一種檢測電促生物反硝化脫氮過程中電子轉移的裝置和方法
2023-05-13 12:38:31 1
專利名稱：一種檢測電促生物反硝化脫氮過程中電子轉移的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及電促生物反硝化脫氮處理技術領域，具體涉及一種檢測電促生物反硝化脫氮過程中電子轉移的裝置和方法。
背景技術：
近年來，電促生物強化技術作為一項新型水處理技術在反硝化脫 氮方面已成為國內外研究的熱點。目前這一技術的研究主要集中在基於提高去除效率的反應裝置設計和不同因素影響脫氮效果的考察上，關於微生物與電極間的電子轉移機理、微電場如何影響微生物活性及微生物分析等研究卻相對較少。現有研究發現一方面，電極可以為一些微生物的呼吸提供電子，N03_作為最終電子受體被微生物還原；另一方面，微生物通過呼吸代謝作用氧化降解有機化合物，可以將自身產生的電子傳遞給電極，從而生成有效電流。但電子從電極轉移到微生物跟微生物細胞中的電子轉移到電極這兩個過程不能實現簡單的逆轉，故研究微生物和電極相互之間的電子轉移具有重要的意義。目前，國內外學者對微生物燃料電池的研究發現電子轉移機理主要包括以下三個途徑利用細胞膜外表面的C-型細胞色素的直接電子轉移，額外投加電子中介體發生的間接電子轉移，通過微生物自身產生的「納米導線」的電子轉移。但現有關於微生物與電極間的相互電子轉移機理主要集中在微生物燃料電池這一塊，很少有關於電促生物強化系統(持續提供電源)中電子轉移機理和來自於電極的電子與no3_終端電子受體之間關係的研究，缺乏有效的機理研究裝置和方法。常見的生物膜反應器有平行板式反應器、陰陽分隔式反應器和圓筒式反應器，平行板式反應器的陰陽兩極相互平行，陰陽分隔式反應器的陰極和陽極分別置入相連的反應器中，圓筒式反應器的圓筒為陰極，生物膜固定在其內表面上，陽極置入圓通中心。這幾種反應器是廢水處理中常用的反應器，均能對廢水進行有效的脫氮，但是在其反應過程中，生物膜均過於分散，不能對反過程中電子的轉移進行有效檢測。
發明內容
本發明提供了一種檢測電促生物反硝化脫氮過程中電子轉移的裝置和方法，通過控制生物膜的掛膜面積可以有效的研究電促生物強化系統中微生物與電極間的電子轉移情況。—種檢測電促生物反硝化脫氮過程中電子轉移的裝置，包括由下至上依次疊置的底座、陰極電極片和反應槽，所述反應槽帶有注液腔，所述注液腔中插有陽極電極棒，所述注液腔底面設有通孔，所述通孔底部由所述陰極電極片封閉。所述陽極電極棒優選為石墨棒，所述陰極電極片優選為石墨片，工作時，所述石墨棒和石墨片與電源的輸出端連接，並串聯一個電流檢測儀或連接至電化學工作站，先向注液腔中注入含氮廢水，確定基準電流，即當電流檢測儀中檢測出的電流值穩定時，向含氮廢水中注射微生物，微生物由於重力的作用下落至通孔底部的石墨片上，反應過程中的電流變化通過電流檢測儀實時監測，當電流值穩定後終止反應，檢測廢水中的水體指標，通過電流值變化與最終水體指標確定反應過程中的電子轉移。通孔的橫截面積小於注液腔的橫截面積，優選的，所述注液腔與通孔的橫截面積比為1.5 5 1，通孔的小橫截面積有利於微生物在石墨片上形成小面積的生物膜，注液腔的較大空間有利於石墨棒的固定和營養液及微生物的添加。陰極水平、陽極豎直，陰陽兩極正交設置，使注射進去的微生物利用重力作用剛好落在水平石墨片上，這樣微生物與陰極電極緊密接觸、更容易在陰極上形成電極生物膜，大大地縮短了陰極的掛膜時間，並可以解決生物膜脫落等問題。由於通孔底部的面積確定且面積很小，可以使生物膜的面積確定且很小，這樣整個電極生物膜產生的本底電流值較小，使電極與生物膜間相互作用導致的電子轉移情況可以在電流檢測儀或電化學工作站上明顯反映出來，而不會存在微小電流變化被大的本底電流掩蓋的情況。最後結合水質指標的分析結果，能夠有效檢測電子轉移情況。本發明的裝置輕巧方便、便於安裝和卸載、不受場 地影響，巧妙的結構設計使微生物與電極緊密接觸，短時間內可以迅速掛膜，利於實驗的進行。優選地，所述通孔底部與所述陰極電極片接觸處設有環繞所述通孔的密封墊圈。密封墊圈將通孔底部與石墨片接觸處密封，防止反應液漏出。所述陰陽兩級電極相交設置，優選地，所述陽極電極棒垂直於所述陰極電極片。優選地，所述陽極電極棒底端與所述陰極電極片之間的距離為5 30mm，更優選地，為8 20mm。本發明還提供了一種利用所述裝置檢測電促生物反硝化脫氮過程中電子轉移的方法，包括(I)向反應槽的注液腔中加入含N03_的廢水，陽極電極棒與陰極電極片連接直流穩壓穩流電源，確定反應體系的基準電流；所述廢水的組成成分為10-200mg/LNOf-N，10_200mg/L NaHCO3,1-lOg/LK2HPO4,1. 5-15g/L KH2PO4和微生物生長所必需的微量元素。(2)向廢水中注射微生物，所述微生物下落至通孔底部，在陰極電極片上形成生物膜，進行反硝化脫氮反應，反應過程中實時監控反應體系的電流變化；電流變化通過電流檢測儀，優選為智能數顯萬用電錶或電化學工作站，電流檢測儀、電極及電源串聯連接。(3)當電流穩定後，終止反應，檢測廢水中N03_-N和N02_-N的濃度； (4)根據反應過程中的電流變化情況和反應結束後廢水中N03_-N和N02_-N的濃度確定反應過程中的電子轉移過程和速率。優選地，所述反硝化脫氮反應過程中的供電電壓為0. 5 4V，對應的電流密度一般為 0. 10 0. 40mA/cm2。供電電壓與電流成正比關係，通入的電流強度與電極生物膜反硝化速率有著密切的聯繫通入的電流強度越大，在電極產生的氣體量越多，自養反硝化菌可利用的營養源就越多，則反硝化速率提高，但並非電流強度越大越好，當通入電流強度超過極限電流強度時，微生物的活性受到明顯的抑制，反硝化速率反而下降。根據電流密度範圍和對應的電極生物膜面積，可以得到適宜的供電電壓範圍。優選地，所述廢水中微生物的終濃度為I 10mg/ml，更優選地，所述模擬廢水中微生物的終濃度為I 5mg/ml。微生物的終濃度直接反映的是陰極掛膜的生物膜量，生物膜量越大反硝化速率越快，反應活化內阻越低，裝置中的電流變化趨勢越明顯，也就可以更加有效的檢測反應過程中的電子轉移情況，但當微生物的終濃度繼續增大時，因為本發明裝置的陰極面積一定，它在一定電壓下提供的電子只能供內層微生物的生長代謝，外層的微生物無法跟電極直接接觸，導致裝置中總電阻的增加，反而還會影響no3_到電極的傳質過程和電子轉移過程，故本 發明中選擇I 10mg/ml,優選為I 5mg/ml。優選地，所述微生物在注入模擬廢水前進行通電馴化。通電馴化的微生物在電極電流的長期馴化下形態和生長代謝方式都發生了變化，能夠迅速有效地接受電極提供的電子進行缺氧呼吸並傳遞電子；而未通電馴化的微生物短時間內不能很快適應電流刺激的外在環境，無法很快接受電極提供的電子，也不能有效傳遞電子，因此本發明中優選通電馴化後的微生物。本發明的有益效果(I)本發明的裝置和方法可以有效、簡便、快速地在線研究電促生物反硝化脫氮過程中的電子轉移過程和速率；(2)本發明裝置獨創性的陰極水平、陽極豎直、陰陽兩電極正交的構造，打破了常規電化學裝置中陽極和陰極都是豎直放置的慣例，使注射進去的微生物利用重力作用剛好落在水平石墨工作電極上，這樣微生物與電極緊密接觸、更容易在陰極上形成電極生物膜，大大地縮短了陰極的掛膜時間，並可以解決生物膜脫落等問題，為電極生物膜反應器的設計提供了一種新思路；(3)整個裝置設計巧妙，製作精細，為研究微電場對微生物活性的作用機制、實時監測微生物與電極間的電子轉移過程提供了有力保障。電促生物反硝化脫氮電子轉移情況研究為電促生物強化技術更好地應用到實際工程中，實現清潔、低成本地高效脫氮提供了一定的依據，具有重要的理論價值和研究意義。
圖I是本發明的結構示意圖；圖2a和圖2b分別是本發明裝置在不同電壓下的電流變化曲線和對應的水質指標示意圖；圖3a和圖3b分別是本發明裝置在不同微生物濃度下電流變化曲線和對應的水質指標示意圖；圖4a和圖4b分別是本發明裝置在注射不同類型微生物下電流變化曲線和對應的水質指標不意圖。
具體實施方式
如圖I所示，一種檢測電促生物反硝化脫氮過程中電子轉移的裝置，包括底座9，底座9為圓柱形的實心結構，在底座9頂面設置與底座9相同直徑的圓柱形反應槽3，反應槽3的中心設有豎直向的注液腔2，注液腔2為圓柱形空腔，注液腔2的底部設置直徑小於注液腔2的通孔5，注液腔2與通孔5的內壁面交界處形成環形臺階，注液腔2與通孔5的直徑比為1.5 5 1，本實施方式中，注液腔2與通孔5的直徑比為3 I。
陰極電極片8 (本實施方式中選擇石墨片)設置在底座9的頂面和反應槽3的底面之間，底座9上和反應槽3的實心部分對應位置均設有螺絲孔4，底座9和反應槽3之間通過長螺絲釘10固定，將石墨片夾持在底座9與反應槽3底部之間，將通孔5的底部封閉，通孔5與石墨片的接觸處設置繞通孔2設置密封墊圈6，防止反應過程中反應液漏出。陽極電極棒I (本實施方式中選擇石墨棒)豎直插入注液腔2中，底端伸入通孔5中，與石墨片之間的間距可以設置為5 30mm,本實施方式中設置為IOmm,頂端通過固定裝置固定在反應槽3上。工作時，將石墨片和石墨棒分別連接直流穩壓穩流電源的負極和正極，並串聯一個智能數顯萬能電錶，向注液腔2中注入營養液(含NO3-的模擬廢水)，確定基準電流，即當智能數顯萬能電錶中的電流值穩定後向模擬廢水中注射微生物，微生物由於重力作用下落至通孔5底部，在石墨片上形成生物膜6，進行電促生物反硝化脫氮反應，反應過程中通過智能數顯萬能電錶實時監測電流的變化，當電流再次穩定後終止反應，將注液腔2中的模擬廢水倒出，用標準方法測量模擬廢水中的NOf-N和NOf-N濃度。通過反應過程中的電流變化情況及模擬廢水中的NO3--N和NO2--N濃度變化分析反應過程中電子轉移情況和速率。分別檢測不同反應電壓、不同微生物種類和不同微生物終濃度下的電子轉移情況，分析工作電壓、微生物種類和微生物終濃度對電促生物反硝化脫氮電子轉移的影響。實施例I在不同電壓下裝置中電促生物的電子轉移過程或速率及反硝化脫氮效果。分別設定不同的電壓值為1V、2V、3V和3. 5V，向反應裝置中注射6mL的營養液(營養液的組成成分30mg/L NO3--N, 80mg/L NaHCO3, 5g/LK2HP04,1. 5g/L KH2PO4)，待電流穩定後，再向裝置裡注射4ml濃度為10mg/ml的通電馴化好的微生物，反應體系中微生物的終濃度為4mg/ml，微生物取自穩定運行的電極生物膜反應器，觀察和記錄裝置的電流變化值，待電流基本趨於穩定後結束反應，總的反應時間約為2. 5小時。最後將裝置中的營養液倒出，利用標準方法測量營養液中的水質指標，其中N03_-N的測定採用紫外分光光度法，N02_-N的測定採用N-(I-萘基)-乙二胺鹽酸鹽分光光度法。微生物在一個特定條件下代謝過程中所獲得的能量(ATP)與電子供體和電子受體之間的能量差AE(V)成正比。如圖2a所示，在較低電壓下(IV和2V)下，電極間的電流隨著微生物的注入而變小，而在稍高電壓下(3V和3. 5V)，電流隨著微生物的加入出現了增大趨勢。由此可知，低電壓下電極表面的電子轉移速率是限速步驟，沒有足夠的電子供微生物生長代謝，微生物的活性無法得到激發，反而降低了體系的電子轉移速率。此外，從圖2b可以發現在較低電壓下，NO2--N生成量為O，NO3-幾乎沒被還原，微生物自身也不產生電子，故裝置電流變小。而高電壓產生的高電流(> 0. 2mA)可提供足夠的電子供微生物利用，促進其生長和物質代謝，微生物在還原N03_同時本身也會產生電子，並與電極間發生電子轉移過程，因此在高電壓條件下注入微生物後裝置中電流出現了增大趨勢，N02_-N的生成量和no3_-n的去除率也越高。實施例2不同微生物終濃度下裝置中電促生物的電子轉移過程和速率及反硝化脫氮情況。設定電壓值恆定為3V,向反應裝置中注射6mL的營養液(營養液的組成成分30mg/L NO3--N, 80mg/L NaHCO3, 5g/L K2HPO4,1. 5g/LKH2P04)，待電流穩定後，再向裝置裡分別注射lmL、2mL、3mL、4mL和5mL濃度為10mg/ml的通電馴化好的微生物，注射後微生物終濃度分別為I. 4mg/ml、2. 5mg/ml、3. 3mg/ml、4mg/ml和4. 5mg/ml。微生物取自穩定運行的電極生物膜反應器，觀察和記錄裝置的電流變化值，待電流基本趨於穩定後結束反應，總的反應時間約為2. 5小時，其中營養液掃平時間為0. 5小時，加入微生物後的反應時間為2小時。最後將裝置中的營養液倒出，利用標準方法測量營養液中的水質指標，其中N03_-N 的測定採用紫外分光光度法，NO2--N的測定採用N-(I-萘基)-乙二胺鹽酸鹽分光光度法。從圖3a可以看出，當設定的電壓為3V時，加入微生物的瞬間電流發生急劇波動，由於系統電阻發生變化隨後電流快速下降。隨著微生物還原no3_，微生物本身產生了電子，然後將產生的電子轉移給電極，故裝置中的電流緩慢出現增大趨勢，所注射的微生物體積量越大，電流增大趨勢越快。同時從圖3b中可以發現當所注射的微生物體積量越大，N02_-N的生成量和N03_-N的去除率也越高。實施例3不同種類微生物下裝置中電促生物的電子轉移過程和速率及反硝化脫氮情況。設定電壓值恆定為3V，向反應裝置中注射6mL的營養液(營養液的組成成分30mg/L N03__N，80mg/L NaHCO3, 5g/L K2HPO4,1. 5g/LKH2P04)，待電流穩定後，再分別向裝置裡注射5mL濃度為10mg/ml的通電馴化好的微生物和無通電馴化微生物，注射後反應體系中的微生物的終濃度為4. 5mg/ml，其中微生物分別取自穩定運行的電極生物膜反應器(通電馴化)和只有微生物的對照反應器(未通電馴化)，觀察和記錄裝置中的電流變化值，待電流基本趨於穩定後結束反應，總的反應時間約為2. 5小時，其中營養液掃平時間為0. 5小時，加入微生物後的反應時間為2小時。最後將裝置中的營養液倒出，利用標準方法測量營養液中的水質指標，其中營養液掃平時間為0. 5小時，加入微生物後的反應時間為2小時。從圖4a可以發現工作電極的電流只隨著通電馴化微生物的注入出現了增大趨勢，而當注射了相同體積量的無通電馴化微生物時，裝置中的電流卻並未出現增大趨勢。通電馴化微生物在電流的刺激下形態和生長代謝方式都發生了變化，可以有效地接受電極提供的電子進行缺氧呼吸，在去除硝酸鹽的同時本身產生了電子，電子轉移給電極從而產生有效電流；而無通電馴化微生物不能很快接受電極提供的電子，不能產生有效電流。圖4b表明裝置中注射了通電馴化微生物的N02_-N的生成量和N03_-N的去除率都明顯高於裝置中注射了無通電馴化微生物的出水指標，可以較好地解釋圖4a中出現的現象。
權利要求
1.一種檢測電促生物反硝化脫氮過程中電子轉移的裝置，其特徵在於，包括 由下至上依次疊置的底座(9)、陰極電極片⑶和反應槽(3)， 所述反應槽(3)帶有注液腔(2)，所述注液腔(2)中插有陽極電極棒(I)，所述注液腔(2)底面設有通孔(5)，所述通孔(5)底部由所述陰極電極片(8)封閉。
2.根據權利要求I所述的裝置，其特徵在於，所述通孔(5)底部與所述陰極電極片(8)接觸處設有環繞所述通孔(5)的密封墊圈(7)。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述陽極電極棒(I)垂直於所述陰極電極片⑶。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述陽極電極棒(I)底端與所述陰極電極片⑶之間的距離為5 30mm。
5.一種利用權利要求I所述裝置檢測電促生物反硝化脫氮過程中電子轉移的方法，其特徵在於，包括 (1)向反應槽的注液腔中加入含N03_的廢水，陽極電極棒與陰極電極片連接直流穩壓穩流電源，確定反應體系的基準電流； (2)向廢水中注射微生物，所述微生物下落至通孔底部，在陰極電極片上形成生物膜，進行反硝化脫氮反應，反應過程中實時監控反應體系的電流變化； (3)當電流穩定後，終止反應，檢測廢水中NO3--N和NO2--N的濃度； (4)根據反應過程中的電流變化情況和反應結束後廢水中NO3--N和NO2--N的濃度確定反應過程中的電子轉移過程和速率。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述廢水的組成成分為10-200mg/LNO3--N, 10-200mg/L NaHCO3, l-10g/L K2HPO4,1. 5-15g/L KH2PO4 和微生物生長所必需的微量元素。
7.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述反硝化脫氮反應過程中的供電電壓為0. 5 4V。
8.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述廢水中微生物的終濃度為I IOmg/ml o
9.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述微生物在注入廢水前進行通電馴化。
全文摘要
本發明公開了一種檢測電促生物反硝化脫氮過程中電子轉移的裝置和方法，裝置包括由下至上依次疊置的底座、陰極電極片和反應槽，所述反應槽帶有注液腔，所述注液腔中插有陽極電極棒，所述注液腔底面設有通孔，所述通孔底部由所述陰極電極片封閉。工作時，連接電源，向注液腔中注入廢水，當電流值穩定時，注射微生物，微生物下落至陰極電極片上形成生物膜，進行電促生物反硝化脫氮反應，實時監測電流變化，當電流值穩定後終止反應，檢測廢水中的水體指標，通過電流值變化與最終水體指標確定反應過程中的電子轉移過程及速率。本發明能有效的研究電促生物強化系統中微生物與電極間的電子轉移過程及速率。
文檔編號G01N27/12GK102735715SQ20121024152
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月13日 優先權日2012年7月13日
發明者叢燕青, 馮華軍, 徐謙, 沈東升 申請人:浙江工商大學