CN107935195A - 一种利用微生物电化学系统监测和去除毒性物质硒的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于污水处理技术领域，本发明提供一种利用微生物电化学系统监测和去除毒性物质硒的方法，基于微生物电化学系统和外部电路系统实现，步骤为：1)组装微生物电化学系统；2)阳极碳刷培养形成产电生物膜；3)连续运行加入0‑150mg/L浓度含硒废水，稳定运行记录浓度梯度含硒废水电压周期，测试特性浓度含硒废水出水浓度。本发明基于微生物电化学系统在线实时监测水质硒的污染的同时去除毒性物质硒，具有产电、监测和去除毒性物质硒的多重作用，是一种经济环保的处理技术。

Description

一种利用微生物电化学系统监测和去除毒性物质硒的方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，涉及一种利用纯产电菌接种的微生物电化学系统进行水质中一定浓度内毒性物质硒的监测和去除方法。

背景技术

目前我国年污水排放总量较大，严重的水污染对生态环境造成严重威胁，影响人类生产生活以及未来的生存发展，而客观的进行水质污染的实时评价是做好水质污染预警的重要部分。但是，目前含硒水质毒性检测多处于实验室检测阶段，样品前处理繁琐，耗时较长，操作复杂以及仪器昂贵，不能满足目前广泛的水质污染预警的迫切需要。

传统理化分析方法只能进行定量分析水质中主要污染成分，不能反映有毒物质对环境水质产生的实际影响。生物检测方法可以根据生物的生命活动特征来反馈水质中有毒物质的浓度等特性。传统生物水质毒性的检测方法包括藻类毒性检测、鱼类毒性检测、蚤类毒性检测等，但生物体生命特征的显现周期长且检测方法复杂，大大限制其广泛使用。

微生物电化学系统是一种节能环保的绿色技术，利用水质中有机物进行微生物的降解作用将化学能转变为电能，在不需前处理且不需外界提供能量的条件下，系统受到水质变化影响产生不同的电压或电流响应，被很多科研人员作为监测水体毒性物质存在的便捷的监测方法进行研究。同时利用微生物降解作用可同时达到对水质中毒性物质去除的效果。

发明内容

本发明的目的在于克服水质毒性物质硒监测的问题，提供一种利用微生物电化学技术达到150mg/L浓度范围内水质污染预警以及去除毒性物质硒的方法。该方法利用微生物电化学系统产生不同的电压或者电流响应，反应不同毒性物质硒在系统内实时状况，是一种经济环保的水质污染预警和去除技术。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种利用微生物电化学系统进行水质中毒性物质硒的监测和去除方法，该方法基于微生物电化学系统和外部电路采集系统实现，微生物电化学系统包括一个采用有机玻璃制作的箱体，壳体上部开有进出水孔，用于微生物电化学系统基质溶液的更换和保持兼性厌氧环境，左右两个反应器壳体，中间采用质子交换膜将两室隔开，同时辅助螺栓、螺母和硅胶垫片进行密封固定以防漏水，阳极采用碳刷附着厌氧产电微生物，阴极采用碳毡并利用钛丝连接外电路；外电路采用导线连接数据采集卡和微生物电化学系统。

利用上述微生物电化学系统监测毒性物质硒的方法，该方法主要利用微生物电化学系统和阳极碳刷附着产电微生物联合作用监测和去除毒性物质硒，包括以下步骤：

第一步，组装微生物电化学系统，在碳刷上培养生物膜

以碳刷作为阳极，碳刷作为阴极，组装微生物电化学系统，阳极与外电路系统连通，外电路负载一定外电阻，接入数据采集系统；在阳极室内充入含有菌源的经过筛选鉴定的纯产电菌柠檬菌属上清液，进行菌源接种，菌源接种后形成产电微生物并附着在碳刷上，培养碳刷上的产电微生物，碳刷上附着一层产电生物膜；产电微生物稳定的分解有机物产生质子和电子，电子通过外电路传输至阴极，氧气作为电子受体，能够持续分解有机物和产生电能。第一步所述的外电路负载1000欧姆电阻。

第二步，组装微生物电化学系统，监测和去除0-150mg/L浓度内含硒废水

将第一步阳极上稳定附着一层产电生物膜的碳刷作为阳极，导电碳毡作为阴极，组装微生物电化学系统，将其与外电路连通，连接数据采集系统；阳极室填充人工配置的0-150mg/L含硒废水，阴极室中填充铁氰化钾溶液，调节设置外电阻，连通外部数据采集系统，外部数据采集系统记录系统的实时电压变化；阳极产电生物膜中的微生物稳定的分解有机废水中的有机物产生质子和电子，电子和质子分别通过外电路和质子交换膜传输至阴极，使系统产电，根据加入阳极室含硒废水浓度的不同来观察每个反应周期系统的产电，依据产电差异得出毒性物质硒的大致浓度范围，并在一定浓度的积累后发现阳极室出现物质硒反应后的特定颜色反应，进一步确认微生物对毒性物质硒的降解作用并由此进一步计算毒性硒的去除率，具体为采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICPOES730)测试特性浓度含硒废水出水浓度，计算去除率。第二步所述的外电路负载100欧姆电阻

本发明的益处和效果是利用微生物电化学系统监测0-150mg/L含硒有毒废水的同时产生电能并利用阳极的产电微生物对毒性物质硒进行不同程度的降解，实现同时监测和去除的双重功效，是一种经济、环保、高效的污染治理技术。

附图说明

图1是本发明的微生物电化学系统监测和去除含硒废水系统示意图；

图2(a)是本发明的第一组微生物电化学系统处理含硒废水系统电压变化图；

图2(b)是本发明的第二组微生物电化学系统处理含硒废水系统电压变化图；

图3是本发明的含硒废水平均去除率；

图中：1反应器壳体、2有机玻璃板、3碳刷阳极、4碳毡导电阴极、5质子交换膜、6钛丝、7硅胶垫片、8胶圈、9螺栓、10螺母、11进出水孔、12阳极室、13阴极室、14电阻、15数据采集卡、16电脑。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种利用微生物电化学系统监测和去除毒性物质硒的方法依托的装置包括微生物电化学系统和外部电路系统，微生物电化学系统的反应器壳体1为有机玻璃箱体，壳体上部开有进出水孔，左右两个反应器壳体1通过质子交换膜5、硅胶垫片7和胶圈8连接，通过螺栓9和螺母10进行进一步固定，进出水孔11用于溶液的更换构成阳极室12与阴极室13，阳极室12左侧有一块有机玻璃板2，阴极室13右侧有一块有机玻璃板2；碳刷阳极3插在有机玻璃板2中心位置，刷头在左侧的阳极室12中，刷毛上附着厌氧产电微生物，阴极室13内嵌入碳毡导电阴极4，导电阴极4可以是碳布、碳毡或不锈钢网材料；钛丝6与导电阴极4相连，插在阴极室13上部。

该方法主要利用微生物电化学系统产生电压反应毒性物质硒存在状况并利用微生物作用进行降解，包括以下步骤：

第一步，组装微生物电化学系统，在碳刷上培养生物膜

用D＝3cm，L＝3cm的碳刷作为阳极，利用有机玻璃箱体组装微生物电化学系统，将其与外电路系统连通，外电路负载1000欧姆电阻，通过导线接入数据采集系统；在阳极室内充入含有菌源的经过筛选鉴定的纯产电菌柠檬菌属上清液，进行菌源接种，菌源接种后形成产电微生物并附着在碳刷上，培养碳刷上的生物膜，直至连续出现三次以上电压上升、达到最大电压平稳运行、电压下降趋势。

第二步，处理碳毡阴极

将碳毡剪切成2cmх3cm的矩形浸没在含10％双氧水溶液的烧杯中，用锡箔纸密封并在锡箔纸上戳几个小孔放于90℃水浴锅中水浴3小时；完成后将10％双氧水溶液换为去离子水，按相同方法水浴1小时，最后将清洗好的碳毡放于烘箱中干燥备用。

第三步，组装微生物电化学系统，监测和去除含硒废水

将第一步阳极上稳定附着一层产电生物膜的碳刷作为阳极，碳毡作为阴极，组装两组微生物电化学系统分别标记为P-1、P-2(作为平行实验)，阳极室体积为28ml，里面充满1g/L乙酸钠、50mmolPBS缓冲溶液、12.5g/L维生素、12.5g/L维量元素的混合溶液，并在反应器稳定运行后加入0-150mg/L的人工配置含硒废水。阴极室体积为28ml，里面充满50mmol铁氰化钾溶液，向阳极极室通入N₂，保证是厌氧环境。调节外电阻为1000欧姆，为防止质子交换膜处漏水影响实验结果，将质子交换膜裁成边长为4cm的方形，用螺栓螺母紧固。连通外部数据采集卡并接入电脑记录数据。反应一周期后记录浓度梯度下含硒废水反应器的电压周期变化并测量特性硒浓度出水计算去除率。

反应器的运行性能及含硒废水监测和去除率分析：

两组微生物电化学系统P-1、P-2连续稳定运行后，加入0-150mg/L浓度梯度含硒废水测得电压曲线如图2，含硒废水(浓度小于20mg/L)中硒作为微量元素促进微生物生长进而促进系统产电，继续增加含硒废水浓度其毒性物质硒的毒性作用显现，抑制微生物生命活动降低系统产电，未加入含硒废水稳定运行时最高电压达到560mV，含硒废水浓度越高系统最高电压越低且最高电压维持时间越短，在加入150mg/L含硒废水时系统的最高电压下降至100mV以下，表明硒的毒性作用很强且微生物电化学系统给予了实时在线的反馈信息；同时用COD测定仪测试反应前后COD值，利用ICPOES730测量运行每周期特性硒出水浓度并计算其平均去除率如图3。阳极加入2.5mg/L含硒废水时反应器进水COD为765mg/L,出水COD为304mg/L，去除率为60.26％；含硒废水平均去除率均稳定在64％以上，最高去除率达到98.58％；实验结果表明，运用微生物电化学系统能使毒性含硒废水平均去除率达到60％以上，且根据含硒废水浓度的不同系统的电压产生差别进而作为废水污染程度的依据，是一种高效环保有应用前景的在线监测和去除毒性物质硒的环保技术。

Claims (5)

1.一种利用微生物电化学系统监测和去除毒性物质硒的方法，其特征在于以下步骤：

第一步，以碳刷作为阳极，碳刷作为阴极，组装微生物电化学系统，与负载外电阻的外电路连通，连接数据采集系统；在阳极室内充入含有菌源的经过鉴定的纯产电菌柠檬酸菌属上清液，进行菌源接种，碳刷上附着一层产电生物膜；

第二步，组装微生物电化学系统，监测和去除含硒毒性废水

将第一步稳定附着一层产电生物膜的碳刷作为阳极，导电碳毡作为阴极，组装微生物电化学系统，将其与外电路连通，连接数据采集系统；阳极室充满人工配置的0-150mg/L有毒含硒废水，阴极室中充满铁氰化钾溶液，反应一周期后记录浓度梯度下含硒废水反应器的电压周期变化并测量特性硒浓度出水浓度，计算去除率。

2.根据权利要求1所述的一种利用微生物电化学系统监测和去除毒性物质硒的方法，其特征在于，第一步所述的外电路负载1000欧姆电阻。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用微生物电化学系统监测和去除毒性物质硒的方法，其特征在于，第二步所述的外电路负载1000欧姆电阻。

4.根据权利要求1或2所述的一种利用微生物电化学系统监测和去除毒性物质硒的方法，其特征在于，所述的第二步中采用电感耦合等离子体发射光谱仪测试含硒废水出水浓度。

5.根据权利要求3所述的一种利用微生物电化学系统监测和去除毒性物质硒的方法，其特征在于，所述的第二步中采用电感耦合等离子体发射光谱仪测试含硒废水出水浓度。