[發明專利]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

有效

• 申請號: 201210241521.7
• 申請日: 2012-07-13
• 公開（公告）號: CN102735715A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: 叢燕青;徐謙;馮華軍;沈東升
• 申請（專利權）人: 浙江工商大學
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12;C02F3/34
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

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于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，關于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，NO₃^-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。但現有關于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，很少有關于電促生物強化系統(持續提供電源)中電子轉移機理和來自于電極的電子與NO₃^-終端電子受體之間關系的研究，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，生物膜均過于分散，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。

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：

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，并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，微生物由于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，當電流值穩定后終止反應，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。

通孔的橫截面積小于注液腔的橫截面積，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于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于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，并可以解決生物膜脫落等問題。由于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。最后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、便于安裝和卸載、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，利于實驗的進行。

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于所述陰極電極片。

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：