基于电刺激加速氧化还原震荡区域微生物高级氧化降解污染物的装置及方法

本发明属于生物电化学及高级氧化，具体涉及基于电刺激加速氧化还原震荡区域微生物高级氧化降解污染物的装置及方法。

背景技术：

1、微生物电化学系统已被广泛报道用于强化污水/有机固废处理、土壤和湿地的原位修复等。在微生物电化学系统中，通过微生物的阳极氧化耦合阴极还原，将污染物在电极上分解，从而强化污染物的去除效率。但电极反应的能耗大，施加的电压不仅需要克服阴极电势与阳极电势差的热力学障碍(e阴极>e阳极)，也要克服系统电阻、过电势等的影响。尤其是土壤/湿地的电阻较大，微生物电化学系统在土壤和湿地原位修复中的大规模应用较少。

2、微生物高级氧化是最近发现的一种在湿地、土壤、潮间带产生活性氧和分解污染物的新机制，由我们首次命名，微生物高级氧化是基于微生物细胞胞外呼吸产生羟基自由基，在厌氧条件和好氧条件下周期性变化。到目前为止，还没有发现利用电刺激来增强微生物高级氧化作用来降解污染物的装置及方法的相关报道。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明的目的是提供基于电刺激加速氧化还原震荡区域微生物高级氧化降解污染物的装置及方法，在生物高级氧化中采用微电场刺激，旨在提高铁还原菌的代谢速度，强化铁还原菌的胞外电子传递，提高羟基自由基有效产生，形成生物型高级氧化而非通过电极反应对污染物实现去除，因此可大幅减少能耗。

2、本发明目的是通过以下方式实现：

3、本发明提供一种基于电刺激加速氧化还原震荡区域微生物高级氧化降解污染物的装置，所述的装置包括电脑，数据线，电化学工作站，导线，电极，导气管，曝气头，丝口瓶，带有三个φ6通孔的密封塞和氮气气瓶，空气气瓶；丝口瓶的底部设置有进水口，侧底部设置有电极插入口，丝口瓶与带有三个通孔的密封塞组装成反应容器，正电极和负电极分别通过丝口瓶的顶部的密封塞的通孔与侧底部的电极插入口插入到丝口瓶中，且分别通过导线与电化学工作站的正负极相连，电化学工作站与电脑通过数据线相连，氮气气瓶和空气气瓶分别与导气管相连，导气管经过密封塞的通孔伸入到丝口瓶的底部，导气管的末端均连接有曝气头。

4、基于上述技术方案，进一步地，控制两支电极距离3-5cm，防止电场强度过大对微生物生长不利。

5、基于上述技术方案，进一步地，氮气气瓶和空气气瓶上均设置有流量计，通过流量计控制通入气体流量。

6、基于上述技术方案，进一步地，所述的电极为玻碳电极。

7、本发明另一方面提供一种基于电刺激加速氧化还原震荡区域微生物高级氧化降解污染物的方法，所述的方法通过上述的基于电刺激加速氧化还原震荡区域微生物高级氧化降解污染物的装置实现，包括以下步骤：

8、(1)污泥经干燥、研磨、筛分后，活化2-4个月；

9、(2)将步骤(1)得到的活性污泥加入丝口瓶中，在电化学工作站上设置0.5-1.0v电压，通过导线连接的电极产生电场，对污泥中电活性微生物进行电刺激，并在电脑上实时记录电流强度；

10、(3)控制氮气气瓶和空气气瓶通入氮气或空气气体，每日通入氮气12h，通入空气12h，直至污染物降解完，结束反应。

11、基于上述技术方案，进一步地，步骤(1)中所述活化为使用葡萄糖废水进行活化。

12、基于上述技术方案，进一步地，步骤(2)中控制丝口瓶内部温度在28～30℃。

13、基于上述技术方案，进一步地，步骤(2)中丝口瓶内ph值控制在7.5～8.5之间。

14、基于上述技术方案，进一步地，步骤(2)中丝口瓶水力停留时间控制在5～7天之间。

15、基于上述技术方案，进一步地，步骤(3)中气体流量为0.5～1.5l/h。

16、本发明还保护上述的基于电刺激加速氧化还原震荡区域微生物高级氧化降解污染物的方法在湿地修复中的应用。

17、基于上述技术方案，进一步地，所述的应用包括去除湿地中的硝基苯酚。

18、本发明的基于电刺激加速氧化还原震荡区域微生物高级氧化降解污染物的方法的机理如下：

19、1.微生物胞外电子传递是电活性微生物通过呼吸链将胞内氧化电子供体产生的电子转移到胞外电子受体，实现电子受体还原的同时维持微生物自身生长。微生物高级氧化以微生物胞外电子传递为基础，通过有氧呼吸和厌氧铁呼吸的交替耦合诱导活性氧的产生。具体来说，在有氧条件下，好氧或兼性细菌在细胞外呼吸过程中产生的电子转移被氧气捕获，从而产生活性氧。在厌氧条件下，具有细胞外呼吸功能的兼性细菌将电子转移到细胞外环境中的铁(iii)矿物质上，由此产生的铁(ii)可与超氧阴离子及过氧化氢等发生反应，生成具有强氧化性的羟基自由基，从而加速难降解污染物的矿化。

20、2.本发明的方法采用微电场刺激旨在提高铁还原菌的代谢速度，增强污染湿地的铁还原菌丰度，则有望通过强化生物型高级氧化，提高湿地污染物的处理效果，而非通过电极反应去除污染，因此可大幅减少能耗。

21、本发明相对于现有技术具有的有益效果如下：

22、1.本发明的基于电刺激加速氧化还原震荡区域微生物高级氧化降解污染物的方法特点是：首先，电刺激能够改善微生物群落的电活性，有利于促进胞内电子到胞外电子受体的转移，加速异化铁还原，使得电刺激组上清液中拥有更高的铁(ii)含量，为生物型高级氧化的羟基自由基的产生提供充足的催化剂，增加生物型高级氧化的羟基自由基产量，促进污染物降解。另外，具有胞外电子传递能力细菌在电刺激作用下得到富集，胞外呼吸微生物的富集也为体系中异化铁还原提供有利条件。在电刺激作用下，加速氧化还原震荡环境中异化铁还原以及羟基自由基生成，加速降解有机污染物，电刺激引起蛋白类物质中酰胺基团的极化，从而增加沉积物的电活性，促进微生物胞外电子传递。本发明验证了通过电刺激强化微生物呼吸的可行性，从而有望为生物电化学技术在面源湿地污染修复的推广应用提供新策略。

23、2.与非生物高级氧化过程不同的是，本发明的活性氧物种产生于微生物呼吸而非外源化学物质的添加，本发明在阴极还原过程中没有检测到活性氧。

24、3.本发明的创新之处在于利用电刺激促进微生物细胞外呼吸以产生羟基自由基，其基本机制是电场诱导微生物呼吸酶的极化，加快了呼吸链内质子耦合电子传递，从而提高了atp水平和电子传递，加速了羟基自由基的产生。本发明为微生物电化学方法在湿地修复中的应用提供了一个全新的视角。

技术特征：

1.一种基于电刺激加速氧化还原震荡区域微生物高级氧化降解污染物的装置，其特征在于，所述的装置包括电脑，数据线，电化学工作站，导线，电极，导气管，曝气头，丝口瓶，带有三个φ6通孔的密封塞，氮气气瓶和空气气瓶；丝口瓶的底部设置有进水口，侧底部设置有电极插入口，丝口瓶与带有三个通孔的密封塞组装成反应容器，正电极和负电极分别通过丝口瓶的顶部的密封塞的通孔与侧底部的电极插入口插入到丝口瓶中，且分别通过导线与电化学工作站的正负极相连，电化学工作站与电脑通过数据线相连，氮气气瓶和空气气瓶分别与导气管相连，导气管经过密封塞的通孔伸入到丝口瓶的底部，导气管的末端均连接有曝气头。

2.根据权利要求1所述的基于电刺激加速氧化还原震荡区域微生物高级氧化降解污染物的装置，其特征在于，控制两支电极距离3-5cm，防止电场强度过大对微生物生长不利。

3.根据权利要求1所述的基于电刺激加速氧化还原震荡区域微生物高级氧化降解污染物的装置，其特征在于，氮气气瓶和空气气瓶上均设置有流量计，通过流量计控制通入气体流量。

4.根据权利要求1所述的基于电刺激加速氧化还原震荡区域微生物高级氧化降解污染物的装置，其特征在于，所述的电极为玻碳电极。

5.一种基于电刺激加速氧化还原震荡区域微生物高级氧化降解污染物的方法，其特征在于，所述的方法通过权利要求1-4任一项所述的基于电刺激加速氧化还原震荡区域微生物高级氧化降解污染物的装置实现，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述活化为使用葡萄糖废水进行活化。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(2)中控制丝口瓶内部温度在28～30℃；丝口瓶内ph值控制在7.5～8.5之间。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(2)中丝口瓶水力停留时间控制在5～7天之间。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(3)中气体流量为0.5～1.5l/h。

10.权利要求5-9任一项所述的基于电刺激加速氧化还原震荡区域微生物高级氧化降解污染物的方法在湿地修复中的应用。

技术总结
本发明公开了基于电刺激加速氧化还原震荡区域微生物高级氧化降解污染物的装置及方法，属于生物电化学及高级氧化技术领域。本发明提供一种基于电刺激加速氧化还原震荡区域微生物高级氧化降解污染物的装置，所述的装置包括电脑，数据线，电化学工作站，导线，玻碳电极，导气管，曝气头，丝口瓶，带有三个Φ6通孔的密封塞，氮气气瓶，空气气瓶；本发明采用电刺激能够通过强化微生物呼吸，加速异化铁还原及羟基自由基生成，进而加速污染物的降解。不同于传统微生物电化学方法通过电极反应促进污染物分解，本发明能够显著减少生物电化学方法对电极材料及电耗的高要求，可为微生物电化学在污染修复的应用提供新方法。

技术研发人员：张耀斌,宋兴源,于麒麟,赵智强,巩怡静,张梓钖,毛浩浩,王学朋,江志豪
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10