电化学耦合厌氧生物地球化学微宇宙试验装置及使用方法与流程

本发明属于属于环境污染修复领域。具体涉及一种新型电化学耦合厌氧生物地球化学微宇宙试验装置及使用方法。

背景技术：

厌氧生物地球化学微宇宙是人为地在缺氧条件下按照一定土水比建立的土壤悬浮液体系，通过嵌入多个探头包括do探头、h2探头、orp探头、ph探头并分别与对应的氧化还原检测仪、h2检测仪、溶解氧检测仪、ph检测仪相连，可实现对系统的do、h2、orp、ph等指标的实时动态监测，是研究土壤生物地球化学循环过程的重要方式。林丹(γ-六氯环己烷)是一类典型的高氯代持久性有机污染物，属于我国规定的一类优先污染物，曾广泛用作农药、除虫剂，对土壤的结构和功能产生严重破坏；具三致效应和遗传毒性。微生物修复被认为是降解土壤中林丹等氯代持久性有机污染物的高效、绿色、环境友好、具有推广潜力的途径；厌氧环境下，微生物介导的林丹脱氯还原降解本质是电子在电子供体和电子受体间转移的过程，与土壤本底的多个还原过程包括fe还原、s还原、产ch4过程竞争有限的电子供体，即与土壤铁、硫、碳生物地球化学循环过程协同/竞争发生。但土壤微生物对污染物胁迫的适应性导致厌氧生物地球化学微宇宙存在启动时间长、系统内微生物可利用的电子供体有限等问题。

新兴的生物电化学系统组合微生物降解过程和电化学过程，可加速有机污染物的还原转化，同时也可改善(甚至抵抗)不良环境因子如高温、高碱的影响，近年来逐渐应用于废水硝酸盐、高氯酸盐、偶氮染料等的处理。微生物电解池(microbialelectrolysiscell；mec)是生物电化学系统的体现形式之一，外接恒电势仪通过阴极向体系源源不断地提供电子，加快体系微生物介导的电子转移过程；且阴极不断发生析氢反应，产生许多能被微生物直接利用的电子供体h2。此外，含氯代持久性污染物的土壤悬浊液经多次厌氧迭代培养形成的混菌培养液具有强氯代污染物降解能力，被认为是研究氯代污染物还原降解过程和土壤本底多个生物地球化学循环过程相关性的优化基质。由此，常规的厌氧生物地球化学微宇宙在技术上的缺陷成为混菌培养液及土壤悬浊液中实现氯代污染物快速降解并探究其与土壤生物地球化学循环过程的瓶颈问题，迫切需要应用电化学系统对厌氧生物地球化学微宇宙进行改造。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种设计合理、结构优化、运行高效的电化学耦合厌氧生物地球化学微宇宙试验装置及使用方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种电化学耦合厌氧生物地球化学微宇宙试验装置，包括厌氧生物地球化学微宇宙系统、生物电极系统、恒温水浴系统；所述生物电极系统为厌氧生物地球化学微宇宙系统内的微生物提供电子供体，恒温水浴系统为厌氧生物地球化学微宇宙系统提供恒温水浴。

作为本发明的电化学耦合厌氧生物地球化学微宇宙试验装置的改进：

所述生物电极系统包括由相互平行的生物阳极、生物阴极组成的生物电极，还包括直流电源；

厌氧生物地球化学微宇宙系统包括带有密封盖的反应器筒体，密封盖通过与反应器筒体密封的垂直组合保证厌氧环境；密封盖处密封的分别设有短颈三通阀和长颈三通阀；短颈三通阀包括进水口ⅰ和出气口ⅰ，进水口ⅰ与进水泵相连，出气口ⅰ连接气体取样包；所述长颈三通阀包括出水口ⅱ和进气口ⅱ，出水口ⅱ连接注射器，进气口ⅱ前端的管路设有n2减压阀；所述密封盖处密封的分别设有生物阳极、生物阴极以及参比电极，生物阳极和生物阴极分别通过导线与外部直流电源的正极与负极相连；于生物阴极旁固定参比电极，生物阴极与固定参比电极之间的距离为(0.5±0.1)cm；参比电极与在线监测仪相连接，用于测定生物阴极的阴极电势。

在线监测仪与计算机相连。

即，阴极电势通过生物阴极(石墨毡阴极)附近固定的参比电极实时监测，并通过在线监测仪和计算机读取；所述短颈三通阀、长颈三通阀、生物阳极、生物阴极以及参比电极均密封的穿过密封盖。

作为本发明的电化学耦合厌氧生物地球化学微宇宙试验装置的进一步改进：密封盖处密封的分别设有do探头、h2探头、orp探头、ph参比探头和ph探头；即，do探头、h2探头、orp探头、ph参比探头和ph探头密封的穿过密封盖。

do探头与溶解氧检测仪相连，h2探头与h2检测仪相连，orp探头与氧化还原检测仪相连，ph参比探头、ph探头分别与ph检测仪相连；

溶解氧检测仪、h2检测仪、氧化还原检测仪、ph检测仪分别与计算机相连，从而实时监测微宇宙内部do、h2、orp、ph指标。

作为本发明的电化学耦合厌氧生物地球化学微宇宙试验装置的进一步改进：

所述生物阳极和生物阴极均为石墨毡电极，所述参比电极为饱和ag/agcl电极。

注：生物电极系统中连接用的金属导线为导电钛线。饱和ag/agcl电极，是指参比电极室内kcl的浓度为饱和。

作为本发明的电化学耦合厌氧生物地球化学微宇宙试验装置的进一步改进：

所述恒温水浴系统包括套筒、水浴加热装置、循环泵，

反应器筒体被套装于套筒内，套筒的内腔、水浴加热装置、循环泵循环相连。

即，实际使用时，套筒内装水，反应器筒体置于套筒内腔的水中，套筒内的水通过水浴加热装置、循环泵实现循环，从而维持反应装置内温度恒定，保障厌氧电化学耦合生物化学微宇宙试验装置稳定高效运行。

作为本发明的电化学耦合厌氧生物地球化学微宇宙试验装置的进一步改进：

所述的生物阳极和生物阴极直径均为0.5cm，所述的参比电极直径为0.6cm，所述生物阳极与生物阴极之间的距离为0.5cm，生物阴极和参比电极之间的距离为0.5cm。

作为本发明的电化学耦合厌氧生物地球化学微宇宙试验装置的进一步改进：do探头直径为1.6cm，h2计探头直径为1.6cm，orp探头直径为1.1cm，ph参比探头直径为1.6cm，ph探头直径为1.1cm。

在本发明中，密封盖为双层密封圈的形式；所述的密封盖通过双层密封圈嵌入短颈三通阀、长颈三通阀、一对平行放置的生物电极、参比电极、do探头、h2探头、orp探头、ph探头和ph参比探头。

在使用前，所述的石墨毡电极需要清洗(包括用1.0mnaoh和1.0mhcl清洗)，do、h2、orp、ph探头在使用前需要校正，此为常识。

本发明设置一对生物电极和参比电极，生物电极与装置外部电源相连，参比电极与装置外部的在线监测仪和计算机相连，提供一种基于阴极电势调控的厌氧电化学耦合生物地球化学微宇宙试验装置。该试验装置结构合理，工作性能良好，生物电极促进林丹等难降解有机物的还原转化降解，实现试验的快速启动和对林丹的稳定还原，并且结构可靠、易加工、能耗小。

本发明还同时提供了上述电化学耦合厌氧生物地球化学微宇宙试验装置的使用方法：用惰性气体对反应器筒体内的空气进行置换，从而使得体系处于无氧环境下；培养液于反应器筒体内进行电化学耦合厌氧反应。

综上所述，本发明的装置包括厌氧生物地球化学微宇宙系统、生物电极系统、恒温水浴系统。生物电极系统为厌氧生物地球化学微宇宙系统内微生物提供电子供体，恒温水浴系统为所述的厌氧生物地球化学微宇宙系统提供恒温水浴；厌氧生物地球化学微宇宙系统探头通过导线与反应装置主体外部的对应的检测仪相连接，多个化学指标通过装置主体外部连接的在线监测仪和计算机进行实时监测；生物电极通过金属导线与反应装置主体外部的直流电源相连接，电极电压、回路电流通过装置主体外部连接的直流电源和电表进行实时监测和调控，阴极电势通过装置主体外部连接的在线监测仪和计算机进行实时监测。本发明实现微宇宙的快速启动以及混菌和土壤悬浮液体系下对林丹(γ-六氯环己烷)的稳定降解，并且结构可靠、易加工、能耗小、运行稳定。

注：阴极电势可用来表征是否达到目标污染物(即林丹)的降级所需的吉布斯自由能。根据林丹降解所需的吉布斯自由能，通过能斯特方程计算反应所需的电势差，通过调节生物电极系统中直流电源的电压可将阴极电势控制在略低于所需电势差的范围内，从而达到降解林丹的目的。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是电化学耦合厌氧生物地球化学微宇宙试验装置的结构示意图；

图2是图1中的密封盖11的结构示意图；

2a、2b、2c分别为密封盖11的俯视、仰视、主视示意图；

图3是图1中的位于套筒21内的反应器筒体12的示意图。

图中：1.do探头、2.h2探头、3.orp探头、4.短颈三通阀、5.ph参比探头、6.长颈三通阀、7.ph探头、8.参比电极、9.生物阳极、10.生物阴极、11.密封盖、12.反应器筒体、13.进水泵、14.进水口ⅰ、15.出气口ⅰ、16.气体取样包、17.出水口ⅱ、18.进气口ⅱ、19.注射器、20.n2减压阀、21.套筒、22.直流电源、23.溶解氧检测仪、24.h2检测仪、25.氧化还原检测仪、26.ph检测仪、27.在线监测仪、28.计算机、29.水浴加热装置、30.循环泵。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

本发明在传统厌氧生物地球化学微宇宙系统设置生物电极，向微宇宙系统内微生物持续提供电子供体，整个装置体系内部类似于单室微生物电解池(microbialelectrolysiscell；mec)。电场的存在促进了微宇宙系统内微生物代谢，形成附着在生物电极上的紧密生物膜；所述的生物膜上微生物通过群体感应分泌种间信号分子提高与电子转移相关蛋白的表达，加速微宇宙系统内微生物介导的地球化学循环过程，从而缩短整个微宇宙系统的启动时间，同时加快林丹等难降解污染物的还原转化；该装置外部与在线监测仪和计算机相连监测阴极电势，阴极电势是驱动生物电化学系统阴极反应的本质参数，通过调节电化学耦合厌氧生物地球化学微宇宙试验装置中生物阴极的电化学参数，优化装置电化学参数，从而加快林丹的还原降解，强化电极功能。此外，微宇宙系统装配do、h2、orp、ph探头，分别与装置外部的氧化还原、h2、溶解氧、ph检测仪相连，实时检测微宇宙装置中的do、h2、orp、ph指标，从而实现对装置运行的有效监控。

本发明电化学耦合厌氧生物地球化学微宇宙试验装置，主要包括圆柱型的微宇宙反应筒体和聚四氟乙烯密封盖，所述的微宇宙反应筒体和密封盖通过双层橡胶圈垂直组合保证厌氧环境。密封盖通过双层橡胶圈嵌入短颈三通阀和长颈三通阀，所述短颈三通阀包括进水口和出气口，培养液由进水泵通过进水管路从进水口注入，气体经出气口通过气体管道与气体取样包相连；所述长颈三通阀包括出水口和进气口，溶液由出水口连接注射器外排，n2(保护气)由n2减压阀经管道从进气口持续注入。聚四氟乙烯密封盖上以双层密封圈嵌入一对生物电极和ag/agcl参比电极，生物阳极和生物阴极均为石墨毡。电极通过导电钛线与直流电源相连，参比电极通过导电钛线依次与在线监测仪和计算机相连。通过调节反应装置器电化学参数提升电极强化作用，外加do、h2、orp、ph监测仪实现对反应装置的运行控制。厌氧生物微宇宙装置外部设置一个恒温水浴系统，可调节维持装置温度。

在厌氧生物地球化学微宇宙系统设置生物电极，这不是厌氧生物地球化学微宇宙系统和电化学技术的简单叠加，而会形成耦合作用。(1)在电极两端施加电压，促进微生物代谢，在电极表面形成附着在电极板上的紧密生物膜，强化与电子转移相关的蛋白的表达，加快微宇宙系统内电子转移过程。(2)生物阴极作为电子供体，加快林丹等难降解有机物的还原降解。(3)电场的存在降低微宇宙系统内的氧化还原电位，有利于产甲烷菌的生长代谢，加速微宇宙体系碳元素的生物地球化学循环过程。(4)生物阴极发生析氢反应，产生许多能被微生物直接利用的电子供体h2。

以下依据实施例和附图对本发明做详细说明。

实施例1、一种电化学耦合厌氧生物地球化学微宇宙试验装置，如图1～图3所述，包括厌氧生物地球化学微宇宙系统、生物电极系统、恒温水浴系统；所述生物电极系统为厌氧生物地球化学微宇宙系统内的微生物提供电子供体，恒温水浴系统为厌氧生物地球化学微宇宙系统提供恒温水浴。

所述生物电极系统包括由相互平行的生物阳极9、生物阴极10组成的生物电极，还包括直流电源22、导电钛线。

所述厌氧生物地球化学微宇宙系统包括带有密封盖11的反应器筒体12，如图2所述，密封盖11是由大圆柱和小圆柱组成的圆台状(t型圆柱体)的双层密封圈，当密封盖11紧盖于反应器筒体12时，小圆柱的外表面与反应器筒体12的内壁密封接触；且大圆柱的下表面(即与小圆柱相连的平面)密封地与反应器筒体12的顶面接触。

因此，密封盖11通过上述双层密封圈与反应器筒体12垂直组合以保证厌氧环境；密封盖11内通过双层密封圈嵌入短颈三通阀4和长颈三通阀6；即，短颈三通阀4和长颈三通阀6分别密封的贯穿密封盖11。

所述短颈三通阀4包括进水口ⅰ14和出气口ⅰ15，进水口ⅰ14通过进水管路与进水泵13相连，出气口ⅰ15连接气体取样包16；所述长颈三通阀6包括出水口ⅱ17和进气口ⅱ18，出水口ⅱ17连接注射器19，进气口ⅱ18前端的管路设有n2减压阀20；所述密封盖11通过双层密封圈嵌入一对平行放置的生物电极和参比电极8，生物电极包括相互平行的生物阳极9和生物阴极10；即，生物阳极9、生物阴极10和参比电极8分别密封的贯穿密封盖11。

生物阳极9和生物阴极10分别通过导线(耐腐蚀钛线)与外部直流电源22的正极与负极相连；于生物阴极10附近固定参比电极8，参比电极8通过导线(耐腐蚀钛线)依次与在线监测仪27和计算机28相连接，用于测定生物阴极10的阴极电势。即，阴极电势通过参比电极8实时监测，并通过在线监测仪27和计算机28读取。

所述密封盖11通过双层密封圈插入(嵌入)多个化学探头，包括do探头1、h2探头2、orp探头3、ph参比探头5和ph探头7，即，do探头1、h2探头2、orp探头3、ph参比探头5和ph探头7分别密封的贯穿密封盖11。do探头1与溶解氧检测仪23相连，h2探头2与h2检测仪24相连，orp探头3与氧化还原检测仪25相连，ph参比探头5、ph探头7分别与ph检测仪26相连，从而实时监测微宇宙内部do、h2、orp、ph指标。溶解氧检测仪23、h2检测仪24、氧化还原检测仪25、ph检测仪26分别与计算机28连接(为了图面的清晰，该连接关系在图1中作了省略处理)；即，do、h2、orp、ph指标传递给计算机28。

所述生物阳极9和生物阴极10均为石墨毡电极，所述参比电极8为饱和ag/agcl电极，连接的金属导线为导电钛线。

注：饱和ag/agcl电极，是指参比电极室内kcl的浓度为饱和。

微宇宙系统在反应筒体外部配有恒温水浴装置，该恒温水浴系统包括套筒21、水浴加热装置29、循环泵30，套筒21的侧壁下端设置进水口211、套筒21的侧壁上端设置出水口212，出水口212通过水浴加热装置29、循环泵30后与套筒21的进水口211相连。

反应器筒体12被套装于套筒21内。

即，实际使用时，套筒21内装水，反应器筒体12置于套筒21内腔的水中，套筒21内的水通过循环泵30、水浴加热装置29实现循环，从而维持反应装置内温度恒定，保障厌氧电化学耦合生物化学微宇宙试验装置稳定高效运行。

生物阳极9和生物阴极10直径均为0.5cm，所述的参比电极8直径为0.6cm，所述生物阳极9与生物阴极10之间的距离为0.5cm，生物阴极10和参比电极8之间的距离为0.5cm。

do探头1直径为1.6cm，h2计探头2直径为1.6cm，orp探头3直径为1.1cm，ph参比探头5直径为1.6cm，ph探头7直径为1.1cm。

实际使用时，上述电化学耦合厌氧生物地球化学微宇宙试验装置中(本发明为彻底厌氧)，各零部件的具体尺寸如下：

反应器筒体12采用玻璃制成，内径为9.5cm，高为14.5cm；密封盖11由聚四氟乙烯制成，大圆柱直径为13.0cm、高为0.7cm，小圆柱直径约为9.5cm、高为1.3cm。

上述电化学耦合厌氧生物地球化学微宇宙试验装置实际使用时，n2减压阀20外接n2源，进水泵13外接培养液储罐(所述培养液为含林丹的混菌培养液或土壤悬浊液)；

其工作过程为：

n2源通过n2减压阀20从长颈三通阀6的进气口ⅱ18向微宇宙系统装置充n230min，即，n2通过长颈三通阀6的进气口ⅱ18进入反应器筒体12内；通n2的目的为置换反应器筒体12内的空气，使体系处于无氧环境下；此时短颈三通阀4的出气口ⅰ15也打开，从而排出被置换的空气。

然后在n2保护气持续充入下，培养液(含林丹的混菌培养液或土壤悬浊液)通过进水泵13由短颈三通阀4的进水口ⅰ14进入厌氧微宇宙体系(即，进入反应器筒体12内)。关闭长颈三通阀6的进气口ⅱ18和短颈三通阀4的进水口ⅰ14。

此时，培养液处于安装有生物阳极9、生物阴极10、参比电极8的电场，即，位于反应器筒体12内的生物阳极9、生物阴极10、参比电极8均浸泡在培养液内；通过电源22使得生物阳极9、生物阴极10通电后工作，对培养液进行电解处理，从而实现生物电极促进林丹等难降解有机物的还原转化降解；

通过连接装置外部的在线监测仪27和计算机28，实时测定生物阴极10的阴极电势；培养液持续接触do探头1、h2探头2、orp探头3、ph参比探头5和ph探头7，并通过连接装置外部的溶解氧检测仪23、h2检测仪24、氧化还原检测仪25、ph检测仪26实时检测微宇宙装置中的do、h2、orp、ph指标。

在试验整个周期选取若干个培养时间点，通过与短颈三通阀4相连的气体取样包16以及与长颈三通阀6相连的的出水口ⅱ17，取气和一定体积的液体，分析体系碳元素生物地球化学循环过程和微生物群落构成等。具体如下：在取样时间点打开长颈三通阀6的出水口ⅱ17，抽取培养液于注射器19中，打开短颈三通阀4的出气口ⅰ15，抽取气体于气体取样包16中。

反应器筒体12外部的套筒21、水浴加热装置29、循环泵30构成循环水管路，循环泵30提供水循环动力，维持厌氧微宇宙装置的温度恒定；即，通过恒温水浴系统，使得反应器筒体12内的培养液在设定的温度下进行厌氧培养。

采用本发明的装置，通过生物电极系统的生物阴极10附近固定的参比电极8获得阴极电势数据，通过厌氧生物地球化学微宇宙系统的do探头1、h2探头2、orp探头3、ph参比探头5和ph探头7及其对应的氧化还原检测仪25、h2检测仪24、溶解氧检测仪23、ph检测仪26获得实时动态do、h2、orp、ph数据。根据目标污染物林丹降解所需的吉布斯自由能，通过能斯特方程计算所需的电势差，通过调节生物电极系统外部的直流电源22的电压将阴极电势控制在略低于所需电势差的范围内，并通过参比电极8、在线监测仪27和计算机28实时监控，达到降解林丹的目的。通过do、h2、orp、ph数据能获得厌氧生物地球化学微宇宙系统实时基本物化指标数据，实现实时动态监测体系运行过程的结果。

说明：生物阴极10的的阴极电势是通过与参比电极8形成电池，因参比电极8的电势固定，所以可得知生物阴极的电势。

在本发明中，生物电极系统的接入能加快体系电子传递过程和提供足量的电子供体，所以能加快试验的启动。

实验1、按照上述使用方法，培养液为林丹浓度为50mgl^-1的混菌培养液；生物阳极9和生物阴极10为石墨毡电极；外接电源为1.0v。运行10天后进行检测，所得的各项数据为：林丹降解率70.4％，甲烷排放量48.20mmoll^-1。

对比例1、采用常规的实验法对实验1所述的培养液进行检测，运行10天后，林丹降解率42.0％，甲烷排放量36.01mmoll^-1。

显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形，例如根据电极和探头的尺寸改变厌氧生物地球化学微宇宙密封盖的嵌入口尺寸。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。