CN114573092A - 一种多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置，包括池体以及密封盖，池体内设置有用于放置对电极的套筒，套筒位于池体的中心位置，套筒的上端与密封盖连接，下端设置有离子交换膜，套筒内为对电极室，套筒与池体之间构成工作极室；密封盖上设置有换液管和出气管，换液管和出气管分别与工作极室连通；密封盖上穿设有工作电极、对电极和参比电极，对电极深入到对电极室内，多个工作电极呈环形分布在对电极的周边；参比电极靠近对电极设置，工作电极、参比电极均深入到工作极室内；多个工作电极与多通道恒电位仪连接。本发明可定向富集电化学活性微生物，并具有高效生长生物膜、保证微生物生长环境均一化的功能，提高污水处理效率。

Description

一种多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置
技术领域
本发明涉及生物电化学及污水处理技术领域，特别是涉及一种多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置。
背景技术
生物电化学系统是电化学和微生物学结合的典型系统，在去除水中污染物过程中具有优势，系统菌群的组成与代谢特点影响系统的整体性能。电活性微生物是指能够通过细胞电子传递链与胞外电子供体或受体发生电子交换的一类微生物。电活性微生物可将代谢产生的电子通过一系列的细胞色素跨膜传递到细胞外，无需电子中介体将周边环境中的高价金属氧化物(如氧化铁、氧化锰)直接还原。这类微生物可在自然条件下与其他微生物一起形成复杂的电活性生物膜，实现不同种微生物间的电子传递，应对代谢电子不平衡和环境中的电子受体限制。这些微生物参与了多种重要的元素循环过程，在污染治理、生物能源和绿色化工等方面展现出广阔的应用前景。
生物电化学系统生物膜中富集的电活性微生物群落具有极高的多样性。目前，富集电活性微生物的方法主要有Fe3+还原富集法、微生物燃料电池电极富集法、微生物电解池电极富集法和恒电位仪-电化学系统富集法。其中，Fe3+还原富集法用于富集筛选铁还原菌，然而并非所有的铁还原菌都具有电化学活性，因此该方法具有针对性差、效率低的缺点。微生物燃料电池电极富集法主要是以生物燃料电池阳极室的电极作为微生物胞外呼吸的电子受体从而富集电活性微生物。生物燃料电池电极富集法效果明显直观、针对性强，然而，生物燃料电池运行时间较长。生物电解池电极富集发选择性较强，富集过程中需要额外提供能量，导致其运行成本较高，同时也比较耗时。恒电位仪—电化学系统富集法主要利用电化学系统的工作电极作为微生物胞外电子传递的电子受体而实现对电活性微生物的富集，相比于生物燃料电池，该系统可以更好地对电活性微生物的特性进行量化，而且能够稳定控制工作电极的电势，因此理论上可以有效地富集到更多的电活性微生物。绝大多数电活性微生物对系统的操作条件极为敏感，外部环境条件的微小改变往往引起微生物群落结构、组成和丰度的极大变化，这种变化会进一步影响生物电化学系统的运行效率。因此，恒定电位的控制有助于稳定功能微生物的丰度，促进特定群落富集，强化微生物的处理效能，建立高效率耦合增强体系。一方面，启动电位的氧化还原性质决定了接种物中的电活性细菌是否能够成功定殖电极，另一方面，运行过程中恒定电位的持续作用会对原始菌群产生定向的选择富集作用。电活性微生物的定向富集，对探明电活性微生物的种类分布、生长特性、代谢特性和产电机理具有重要意义，将有助于提升生物电化学系统处理污水的性能。目前，亟需研发一种可定向富集电化学活性微生物的生物电化学污水处理装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置，可定向富集电化学活性微生物，并具有高效生长生物膜、保证微生物生长环境均一化的功能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置，包括：池体以及设置在池体上方的密封盖，所述池体内设置有用于放置对电极的套筒，所述套筒位于所述池体的中心位置，所述套筒的上端与所述密封盖连接，下端设置有离子交换膜，所述套筒内为对电极室，所述套筒与所述池体之间构成工作极室；所述密封盖上设置有换液管和出气管，所述换液管和出气管分别与所述工作极室连通；所述密封盖上穿设有工作电极、对电极和参比电极，所述对电极位于所述密封盖的中心位置，并深入到所述对电极室内，多个所述工作电极呈环形分布在所述对电极的周边，每个工作电极与所述对电极距离相同；所述参比电极设置在多个所述工作电极构成的环形与所述对电极之间的区域，且所述工作电极、参比电极均深入到所述工作极室内；多个所述工作电极与多通道恒电位仪连接，所述多通道恒电位仪用于控制多个所述工作电极的电位。
进一步的，所述离子交换膜为阳离子交换膜、阴离子交换膜或质子交换膜。
进一步的，所述工作电极设置有8个。
进一步的，8个所述工作电极可同时在相同或不同电位控制下运行。
进一步的，所述工作电极具有生物相容性，其表面富集生物膜，所述工作电极的材料为碳基材料或玻碳。
进一步的，所述换液管与出气管内径均为3mm，对称设置于所述密封盖中心两侧2.5cm处。
进一步的，所述套筒的底部设置有管盖，所述管盖与所述套筒之间密封所述离子交换膜。
进一步的，所述工作电极为玻炭电极或碳基电极，所述对电极为铂网电极，所述参比电极采用Ag/AgCl电极。
进一步的，所述密封盖为凸型结构，所述密封盖的底部凸出部分与所述池体的口径相同，并嵌入所述池体中，所述密封盖与所述池体接触部分垫有硅胶垫，所述密封盖与池体的边缘通过固定夹固定密封。
进一步的，所述密封盖上设置有固定所述工作电极的电流收集杆，所述电流收集杆用于连接所述工作电极以及多通道恒电位仪。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置，可在微电场的作用下，工作电极在恒电位下运行并定向富集电活性生物膜；可促进电极表面微生物快速成膜，并提高了生物膜的稳定性；池体和套筒构成双室结构，结合了厌氧生物处理和电化学方法的优势，能够对水中污染物进行降解的同时进行能源和资源的回收；综上，本发明具有定向富集电活性微生物、高效生长生物膜、保证微生物生长环境均一化的功能，通过电位定向调控实现目标功能微生物在工作电极表面的富集和定殖，并用于污水处理，实现目标污染物强化去除的目的，提高污水处理效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a为本发明实施例多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置的三维结构示意图；
图1b为本发明实施例多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置的三维剖面图；
图1c为本发明实施例多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置的二维主视图；
图1d为本发明实施例多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置的二维俯视图；
图2a为本发明实施例套筒结构示意图；
图2b为本发明实施例套筒正视图；
图3a为本发明实施例池体结构示意图；
图3b为本发明实施例池体正视图；
图4a为本发明实施例密封盖结构示意图；
图4b为本发明实施例密封盖正视图；
图4c为本发明实施例密封盖仰视图；
图5为本发明实施例-0.3V恒电位下所定向富集生物膜工作电极时间-电流曲线图；
图6a为本发明实施例SEM扫描杆状微生物图；
图6b为本发明实施例SEM扫描环状微生物图；
图6c为本发明实施例SEM扫描丝状微生物图；
图6d为本发明实施例SEM扫描微生物纳米导线图；
图7为本发明实施例的时间-电流曲线图；
附图标记：1、对电极；2、参比电极；3、工作电极；4、换液管；5、出气管；6、套筒；7、池体；8、密封盖；9、离子交换膜；10、管盖。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置，可定向富集电化学活性微生物，并具有高效生长生物膜、保证微生物生长环境均一化的功能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1a-图1d所示，本发明实施例提供的多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置，包括：池体7以及设置在池体7上方的密封盖8，所述池体7内设置有用于放置对电极的套筒6，所述套筒6位于所述池体7的中心位置，所述套筒6的上端与所述密封盖8连接，下端设置有离子交换膜9，所述套筒6内为对电极室，所述套筒6与所述池体7之间构成工作极室，工作电极室及对电极室均为厌氧条件，呈密封设计；所述密封盖8上设置有换液管4和出气管5，所述换液管4和出气管5分别与所述工作极室连通；所述密封盖8上穿设有工作电极3、对电极1和参比电极2，所述对电极1位于所述密封盖8的中心位置，并深入到所述对电极室内，多个所述工作电极3呈环形分布在所述对电极1的周边，每个工作电极3与所述对电极1距离相同；所述参比电极2设置在多个所述工作电极3构成的环形与所述对电极1之间的区域，且所述工作电极3、参比电极2均深入到所述工作极室内；多个所述工作电极3与多通道恒电位仪连接，所述多通道恒电位仪用于控制多个所述工作电极3的电位。
所述工作电极设置有8个。8个所述工作电极可同时在相同或不同电位控制下运行。所述工作电极具有生物相容性，其表面富集生物膜，所述工作电极的材料为碳基材料或玻碳。使用8通道恒电位仪对工作电极施加恒定电位，可施加相同电位，也可同时施加不同电位，定向富集电活性微生物。
池体7、套筒6、密封盖8的制造材料为非导电材料，如：有机玻璃、聚四氟乙烯。
如图2a和2b所示，所述套筒6的底部设置有管盖10，所述管盖10与所述套筒6之间密封所述离子交换膜9。所述离子交换膜9为阳离子交换膜、阴离子交换膜或质子交换膜。所述套筒6由一根直径为3cm，高为8.6cm的有机玻璃管和一个直径为4cm，高为2.3cm的聚四氟乙烯管盖组成；管盖10与有机玻璃管腔间密封离子交换膜9，连通工作电极及对电极腔室的电解液。
如图3a和3b所示，池体7的直径为10cm，高8cm，材质为有机玻璃；作为主反应室，可通过换液管4向内输入模拟废水；可接种微生物，从而对微生物进行驯化、培养、富集；池体7的顶部设置有与密封盖8配合的边缘。
如图4a至图4c所示，所述密封盖8为凸型结构，所述密封盖8的底部凸出部分与所述池体7的口径相同，并嵌入所述池体7中，所述密封盖8的边缘与所述池体7的顶部边缘接触部分垫有硅胶垫，所述密封盖8与池体7的边缘通过固定夹固定密封。所述密封盖8上设置有固定所述工作电极3的电流收集杆，所述电流收集杆用于连接所述工作电极3以及多通道恒电位仪。
所述密封盖8的盖体直径为15cm，高1.5cm，作为池体的密封盖，用于隔绝空气；如图4c，盖体设计了换液口、出气口和工作电极、对电极、参比电极插孔，分别用于安装换液管、出气管、工作电极、对电极、参比电极；其中，对电极插孔和参比电极插孔位于盖体中心位置，八个工作电极插孔位置距离盖体中心位置均为4cm，且各工作电极围绕盖体中心的位置对称；所述换液管与出气管内径均为3mm，对称设置于所述密封盖中心两侧2.5cm处。
三电极体系包括：
(1)工作电极3，以具有生物相容性的电极作为工作电极，可为玻炭电极或碳基电极；
(2)对电极1为铂网电极，铂网面积为1cm2，长为1cm，宽为1cm；
(3)参比电极2采用Ag/AgCl电极。
利用本发明所述装置，选取玻碳电极作为工作电极，将预处理完成后的8根玻碳电极以及参比电极置于工作极室内(如图1a至图1d所示)，铂网置于对电极室内，工作极室与对电极室间用质子膜隔开，构成回路。在池体内接种混合活性污泥，以乙酸钠为碳源。通过恒电位仪调控工作电极电位，将工作电位恒定在-0.3VvsAg/AgCl条件下，定向富集电活性生物膜。
图5为本发明实施例的-0.3V恒电位下所定向富集生物膜工作电极时间-电流曲线图，工作电极性能一致，且可富集电活性生物膜。采用序批式运行定向驯化微生物，并形成稳定的生物膜。各电极记录的电流数据平行性良好(如图5所示)。当恒电位仪记录的电流出现周期性变化时认为驯化成功(如图7所示)。
将富集好的电活性生物膜电极取出，利用扫描电镜对生物膜进行形貌观察，可以观察到电极表面微生物分布均匀且平整，从高倍显微图片中发现了不同形态的微生物被富集，其中有杆菌、球菌、丝状菌，同时还观察到了微生物间纳米导线的存在(如图6a至6d所示)，图6a为本发明实施例SEM扫描杆状微生物图；图6b为本发明实施例SEM扫描环状微生物图；图6c为本发明实施例SEM扫描丝状微生物图；图6d为本发明实施例SEM扫描微生物纳米导线图；以上结果表明，利用本装置，以乙酸钠为碳源，在-0.3V vsAg/AgCl条件下，可定向富集电活性微生物，各工作电极富集生物膜平行，所富集生物膜平整均匀。
本发明提供的多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置，可在微电场的作用下，工作电极在恒电位下运行并定向富集电活性生物膜；可促进电极表面微生物快速成膜，并提高了生物膜的稳定性；池体和套筒构成双室结构，结合了厌氧生物处理和电化学方法的优势，能够对水中污染物进行降解的同时进行能源和资源的回收；综上，本发明具有定向富集电活性微生物、高效生长生物膜、保证微生物生长环境均一化的功能，通过电位定向调控实现目标功能微生物在工作电极表面的富集和定殖，并用于污水处理，实现目标污染物强化去除的目的，提高污水处理效率。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置，其特征在于，包括：池体以及设置在池体上方的密封盖，所述池体内设置有用于放置对电极的套筒，所述套筒位于所述池体的中心位置，所述套筒的上端与所述密封盖连接，下端设置有离子交换膜，所述套筒内为对电极室，所述套筒与所述池体之间构成工作极室；所述密封盖上设置有换液管和出气管，所述换液管和出气管分别与所述工作极室连通；所述密封盖上穿设有工作电极、对电极和参比电极，所述对电极位于所述密封盖的中心位置，并深入到所述对电极室内，多个所述工作电极呈环形分布在所述对电极的周边，每个工作电极与所述对电极距离相同；所述参比电极设置在多个所述工作电极构成的环形与所述对电极之间的区域，且所述工作电极、参比电极均深入到所述工作极室内；多个所述工作电极与多通道恒电位仪连接，所述多通道恒电位仪用于控制多个所述工作电极的电位。
2.根据权利要求1所述的多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置，其特征在于，所述离子交换膜为阳离子交换膜、阴离子交换膜或质子交换膜。
3.根据权利要求1所述的多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置，其特征在于，所述工作电极设置有8个。
4.根据权利要求3所述的多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置，其特征在于，8个所述工作电极可同时在相同或不同电位控制下运行。
5.根据权利要求1所述的多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置，其特征在于，所述工作电极具有生物相容性，其表面富集生物膜，所述工作电极的材料为碳基材料或玻碳。
6.根据权利要求1所述的多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置，其特征在于，所述换液管与出气管内径均为3mm，对称设置于所述密封盖中心两侧2.5cm处。
7.根据权利要求1所述的多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置，其特征在于，所述套筒的底部设置有管盖，所述管盖与所述套筒之间密封所述离子交换膜。
8.根据权利要求1所述的多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置，其特征在于，所述工作电极为玻炭电极或碳基电极，所述对电极为铂网电极，所述参比电极采用Ag/AgCl电极。
9.根据权利要求1所述的多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置，其特征在于，所述密封盖为凸型结构，所述密封盖的底部凸出部分与所述池体的口径相同，并嵌入所述池体中，所述密封盖与所述池体接触部分垫有硅胶垫，所述密封盖与池体的边缘通过固定夹固定密封。
10.根据权利要求1所述的多工作电极套筒双室生物电化学污水处理装置，其特征在于，所述密封盖上设置有固定所述工作电极的电流收集杆，所述电流收集杆用于连接所述工作电极以及多通道恒电位仪。
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