] ⑷连续测量微生物阳极在预启动过程中的阳极电势变化，如图2所示，阳极电势变化依次分为三个阶段，第一阶段为缓慢下降阶段，阳极电势处于高位在65小时内共下降小于0.1V；第二阶段为快速下降阶段，阳极电势在20小时内下降0.6V；第三阶段为平稳变化阶段，阳极电势变化的幅度稳定在±0.03V以内达15小时，当阳极电势变化到达第三阶段即为微生物阳极预启动完成，阳极的电催化细菌生物膜初步构建完成，此时的电催化细菌生物膜如图3所示。

[0031] ⑸断开选择开关QS1，采用线性扫描伏安法测量微生物阳极的极化曲线，电势扫描速率控制在0.1mV/s以下，测量时以阴极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，将阳极电势从-0.6V扫描到0V，如图4所示，根据扫描得到的电流-电势图确定阳极的极限电流值，图中曲线的最高点对应的电流即为微生物阳极的极限电流。

[0032] ⑹利用公式R=U/I计算进行脉冲电流刺激时所需要可变电阻器RX的工作阻值，其中U为直流稳压电源DV1的输出电压，I为步骤⑸测得的极限电流值，然后调整可变电阻器RX至计算得到的工作阻值下；再调节循环时间继电器KT的通断时间控制脉冲电流的脉冲宽度和通断时间比，通断时间比为1秒∶1秒；接着将选择开关QS1拨至与第二选择端接通，同时接通辅助开关QS2，使设定好的极限脉冲电流对微生物阳极进行电流刺激，电催化细菌生物膜在上述电流刺激下生长和发展40小时。

[0033] ⑺断开选择开关QS1，以步骤⑸的方法再次测量微生物阳极新的极化曲线，得到新的更高的极限电流值，然后按步骤⑹的方法在新的极限脉冲电流下再对微生物阳极进行进一步极限脉冲电流刺激，如此反复循环；图5所示为第①次至第⑤次微生物阳极在类次极限脉冲电流刺激后的极化曲线图对比，每一轮的极限电流值均比上一轮有所提高。

[0034] ⑻当重复的极限脉冲电流刺激后，根据步骤⑸的方法得到的极化曲线与上一轮的极化曲线相比，极限电流值的增长低于5%，如图5中曲线④和曲线⑤所示，即极限电流不再有明显提高，本发明的阳极电催化细菌生物膜即构建完成，经极限脉冲电流刺激发展出的电催化细菌生物膜如图6所示。

[0035] 实施例二

[0036] 本发明在微生物电化学反应器阳极构建电催化细菌生物膜的方法，依次包括如下步骤：

[0037] ⑴装微生物电化学反应器，微生物电化学反应器包括阳极室和阴极室。

[0038] ⑵如图1所示连接电路元件，电路元件包括选择开关QS1、阻值为500Ω的固定电阻R0、输出电压为24V的直流稳压电源DV1 、电流表A、阻值在0～40000欧姆范围内可调的可变电阻器RX、辅助开关QS2和通/断时间比在(0.1s～10 s)∶(0.1s～10 s)范围内可调的循环时间继电器KT，选择开关QS1的共端与阳极连接，选择开关QS1的第一选择端与固定电阻R0串联后与阴极连接，选择开关QS1的第二选择端依次与直流稳压电源DV1、电流表A、可变电阻器RX和循环时间继电器KT的工作触头串联后与阴极连接，循环时间继电器KT的线圈通过辅助开关QS2连接在辅助直流电源DV2的两端。

[0039] ⑶微生物阳极预启动，向微生物电化学反应器的阳极室注入细菌生长培养基液将阳极浸没，向微生物电化学反应器的阴极室注入阴极溶液将阴极浸没，再向阳极室中接种含产电菌的微生物菌源，接着将选择开关QS1拨至与第一选择端接通使阳极通过固定电阻R0与阴极电连接，对微生物阳极进行预启动。

[0040] 细菌生长培养基液的原料组分及重量含量如下：氯化钾∶氯化钠∶氯化钙∶氯化镁∶碳酸氢钠∶氯化铵∶磷酸二氢钠∶硫酸镁：七水硫酸亚铁：四水氯化锰：二水钼酸钠：酵母汁：醋酸钠：水=0.05∶0.05∶0.05∶0.05∶2.0∶1.0∶0.5∶0.05：0.001：
0.001：0.001：0.05：1.6：1000。阴极溶液包括50 mM K3Fe(CN)6 和 100 mM KH2PO4。

[0041] 微生物菌源为淡水环境沉积物中含产电菌的微生物菌源，接种量按每升细菌生长培养基液中接种沉积物50克。

[0042] ⑷连续测量微生物阳极在预启动过程中的阳极电势变化，阳极电势变化依次分为三个阶段，第一阶段为缓慢下降阶段，阳极电势处于高位在2天内共下降小于0.1V；第二阶段为快速下降阶段，阳极电势在10小时内下降0.2V；第三阶段为平稳变化阶段，阳极电势变化的幅度稳定在±0.03V以内达10小时，当阳极电势变化到达第三阶段即为微生物阳极预启动完成，阳极的电催化细菌生物膜初步构建完成。

[0043] ⑸断开选择开关QS1，采用线性扫描伏安法测量微生物阳极的极化曲线，电势扫描速率控制在0.1mV/s以下，测量时以阴极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，将阳极电势从-0.6V扫描到0V，根据扫描得到的电流-电势图确定阳极的极限电流值，图中曲线的最高点对应的电流即为微生物阳极的极限电流。

[0044] ⑹利用公式R=U/I计算进行脉冲电流刺激时所需要可变电阻器RX的工作阻值，其中U为直流稳压电源DV1的输出电压，I为步骤⑸测得的极限电流值，然后调整可变电阻器RX至计算得到的工作阻值下；再调节循环时间继电器KT的通断时间控制脉冲电流的脉冲宽度和通断时间比，通断时间比为0.5秒∶1秒；接着将选择开关QS1拨至与第二选择端接通，同时接通辅助开关QS2，使设定好的极限脉冲电流对微生物阳极进行电流刺激，电催化细菌生物膜在上述电流刺激下生长和发展30小时。

[0045] ⑺断开选择开关QS1，以步骤⑸的方法再次测量微生物阳极新的极化曲线，得到新的更高的极限电流值，然后按步骤⑹的方法在新的极限脉冲电流下再对微生物阳极进行进一步极限脉冲电流刺激，如此反复循环，每一轮的极限电流值均比上一轮有所提高。

[0046] ⑻当重复的极限脉冲电流刺激后，根据步骤⑸的方法得到的极化曲线与上一轮的极化曲线相比，极限电流值的增长低于5%，即极限电流不再有明显提高，本发明的阳极电催化细菌生物膜即构建完成。

[0047] 实施例三

[0048] 本发明在微生物电化学反应器阳极构建电催化细菌生物膜的方法，依次包括如下步骤：

[0049] ⑴装微生物电化学反应器，微生物电化学反应器包括阳极室和阴极室。

[0050] ⑵如图1所示连接电路元件，电路元件包括选择开关QS1、阻值为500Ω的固定电阻R0、输出电压为24V的直流稳压电源DV1 、电流表A、阻值在0～40000欧姆范围内可调的可变电阻器RX、辅助开关QS2和通/断时间比在(0.1s～10 s)∶(0.1s～10 s)范围内可调的循环时间继电器KT，选择开关QS1的共端与阳极连接，选择开关QS1的第一选择端与固定电阻R0串联后与阴极连接，选择开关QS1的第二选择端依次与直流稳压电源DV1、电流表A、可变电阻器RX和循环时间继电器KT的工作触头串联后与阴极连接，循环时间继电器KT的线圈通过辅助开关QS2连接在辅助直流电源DV2的两端。

[0051] ⑶微生物阳极预启动，向微生物电化学反应器的阳极室注入细菌生长培养基液将阳极浸没，向微生物电化学反应器的阴极室注入阴极溶液将阴极浸没，再向阳极室中接种含产电菌的微生物菌源，接着将选择开关QS1拨至与第一选择端接通使阳极通过固定电阻R0与阴极电连接，对微生物阳极进行预启动。

[0052] 细菌生长培养基液的原料组分及重量含量如下，氯化钾∶氯化钠∶氯化钙∶氯化镁∶碳酸氢钠∶氯化铵∶磷酸二氢钠∶硫酸镁：七水硫酸亚铁：四水氯化锰：二水钼酸钠：酵母汁：醋酸钠：水=0.15∶0.15∶0.15∶0.15∶3.0∶2.0∶1.0∶0.15：0.005：
0.005：0.005：0.1：3.2：1000。阴极溶液包括50 mM K3Fe(CN)6 和 100 mM KH2PO4。

[0053] 微生物菌源为城市生活污水处理厂活性污泥中的含产电菌的微生物菌源，接种量按每升细菌生长培养基液中接种活性污泥100克。

[0054] ⑷连续测量微生物阳极在预启动过程中的阳极电势变化，阳极电势变化依次分为三个阶段，第一阶段为缓慢下降阶段，阳极电势处于高位在7天内共下降小于0.1V；第二阶段为快速下降阶段，阳极电势在20小时内下降0.6V；第三阶段为平稳变化阶段，阳极电势变化的幅度稳定在±0.03V以内达12小时，当阳极电势变化到达第三阶段即为微生物阳极预启动完成，阳极的电催化细菌生物膜初步构建完成。

[0055] ⑸断开选择开关QS1，采用线性扫描伏安法测量微生物阳极的极化曲线，电势扫描速率控制在0.1mV/s以下，测量时以阴极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，将阳极电势从-0.6V扫描到0V，根据扫描得到的电流-电势图确定阳极的极限电流值，图中曲线的最高点对应的电流即为微生物阳极的极限电流。

[0056] ⑹利用公式R=U/I计算进行脉冲电流刺激时所需要可变电阻器RX的工作阻值，其中U为直流稳压电源DV1的输出电压，I为步骤⑸测得的极限电流值，然后调整可变电阻器RX至计算得到的工作阻值下；再调节循环时间继电器KT的通断时间控制脉冲电流的脉冲宽度和通断时间比，通断时间比为1秒∶1秒；接着将选择开关QS1拨至与第二选择端接通，同时接通辅助开关QS2，使设定好的极限脉冲电流对微生物阳极进行电流刺激，电催化细菌生物膜在上述电流刺激下生长和发展40小时。

[0057] ⑺断开选择开关QS1，以步骤⑸的方法再次测量微生物阳极新的极化曲线，得到新的更高的极限电流值，然后按步骤⑹的方法在新的极限脉冲电流下再对微生物阳极进行进一步极限脉冲电流刺激，如此反复循环，每一轮的极限电流值均比上一轮有所提高。

[0058] ⑻当重复的极限脉冲电流刺激后，根据步骤⑸的方法得到的极化曲线与上一轮的极化曲线相比，极限电流值的增长低于5%，即极限电流不再有明显提高，本发明的阳极电催化细菌生物膜即构建完成。

[0059] 实施例四

[0060] 本发明在微生物电化学反应器阳极构建电催化细菌生物膜的方法，依次包括如下步骤：

[0061] ⑴装微生物电化学反应器，微生物电化学反应器包括阳极室和阴极室。

[0062] ⑵如图1所示连接电路元件，电路元件包括选择开关QS1、阻值为500Ω的固定电阻R0、输出电压为24V的直流稳压电源DV1 、电流表A、阻值在0～40000欧姆范围内可调的可变电阻器RX、辅助开关QS2和通/断时间比在(0.1s～10 s)∶(0.1s～10 s)范围内可调的循环时间继电器KT，选择开关QS1的共端与阳极连接，选择开关QS1的第一选择端与固定电阻R0串联后与阴极连接，选择开关QS1的第二选择端依次与直流稳压电源DV1、电流表A、可变电阻器RX和循环时间继电器KT的工作触头串联后与阴极连接，循环时间继电器KT的线圈通过辅助开关QS2连接在辅助直流电源DV2的两端。

[0063] ⑶微生物阳极预启动，向微生物电化学反应器的阳极室注入细菌生长培养基液将阳极浸没，向微生物电化学反应器的阴极室注入阴极溶液将阴极浸没，再向阳极室中接种含产电菌的微生物菌源，接着将选择开关QS1拨至与第一选择端接通使阳极通过固定电阻R0与阴极电连接，对微生物阳极进行预启动。

[0064] 细菌生长培养基液的原料组分及重量含量如下：氯化钾∶氯化钠∶氯化钙∶氯化镁∶碳酸氢钠∶氯化铵∶磷酸二氢钠∶硫酸镁：七水硫酸亚铁：四水氯化锰：二水钼酸钠：酵母汁：醋酸钠：水=0.05∶0.15∶0.05∶0.15∶2.5∶1.0∶1.0∶0.15：0.001：
0.005：0.001：0.1：2.0：1000。阴极溶液包括50 mM K3Fe(CN)6 和 100 mM KH2PO4。

[0065] 微生物菌源为淡水环境沉积物中含产电菌的微生物菌源，接种量按每升细菌生长培养基液中接种沉积物70克。

[0066] ⑷连续测量微生物阳极在预启动过程中的阳极电势变化，阳极电势变化依次分为三个阶段，第一阶段为缓慢下降阶段，阳极电势处于高位在3天内共下降小于0.1V；第二阶段为快速下降阶段，阳极电势在16小时内下降0.4V；第三阶段为平稳变化阶段，阳极电势变化的幅度稳定在±0.03V以内达13小时，当阳极电势变化到达第三阶段即为微生物阳极预启动完成，阳极的电催化细菌生物膜初步构建完成。

[0067] ⑸断开选择开关QS1，采用线性扫描伏安法测量微生物阳极的极化曲线，电势扫描速率控制在0.1mV/s以下，测量时以阴极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，将阳极电势从-0.6V扫描到0V，根据扫描得到的电流-电势图确定阳极的极限电流值，图中曲线的最高点对应的电流即为微生物阳极的极限电流。

[0068] ⑹利用公式R=U/I计算进行脉冲电流刺激时所需要可变电阻器RX的工作阻值，其中U为直流稳压电源DV1的输出电压，I为步骤⑸测得的极限电流值，然后调整可变电阻器RX至计算得到的工作阻值下；再调节循环时间继电器KT的通断时间控制脉冲电流的脉冲宽度和通断时间比，通断时间比为0.7秒∶1秒；接着将选择开关QS1拨至与第二选择端接通，同时接通辅助开关QS2，使设定好的极限脉冲电流对微生物阳极进行电流刺激，电催化细菌生物膜在上述电流刺激下生长和发展35小时。

[0069] ⑺断开选择开关QS1，以步骤⑸的方法再次测量微生物阳极新的极化曲线，得到新的更高的极限电流值，然后按步骤⑹的方法在新的极限脉冲电流下再对微生物阳极进行进一步极限脉冲电流刺激，如此反复循环，每一轮的极限电流值均比上一轮有所提高。

[0070] ⑻当重复的极限脉冲电流刺激后，根据步骤⑸的方法得到的极化曲线与上一轮的极化曲线相比，极限电流值的增长低于5%，即极限电流不再有明显提高，本发明的阳极电催化细菌生物膜即构建完成。

[0071] 实施例五

[0072] 本发明在微生物电化学反应器阳极构建电催化细菌生物膜的方法，依次包括如下步骤：

[0073] ⑴装微生物电化学反应器，微生物电化学反应器包括阳极室和阴极室。

[0074] ⑵如图1所示连接电路元件，电路元件包括选择开关QS1、阻值为500Ω的固定电阻R0、输出电压为24V的直流稳压电源DV1 、电流表A、阻值在0～40000欧姆范围内可调的可变电阻器RX、辅助开关QS2和通/断时间比在(0.1s～10 s)∶(0.1s～10 s)范围内可调的循环时间继电器KT，选择开关QS1的共端与阳极连接，选择开关QS1的第一选择端与固定电阻R0串联后与阴极连接，选择开关QS1的第二选择端依次与直流稳压电源DV1、电流表A、可变电阻器RX和循环时间继电器KT的工作触头串联后与阴极连接，循环时间继电器KT的线圈通过辅助开关QS2连接在辅助直流电源DV2的两端。

[0075] ⑶微生物阳极预启动，向微生物电化学反应器的阳极室注入细菌生长培养基液将阳极浸没，向微生物电化学反应器的阴极室注入阴极溶液将阴极浸没，再向阳极室中接种含产电菌的微生物菌源，接着将选择开关QS1拨至与第一选择端接通使阳极通过固定电阻R0与阴极电连接，对微生物阳极进行预启动。

[0076] 细菌生长培养基液的原料组分及重量含量如下：氯化钾∶氯化钠∶氯化钙∶氯化镁∶碳酸氢钠∶氯化铵∶磷酸二氢钠∶硫酸镁：七水硫酸亚铁：四水氯化锰：二水钼酸钠：酵母汁：醋酸钠：水=0.09∶0.08∶0.07∶0.09∶2.4∶1.8∶0.9∶0.07：0.002：
0.003：0.005：0.07：1.9：1000。阴极溶液包括50 mM K3Fe(CN)6 和 100 mM KH2PO4。

[0077] 微生物菌源为城市生活污水处理厂活性污泥中含产电菌的微生物菌源，接种量按每升细菌生长培养基液中接种活性污泥90克。

[0078] ⑷连续测量微生物阳极在预启动过程中的阳极电势变化，阳极电势变化依次分为三个阶段，第一阶段为缓慢下降阶段，阳极电势处于高位在4天内共下降小于0.1V；第二阶段为快速下降阶段，阳极电势在18小时内下降0.5V；第三阶段为平稳变化阶段，阳极电势变化的幅度稳定在±0.03V以内达18小时，当阳极电势变化到达第三阶段即为微生物阳极预启动完成，阳极的电催化细菌生物膜初步构建完成。

[0079] ⑸断开选择开关QS1，采用线性扫描伏安法测量微生物阳极的极化曲线，电势扫描速率控制在0.1mV/s以下，测量时以阴极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，将阳极电势从-0.6V扫描到0V，根据扫描得到的电流-电势图确定阳极的极限电流值，图中曲线的最高点对应的电流即为微生物阳极的极限电流。

[0080] ⑹利用公式R=U/I计算进行脉冲电流刺激时所需要可变电阻器RX的工作阻值，其中U为直流稳压电源DV1的输出电压，I为步骤⑸测得的极限电流值，然后调整可变电阻器RX至计算得到的工作阻值下；再调节循环时间继电器KT的通断时间控制脉冲电流的脉冲宽度和通断时间比，通断时间比为0.9秒∶1秒；接着将选择开关QS1拨至与第二选择端接通，同时接通辅助开关QS2，使设定好的极限脉冲电流对微生物阳极进行电流刺激，电催化细菌生物膜在上述电流刺激下生长和发展30小时。

[0081] ⑺断开选择开关QS1，以步骤⑸的方法再次测量微生物阳极新的极化曲线，得到新的更高的极限电流值，然后按步骤⑹的方法在新的极限脉冲电流下再对微生物阳极进行进一步极限脉冲电流刺激，如此反复循环，每一轮的极限电流值均比上一轮有所提高。

[0082] ⑻当重复的极限脉冲电流刺激后，根据步骤⑸的方法得到的极化曲线与上一轮的极化曲线相比，极限电流值的增长低于5%，即极限电流不再有明显提高，本发明的阳极电催化细菌生物膜即构建完成。

[0083] 实施例六

[0084] 本发明在微生物电化学反应器阳极构建电催化细菌生物膜的方法，依次包括如下步骤：

[0085] ⑴装微生物电化学反应器，微生物电化学反应器包括阳极室和阴极室。

[0086] ⑵如图1所示连接电路元件，电路元件包括选择开关QS1、阻值为500Ω的固定电阻R0、输出电压为24V的直流稳压电源DV1 、电流表A、阻值在0～40000欧姆范围内可调的可变电阻器RX、辅助开关QS2和通/断时间比在(0.1s～10 s)∶(0.1s～10 s)范围内可调的循环时间继电器KT，选择开关QS1的共端与阳极连接，选择开关QS1的第一选择端与固定电阻R0串联后与阴极连接，选择开关QS1的第二选择端依次与直流稳压电源DV1、电流表A、可变电阻器RX和循环时间继电器KT的工作触头串联后与阴极连接，循环时间继电器KT的线圈通过辅助开关QS2连接在辅助直流电源DV2的两端。

[0087] ⑶微生物阳极预启动，向微生物电化学反应器的阳极室注入细菌生长培养基液将阳极浸没，向微生物电化学反应器的阴极室注入阴极溶液将阴极浸没，再向阳极室中接种含产电菌的微生物菌源，接着将选择开关QS1拨至与第一选择端接通使阳极通过固定电阻R0与阴极电连接，对微生物阳极进行预启动。

[0088] 细菌生长培养基液的原料组分及重量含量如下：氯化钾∶氯化钠∶氯化钙∶氯化镁∶碳酸氢钠∶氯化铵∶磷酸二氢钠∶硫酸镁：七水硫酸亚铁：四水氯化锰：二水钼酸钠：酵母汁：醋酸钠：水=0.15∶0.05∶0.15∶0.08∶2.0∶2.0∶0.5∶0.08：0.003：
0.004：0.005：0.05：3.2：1000。阴极溶液包括50 mM K3Fe(CN)6 和 100 mM KH2PO4。

[0089] 微生物菌源为城市生活污水处理厂活性污泥中含产电菌的微生物菌源，接种量按每升细菌生长培养基液中接种活性污泥90克。

[0090] ⑷连续测量微生物阳极在预启动过程中的阳极电势变化，阳极电势变化依次分为三个阶段，第一阶段为缓慢下降阶段，阳极电势处于高位在4天内共下降小于0.1V；第二阶段为快速下降阶段，阳极电势在16小时内下降0.5V；第三阶段为平稳变化阶段，阳极电势变化的幅度稳定在±0.03V以内达10小时，当阳极电势变化到达第三阶段即为微生物阳极预启动完成，阳极的电催化细菌生物膜初步构建完成。

[0091] ⑸断开选择开关QS1，采用线性扫描伏安法测量微生物阳极的极化曲线，电势扫描速率控制在0.1mV/s以下，测量时以阴极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，将阳极电势从-0.6V扫描到0V，根据扫描得到的电流-电势图确定阳极的极限电流值，图中曲线的最高点对应的电流即为微生物阳极的极限电流。

[0092] ⑹利用公式R=U/I计算进行脉冲电流刺激时所需要可变电阻器RX的工作阻值，其中U为直流稳压电源DV1的输出电压，I为步骤⑸测得的极限电流值，然后调整可变电阻器RX至计算得到的工作阻值下；再调节循环时间继电器KT的通断时间控制脉冲电流的脉冲宽度和通断时间比，通断时间比为0.6秒∶1秒；接着将选择开关QS1拨至与第二选择端接通，同时接通辅助开关QS2，使设定好的极限脉冲电流对微生物阳极进行电流刺激，电催化细菌生物膜在上述电流刺激下生长和发展34小时。

[0093] ⑺断开选择开关QS1，以步骤⑸的方法再次测量微生物阳极新的极化曲线，得到新的更高的极限电流值，然后按步骤⑹的方法在新的极限脉冲电流下再对微生物阳极进行进一步极限脉冲电流刺激，如此反复循环，每一轮的极限电流值均比上一轮有所提高。

[0094] ⑻当重复的极限脉冲电流刺激后，根据步骤⑸的方法得到的极化曲线与上一轮的极化曲线相比，极限电流值的增长低于5%，即极限电流不再有明显提高，本发明的阳极电催化细菌生物膜即构建完成。

[0095] 以上所述仅为本发明之较佳可行实施例而已，非因此局限本发明的专利保护范围。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述。