一种检测电促生物反硝化脱氮过程中电子转移的装置和方法

摘要

本发明公开了一种检测电促生物反硝化脱氮过程中电子转移的装置和方法，装置包括：由下至上依次叠置的底座、阴极电极片和反应槽，所述反应槽带有注液腔，所述注液腔中插有阳极电极棒，所述注液腔底面设有通孔，所述通孔底部由所述阴极电极片封闭。工作时，连接电源，向注液腔中注入废水，当电流值稳定时，注射微生物，微生物下落至阴极电极片上形成生物膜，进行电促生物反硝化脱氮反应，实时监测电流变化，当电流值稳定后终止反应，检测废水中的水体指标，通过电流值变化与最终水体指标确定反应过程中的电子转移过程及速率。本发明能有效的研究电促生物强化系统中微生物与电极间的电子转移过程及速率。

权利要求

1.一种检测电促生物反硝化脱氮过程中电子转移的装置，其特征在于，包括：由下至上依次叠置的底座（9）、阴极电极片（8）和反应槽（3），所述反应槽（3）带有注液腔（2），所述注液腔（2）中插有阳极电极棒（1），所述注液腔（2）底面设有通孔（5），所述通孔（5）底部由所述阴极电极片（8）封闭；

所述通孔（5）底部与所述阴极电极片（8）接触处设有环绕所述通孔（5）的密封垫圈（7）；所述阳极电极棒（1）垂直于所述阴极电极片（8）。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阳极电极棒（1）底端与所述阴极电极片（8）之间的距离为5～30mm。

3.一种利用权利要求1所述装置检测电促生物反硝化脱氮过程中电子转移的方法，其特征在于，包括：-

（1）向反应槽的注液腔中加入含NO3 的废水，阳极电极棒与阴极电极片连接直流稳压稳流电源，确定反应体系的基准电流；

（2）向废水中注射微生物，所述微生物下落至通孔底部，在阴极电极片上形成生物膜，进行反硝化脱氮反应，反应过程中实时监控反应体系的电流变化；

- -

（3）当电流稳定后，终止反应，检测废水中NO3-N和NO2-N的浓度；

- -

（4）根据反应过程中的电流变化情况和反应结束后废水中NO3-N和NO2-N的浓度确定反应过程中的电子转移过程和速率。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述废水的组成成分为：10-200mg/L -NO3-N，10-200mg/L NaHCO3，1-10g/L K2HPO4，1.5-15g/L KH2PO4和微生物生长所必需的微量元素。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述反硝化脱氮反应过程中的供电电压为0.5～4V。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述废水中微生物的终浓度为1～10mg/ml。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述微生物在注入废水前进行通电驯化。

说明书

一种检测电促生物反硝化脱氮过程中电子转移的装置和方

法

技术领域

[0001] 本发明涉及电促生物反硝化脱氮处理技术领域，具体涉及一种检测电促生物反硝化脱氮过程中电子转移的装置和方法。

背景技术

[0002] 近年来，电促生物强化技术作为一项新型水处理技术在反硝化脱氮方面已成为国内外研究的热点。目前这一技术的研究主要集中在基于提高去除效率的反应装置设计和不同因素影响脱氮效果的考察上，关于微生物与电极间的电子转移机理、微电场如何影响微生物活性及微生物分析等研究却相对较少。

[0003] 现有研究发现：一方面，电极可以为一些微生物的呼吸提供电子，NO3-作为最终电子受体被微生物还原；另一方面，微生物通过呼吸代谢作用氧化降解有机化合物，可以将自身产生的电子传递给电极，从而生成有效电流。但电子从电极转移到微生物跟微生物细胞中的电子转移到电极这两个过程不能实现简单的逆转，故研究微生物和电极相互之间的电子转移具有重要的意义。

[0004] 目前，国内外学者对微生物燃料电池的研究发现电子转移机理主要包括以下三个途径：利用细胞膜外表面的C-型细胞色素的直接电子转移，额外投加电子中介体发生的间接电子转移，通过微生物自身产生的“纳米导线”的电子转移。但现有关于微生物与电极间的相互电子转移机理主要集中在微生物燃料电池这一块，很少有关于电促生物强化系统-(持续提供电源)中电子转移机理和来自于电极的电子与NO3 终端电子受体之间关系的研究，缺乏有效的机理研究装置和方法。

[0005] 常见的生物膜反应器有平行板式反应器、阴阳分隔式反应器和圆筒式反应器，平行板式反应器的阴阳两极相互平行，阴阳分隔式反应器的阴极和阳极分别置入相连的反应器中，圆筒式反应器的圆筒为阴极，生物膜固定在其内表面上，阳极置入圆通中心。这几种反应器是废水处理中常用的反应器，均能对废水进行有效的脱氮，但是在其反应过程中，生物膜均过于分散，不能对反过程中电子的转移进行有效检测。

发明内容

[0006] 本发明提供了一种检测电促生物反硝化脱氮过程中电子转移的装置和方法，通过控制生物膜的挂膜面积可以有效的研究电促生物强化系统中微生物与电极间的电子转移情况。

[0007] 一种检测电促生物反硝化脱氮过程中电子转移的装置，包括：

[0008] 由下至上依次叠置的底座、阴极电极片和反应槽，所述反应槽带有注液腔，所述注液腔中插有阳极电极棒，所述注液腔底面设有通孔，所述通孔底部由所述阴极电极片封闭。

[0009] 所述阳极电极棒优选为石墨棒，所述阴极电极片优选为石墨片，工作时，所述石墨棒和石墨片与电源的输出端连接，并串联一个电流检测仪或连接至电化学工作站，先向注液腔中注入含氮废水，确定基准电流，即当电流检测仪中检测出的电流值稳定时，向含氮废水中注射微生物，微生物由于重力的作用下落至通孔底部的石墨片上，反应过程中的电流变化通过电流检测仪实时监测，当电流值稳定后终止反应，检测废水中的水体指标，通过电流值变化与最终水体指标确定反应过程中的电子转移。

[0010] 通孔的横截面积小于注液腔的横截面积，优选的，所述注液腔与通孔的横截面积比为1.5～5∶1，通孔的小横截面积有利于微生物在石墨片上形成小面积的生物膜，注液腔的较大空间有利于石墨棒的固定和营养液及微生物的添加。

[0011] 阴极水平、阳极竖直，阴阳两极正交设置，使注射进去的微生物利用重力作用刚好落在水平石墨片上，这样微生物与阴极电极紧密接触、更容易在阴极上形成电极生物膜，大大地缩短了阴极的挂膜时间，并可以解决生物膜脱落等问题。由于通孔底部的面积确定且面积很小，可以使生物膜的面积确定且很小，这样整个电极生物膜产生的本底电流值较小，使电极与生物膜间相互作用导致的电子转移情况可以在电流检测仪或电化学工作站上明显反映出来，而不会存在微小电流变化被大的本底电流掩盖的情况。最后结合水质指标的分析结果，能够有效检测电子转移情况。本发明的装置轻巧方便、便于安装和卸载、不受场地影响，巧妙的结构设计使微生物与电极紧密接触，短时间内可以迅速挂膜，利于实验的进行。

[0012] 优选地，所述通孔底部与所述阴极电极片接触处设有环绕所述通孔的密封垫圈。密封垫圈将通孔底部与石墨片接触处密封，防止反应液漏出。

[0013] 所述阴阳两级电极相交设置，优选地，所述阳极电极棒垂直于所述阴极电极片。

[0014] 优选地，所述阳极电极棒底端与所述阴极电极片之间的距离为5～30mm，更优选地，为8～20mm。

[0015] 本发明还提供了一种利用所述装置检测电促生物反硝化脱氮过程中电子转移的方法，包括：

[0016] (1)向反应槽的注液腔中加入含NO3-的废水，阳极电极棒与阴极电极片连接直流稳压稳流电源，确定反应体系的基准电流；

[0017] 所述废水的组成成分为：10-200mg/L NO3--N，10-200mg/L NaHCO3，1-10g/L K2HPO4，1.5-15g/L KH2PO4和微生物生长所必需的微量元素。

[0018] (2)向废水中注射微生物，所述微生物下落至通孔底部，在阴极电极片上形成生物膜，进行反硝化脱氮反应，反应过程中实时监控反应体系的电流变化；

[0019] 电流变化通过电流检测仪，优选为智能数显万用电表或电化学工作站，电流检测仪、电极及电源串联连接。

[0020] (3)当电流稳定后，终止反应，检测废水中NO3--N和NO2--N的浓度；

[0021] (4)根据反应过程中的电流变化情况和反应结束后废水中NO3--N和NO2--N的浓度确定反应过程中的电子转移过程和速率。

[0022] 优选地，所述反硝化脱氮反应过程中的供电电压为0.5～4V，对应的电流密度一2
般为0.10～0.40mA/cm。

[0023] 供电电压与电流成正比关系，通入的电流强度与电极生物膜反硝化速率有着密切的联系：通入的电流强度越大，在电极产生的气体量越多，自养反硝化菌可利用的营养源就越多，则反硝化速率提高，但并非电流强度越大越好，当通入电流强度超过极限电流强度时，微生物的活性受到明显的抑制，反硝化速率反而下降。根据电流密度范围和对应的电极生物膜面积，可以得到适宜的供电电压范围。

[0024] 优选地，所述废水中微生物的终浓度为1～10mg/ml，更优选地，所述模拟废水中微生物的终浓度为1～5mg/ml。

[0025] 微生物的终浓度直接反映的是阴极挂膜的生物膜量，生物膜量越大反硝化速率越快，反应活化内阻越低，装置中的电流变化趋势越明显，也就可以更加有效的检测反应过程中的电子转移情况，但当微生物的终浓度继续增大时，因为本发明装置的阴极面积一定，它在一定电压下提供的电子只能供内层微生物的生长代谢，外层的微生物无法跟电极直接接-触，导致装置中总电阻的增加，反而还会影响NO3 到电极的传质过程和电子转移过程，故本发明中选择1～10mg/ml，优选为1～5mg/ml。

[0026] 优选地，所述微生物在注入模拟废水前进行通电驯化。通电驯化的微生物在电极电流的长期驯化下形态和生长代谢方式都发生了变化，能够迅速有效地接受电极提供的电子进行缺氧呼吸并传递电子；而未通电驯化的微生物短时间内不能很快适应电流刺激的外在环境，无法很快接受电极提供的电子，也不能有效传递电子，因此本发明中优选通电驯化后的微生物。

[0027] 本发明的有益效果：

[0028] (1)本发明的装置和方法可以有效、简便、快速地在线研究电促生物反硝化脱氮过程中的电子转移过程和速率；

[0029] (2)本发明装置独创性的阴极水平、阳极竖直、阴阳两电极正交的构造，打破了常规电化学装置中阳极和阴极都是竖直放置的惯例，使注射进去的微生物利用重力作用刚好落在水平石墨工作电极上，这样微生物与电极紧密接触、更容易在阴极上形成电极生物膜，大大地缩短了阴极的挂膜时间，并可以解决生物膜脱落等问题，为电极生物膜反应器的设计提供了一种新思路；

[0030] (3)整个装置设计巧妙，制作精细，为研究微电场对微生物活性的作用机制、实时监测微生物与电极间的电子转移过程提供了有力保障。

[0031] 电促生物反硝化脱氮电子转移情况研究为电促生物强化技术更好地应用到实际工程中，实现清洁、低成本地高效脱氮提供了一定的依据，具有重要的理论价值和研究意义。

附图说明

[0032] 图1是本发明的结构示意图；

[0033] 图2a和图2b分别是本发明装置在不同电压下的电流变化曲线和对应的水质指标示意图；

[0034] 图3a和图3b分别是本发明装置在不同微生物浓度下电流变化曲线和对应的水质指标示意图；

[0035] 图4a和图4b分别是本发明装置在注射不同类型微生物下电流变化曲线和对应的水质指标示意图。

具体实施方式

[0036] 如图1所示，一种检测电促生物反硝化脱氮过程中电子转移的装置，包括底座9，底座9为圆柱形的实心结构，在底座9顶面设置与底座9相同直径的圆柱形反应槽3，反应槽3的中心设有竖直向的注液腔2，注液腔2为圆柱形空腔，注液腔2的底部设置直径小于注液腔2的通孔5，注液腔2与通孔5的内壁面交界处形成环形台阶，注液腔2与通孔5的直径比为1.5～5∶1，本实施方式中，注液腔2与通孔5的直径比为3∶1。

[0037] 阴极电极片8(本实施方式中选择石墨片)设置在底座9的顶面和反应槽3的底面之间，底座9上和反应槽3的实心部分对应位置均设有螺丝孔4，底座9和反应槽3之间通过长螺丝钉10固定，将石墨片夹持在底座9与反应槽3底部之间，将通孔5的底部封闭，通孔5与石墨片的接触处设置绕通孔2设置密封垫圈6，防止反应过程中反应液漏出。

[0038] 阳极电极棒1(本实施方式中选择石墨棒)竖直插入注液腔2中，底端伸入通孔5中，与石墨片之间的间距可以设置为5～30mm，本实施方式中设置为10mm，顶端通过固定装置固定在反应槽3上。

[0039] 工作时，将石墨片和石墨棒分别连接直流稳压稳流电源的负极和正极，并串联一-个智能数显万能电表，向注液腔2中注入营养液(含NO3 的模拟废水)，确定基准电流，即当智能数显万能电表中的电流值稳定后向模拟废水中注射微生物，微生物由于重力作用下落至通孔5底部，在石墨片上形成生物膜6，进行电促生物反硝化脱氮反应，反应过程中通过智能数显万能电表实时监测电流的变化，当电流再次稳定后终止反应，将注液腔2中的模- -
拟废水倒出，用标准方法测量模拟废水中的NO3-N和NO2-N浓度。通过反应过程中的电流- -
变化情况及模拟废水中的NO3-N和NO2-N浓度变化分析反应过程中电子转移情况和速率。

[0040] 分别检测不同反应电压、不同微生物种类和不同微生物终浓度下的电子转移情况，分析工作电压、微生物种类和微生物终浓度对电促生物反硝化脱氮电子转移的影响。

[0041] 实施例1

[0042] 在不同电压下装置中电促生物的电子转移过程或速率及反硝化脱氮效果。

[0043] 分别设定不同的电压值为1V、2V、3V和3.5V，向反应装置中注射6mL的营养液(营-养液的组成成分：30mg/L NO3-N，80mg/L NaHCO3，5g/LK2HPO4，1.5g/L KH2PO4)，待电流稳定后，再向装置里注射4ml浓度为10mg/ml的通电驯化好的微生物，反应体系中微生物的终浓度为4mg/ml，微生物取自稳定运行的电极生物膜反应器，观察和记录装置的电流变化值，待电流基本趋于稳定后结束反应，总的反应时间约为2.5小时。最后将装置中的营养液倒出，- -
利用标准方法测量营养液中的水质指标，其中NO3-N的测定采用紫外分光光度法，NO2-N的测定采用N-(1-萘基)-乙二胺盐酸盐分光光度法。

[0044] 微生物在一个特定条件下代谢过程中所获得的能量(ATP)与电子供体和电子受体之间的能量差ΔE(V)成正比。如图2a所示，在较低电压下(1V和2V)下，电极间的电流随着微生物的注入而变小，而在稍高电压下(3V和3.5V)，电流随着微生物的加入出现了增大趋势。由此可知，低电压下电极表面的电子转移速率是限速步骤，没有足够的电子供微生物生长代谢，微生物的活性无法得到激发，反而降低了体系的电子转移速率。此外，从图2b- -可以发现在较低电压下，NO2-N生成量为0，NO3 几乎没被还原，微生物自身也不产生电子，故装置电流变小。而高电压产生的高电流(＞0.2mA)可提供足够的电子供微生物利用，促-
进其生长和物质代谢，微生物在还原NO3 同时本身也会产生电子，并与电极间发生电子转-
移过程，因此在高电压条件下注入微生物后装置中电流出现了增大趋势，NO2-N的生成量和-
NO3-N的去除率也越高。

[0045] 实施例2

[0046] 不同微生物终浓度下装置中电促生物的电子转移过程和速率及反硝化脱氮情况。设定电压值恒定为3V，向反应装置中注射6mL的营养液(营养液的组成成分：30mg/-L NO3-N，80mg/L NaHCO3，5g/L K2HPO4，1.5g/LKH2PO4)，待电流稳定后，再向装置里分别注射
1mL、2mL、3mL、4mL和5mL浓度为10mg/ml的通电驯化好的微生物，注射后微生物终浓度分别为1.4mg/ml、2.5mg/ml、3.3mg/ml、4mg/ml和4.5mg/ml。微生物取自稳定运行的电极生物膜反应器，观察和记录装置的电流变化值，待电流基本趋于稳定后结束反应，总的反应时间约为2.5小时，其中营养液扫平时间为0.5小时，加入微生物后的反应时间为2小时。

[0047] 最后将装置中的营养液倒出，利用标准方法测量营养液中的水质指标，其中NO3--N-的测定采用紫外分光光度法，NO2-N的测定采用N-(1-萘基)-乙二胺盐酸盐分光光度法。

[0048] 从图3a可以看出，当设定的电压为3V时，加入微生物的瞬间电流发生急剧波动，-由于系统电阻发生变化随后电流快速下降。随着微生物还原NO3，微生物本身产生了电子，然后将产生的电子转移给电极，故装置中的电流缓慢出现增大趋势，所注射的微生物体积-
量越大，电流增大趋势越快。同时从图3b中可以发现当所注射的微生物体积量越大，NO2-N-
的生成量和NO3-N的去除率也越高。

[0049] 实施例3

[0050] 不同种类微生物下装置中电促生物的电子转移过程和速率及反硝化脱氮情况。设-定电压值恒定为3V，向反应装置中注射6mL的营养液(营养液的组成成分：30mg/L NO3-N，
80mg/L NaHCO3，5g/L K2HPO4，1.5g/LKH2PO4)，待电流稳定后，再分别向装置里注射5mL浓度为10mg/ml的通电驯化好的微生物和无通电驯化微生物，注射后反应体系中的微生物的终浓度为4.5mg/ml，其中微生物分别取自稳定运行的电极生物膜反应器(通电驯化)和只有微生物的对照反应器(未通电驯化)，观察和记录装置中的电流变化值，待电流基本趋于稳定后结束反应，总的反应时间约为2.5小时，其中营养液扫平时间为0.5小时，加入微生物后的反应时间为2小时。

[0051] 最后将装置中的营养液倒出，利用标准方法测量营养液中的水质指标，其中营养液扫平时间为0.5小时，加入微生物后的反应时间为2小时。

[0052] 从图4a可以发现工作电极的电流只随着通电驯化微生物的注入出现了增大趋势，而当注射了相同体积量的无通电驯化微生物时，装置中的电流却并未出现增大趋势。通电驯化微生物在电流的刺激下形态和生长代谢方式都发生了变化，可以有效地接受电极提供的电子进行缺氧呼吸，在去除硝酸盐的同时本身产生了电子，电子转移给电极从而产生有效电流；而无通电驯化微生物不能很快接受电极提供的电子，不能产生有效电流。图4b- -表明装置中注射了通电驯化微生物的NO2-N的生成量和NO3-N的去除率都明显高于装置中注射了无通电驯化微生物的出水指标，可以较好地解释图4a中出现的现象。