CN115321665B - 一种去除海水中硫酸盐的生物电化学方法 - Google Patents
一种去除海水中硫酸盐的生物电化学方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115321665B CN115321665B CN202211041805.1A CN202211041805A CN115321665B CN 115321665 B CN115321665 B CN 115321665B CN 202211041805 A CN202211041805 A CN 202211041805A CN 115321665 B CN115321665 B CN 115321665B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- bioelectrochemical
- seawater
- reactor
- sulfate
- anode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000013535 sea water Substances 0.000 title claims abstract description 92
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L Sulfate Chemical compound [O-]S([O-])(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L 0.000 title claims abstract description 62
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 244000005700 microbiome Species 0.000 claims abstract description 21
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 11
- VMHLLURERBWHNL-UHFFFAOYSA-M Sodium acetate Chemical compound [Na+].CC([O-])=O VMHLLURERBWHNL-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 7
- 239000001632 sodium acetate Substances 0.000 claims description 7
- 235000017281 sodium acetate Nutrition 0.000 claims description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 6
- 241000894007 species Species 0.000 claims description 6
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 claims description 3
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 abstract description 15
- 239000012528 membrane Substances 0.000 abstract description 12
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 6
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract description 6
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 9
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 9
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 8
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 8
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 7
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 238000011010 flushing procedure Methods 0.000 description 6
- 239000013505 freshwater Substances 0.000 description 6
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 6
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000001728 nano-filtration Methods 0.000 description 5
- 238000001223 reverse osmosis Methods 0.000 description 5
- 229910021653 sulphate ion Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 5
- 241000205145 Desulfobacterium Species 0.000 description 4
- 241000605716 Desulfovibrio Species 0.000 description 4
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 4
- 230000002503 metabolic effect Effects 0.000 description 4
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 241001164579 Sulfurimonas Species 0.000 description 3
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 239000010865 sewage Substances 0.000 description 3
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 3
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 3
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 3
- ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N Calcium oxide Chemical compound [Ca]=O ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 2
- 108020004414 DNA Proteins 0.000 description 2
- 241000605809 Desulfuromonas Species 0.000 description 2
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N alumane Chemical class [AlH3] AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 238000010612 desalination reaction Methods 0.000 description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000007102 metabolic function Effects 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 2
- 238000003752 polymerase chain reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 239000010802 sludge Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004065 wastewater treatment Methods 0.000 description 2
- 241000580482 Acidobacteria Species 0.000 description 1
- 108091093088 Amplicon Proteins 0.000 description 1
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 1
- BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N Calcium cation Chemical compound [Ca+2] BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007400 DNA extraction Methods 0.000 description 1
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 1
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 1
- 241000192142 Proteobacteria Species 0.000 description 1
- 241000943620 Sediminispirochaeta Species 0.000 description 1
- 241000589970 Spirochaetales Species 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- RGKMZNDDOBAZGW-UHFFFAOYSA-N aluminum calcium Chemical compound [Al].[Ca] RGKMZNDDOBAZGW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 description 1
- 244000052616 bacterial pathogen Species 0.000 description 1
- 238000002306 biochemical method Methods 0.000 description 1
- 238000010170 biological method Methods 0.000 description 1
- 238000009954 braiding Methods 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- AXCZMVOFGPJBDE-UHFFFAOYSA-L calcium dihydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[Ca+2] AXCZMVOFGPJBDE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000000920 calcium hydroxide Substances 0.000 description 1
- 235000011116 calcium hydroxide Nutrition 0.000 description 1
- 229910001861 calcium hydroxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001424 calcium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000292 calcium oxide Substances 0.000 description 1
- 235000012255 calcium oxide Nutrition 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000004925 denaturation Methods 0.000 description 1
- 230000036425 denaturation Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011033 desalting Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 238000005189 flocculation Methods 0.000 description 1
- 230000016615 flocculation Effects 0.000 description 1
- 239000004519 grease Substances 0.000 description 1
- 239000003673 groundwater Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- -1 i.e. Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000003204 osmotic effect Effects 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 239000008363 phosphate buffer Substances 0.000 description 1
- 239000002504 physiological saline solution Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
- C02F3/005—Combined electrochemical biological processes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2101/00—Nature of the contaminant
- C02F2101/10—Inorganic compounds
- C02F2101/101—Sulfur compounds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
- C02F2103/08—Seawater, e.g. for desalination
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
- Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
- Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
- Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
Abstract
本发明涉及一种去除海水中硫酸盐的生物电化学方法。该去除海水中硫酸盐的生物电化学方法包括如下步骤：S1.构建生物电化学反应器，使生物电化学反应器的阳极和阴极富集微生物，完成生物电化学反应器的启动；S2.向启动后的生物电化学反应器加入海水并进行反应，即可。本发明的生物电化学方法可实现海水中硫酸盐的高效去除(去除率≥95％)，能耗为0.2～0.5kWh/m3，远低于海水膜分离技术处理所需的能耗。
Description
技术领域
本发明涉及生物电化学领域，更具体地，涉及一种去除海水中硫酸盐的生物电化学方法。
背景技术
我国是世界上13个人均水资源量最低的国家之一，仅为世界人均水资源量的四分之一，约为2300m3；全国近2/3的城市不同程度缺水，400座城市供水不足，110座城市严重缺水；在32个百万人口以上的特大城市中，有30个城市长期受缺水困扰，14个沿海开放城市中有9个严重缺水。海水约占地球水资源总量的97.5％，海水综合利用是解决水资源短缺的重要途径，如我国香港因淡水紧缺用海水进行冲厕，节约了大量淡水资源。但海水冲厕可对污水处理设施产生强烈的破坏性，甚至使其失去净化功能。这是因为海水的特性决定的，海水含盐量为3.5％左右，其含盐量是一般淡水的200多倍，SO4 2-的浓度高达2000mg/L以上，多种阴阳离子的存在使得海水具有与淡水几乎完全不同的理化特性。海水冲厕的高盐度可造成较高的渗透压，胁迫微生物使其脱水、质壁分离而死亡；微生物在海水冲厕废水中酶活性降低、代谢过程减缓，进而降低废水处理效率；海水冲厕废水中的SO4 2-还原产物——硫化物对微生物产生毒害作用；海水冲厕后，污水密度增加，造成活性污泥上浮和流失，降低污水处理能力。有效去除SO4 2-，可以降低管道等设施的腐蚀和结垢的风险，有助于提高海水利用率。
近海油田采出水是在开采过程中将石油从海底抽出而将地下水混入带到地面时产生的废水，一般具有有机物含量高、温度高和盐度高的特点。近海油田采出水中SO4 2-的浓度很高，可加剧设备腐蚀并增加废水的处理难度。此外，油田开采中SO4 2-还原产生的硫化物会降低聚合物的粘度(驱油效率的关键参数)，导致油田的出油效率降低。为提高油田出油效率，也应严格控制SO4 2-的浓度。
因此，开展海水中SO4 2-的去除，对于推动海水的综合利用，解决水资源短缺具有重要意义。
目前海水中SO4 2-去除常用的方法为膜分离方法，主要是依靠选择性透过膜(纳滤膜或反渗透膜)对溶液中的SO4 2-截留分离。但纳滤膜(NF)和反渗透膜(RO)均需在高压下运行，一般操作压力大于50个大气压，每吨海水脱盐的能耗约为2.5～4.0kWh；此外NF和RO不能去除颗粒物，因此需要预处理过程，膜污染及浓水处理等问题也使得其运行成本昂贵且存在二次污染风险。
虽然生物法也可以去除SO4 2-，如人工湿地、厌氧污泥床和膜生物反应器等。常规生物法处理SO4 2-废水受到以下几方面的限制：(1)中间产物H2S的毒性控制。随SO4 2-还原的发生，S2-浓度增大，对微生物有毒害作用；(2)环境因素的影响较大，对SO4 2-的还原效果在不同环境条件下可发生较大的浮动；(3)难以适应高盐分、高SO4 2-条件，目前尚未见有上述生物处理方法对海水环境中SO4 2-的有效去除的相关公开报道。
此外，发明专利名称为一种铝钙分步絮凝沉淀去除水中硫酸盐的方法提供了一种去除水中硫酸盐的方法，其所选药剂为铝盐和生石灰或熟石灰，以微絮凝物和铝盐作晶核，在碱性条件下与钙离子、硫酸根离子结合生成不易溶于水的复合物CanAl2m(SO4)3x(OH)12·zH2O，虽然该方法可处理硫酸盐超标水体，但其并未研究海水中硫酸盐的去除。如前所述，海水的理化性质与一般淡水及废水差异较大，其适应性尚不明确。
综上所述，目前去除海水中硫酸盐的技术方法有限，本发明拟解决去除海水中硫酸盐的效果差和能耗高的问题。
发明内容
本发明的目的是克服上述目前去除海水中硫酸盐技术的效果差、能耗高的问题，提供一种去除海水中硫酸盐的生物电化学方法。本发明的生物电化学方法可实现海水中硫酸盐的去除率≥95％，能耗为0.2～0.5kWh/m3。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种去除海水中硫酸盐的生物电化学方法，包括如下步骤：
S1.构建生物电化学反应器，使生物电化学反应器的阳极和阴极富集微生物，完成生物电化学反应器的启动；
S2.向启动后的生物电化学反应器加入海水并进行反应，即可；
所述阳极富集微生物中属水平上的优势菌种类型包括Sediminispirochaeta、Desulfuromonas和Sulfurimonas，其相对丰度分别为15～25％、5～15％和5～15％；
所述阴极富集微生物中属水平上的优势菌种类型包括Desulfovibrio和Desulfobacter，其相对丰度分别为5～15％和5～15％。
现有常规生物化学方法中，由于海水的高盐度会使微生物代谢活动被抑制或所有下降，故难以实现海水中硫酸盐的有效去除。
本发明的发明人通过多次研究发现，使生物电化学反应器的阳极和阴极分别富集特定相对丰度的微生物，可实现海水中硫酸盐的有效去除。具体地，本发明的发明人发现，在阳极上富集的Sediminispirochaeta具有硫代谢功能，Desulfuromonas可实现除SO4 2-外的硫元素的还原且产生较大的电流密度，Sulfurimonas可以作为电子受体将S2-氧化为元素硫；在阴极上富集的Desulfovibrio可通过直接方式或通过可溶性电子梭接受电子，在还原SO4 2-的同时使得系统产生高电流，Desulfobacter具有细胞外电子交换能力，在还原SO4 2-的同时也可提高生物电化学反应器的电流；这些优势菌种存在协同效应，在高盐度的海水中仍能保持很好的代谢活动和活性，从而实现生物电化学反应器的高效运行并对海水中硫酸盐有效去除。
如果阳极或阴极缺少其中一种或多种优势菌种，则由于剩余的优势菌种的代谢活动被抑制或所有下降，导致海水中硫酸盐去除效果不佳。如：若缺少Sulfurimonas或Sediminispirochaeta菌，可能造成S2-的积累，S2-浓度增大，对微生物有毒害作用，导致生物电化学反应器的系统崩溃；若缺少Desulfovibrio或Desulfobacter菌，则难以SO4 2-快速还原，导致海水中硫酸盐的去除率急剧降低。
本发明的生物电化学方法可实现海水中硫酸盐的高效去除(去除率≥95％)，能耗为0.2～0.5kWh/m3，低于海水膜分离技术(反渗透和纳滤)处理的能耗2.5～4.0kWh/m3(郑智颖,李凤臣,李倩,王璐,蔡伟华,李小斌,张红娜.海水淡化技术应用研究及发展现状[J].科学通报,2016,61(21):2344-2370.)。
优选地，步骤S1中所述生物电化学反应器为单室反应器。
优选地，步骤S1中所述富集微生物的具体过程为：将海泥和基质加入到生物电化学反应器中，混合，然后对生物电化学反应器施加外电压。
更为优选地，所述外电压为0.5～2.0V。
进一步优选地，所述外电压为0.6～1.0V。
更为优选地，所述基质为含1～10g/L乙酸钠、含1000～3000mg/L硫酸盐、pH为6～9、电导率为22～44mS/cm的海水。
进一步优选地，所述基质为含1～2g/L乙酸钠、含1000～2400mg/L硫酸盐、pH为6～9、电导率为22～44mS/cm的海水。
更为优选地，所述海泥的生物量为1.0～20.0mg/g。
本领域常用的阳极和阴极都可用于本发明。
优选地，步骤S1中所述阳极为碳材料阳极。
更为优选地，所述阳极为碳毡。
优选地，步骤S1中所述阴极为碳材料阴极。
更为优选地，所述阴极为碳刷。
优选地，步骤S1中当生物电化学反应器输出的最大电流密度不小于2.5A/m3且稳定运行至少3个周期时，即认为启动成功。
优选地，步骤S2中所述海水的硫酸盐浓度为1000～3000mg/L。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的生物电化学方法可实现对海水中硫酸盐去除率达到95％以上，能耗仅为0.2～0.5kWh/m3，低于海水膜分离技术(反渗透和纳滤)处理的能耗2.5～4.0kWh/m3，是海水膜分离技术脱盐能耗的约1/20～1/5。
附图说明
图1为实施例1的海水中硫酸盐的浓度和去除率与时间的曲线示意图。
图2为实施例1的海水中乙酸的浓度和去除率与时间的曲线示意图。
图3为实施例1的生物电化学反应器的产电曲线示意图。
图4为实施例1的海泥、生物电化学反应器的阳极和阴极微生物群落结构门水平上的结果分析示意图。
图5为实施例1的海泥、生物电化学反应器的阳极和阴极微生物群落结构属水平上的结果分析示意图。
图6为实施例2的海水中硫酸盐的浓度和去除率与时间的曲线示意图。
图7为实施例2的海水中乙酸的浓度和去除率与时间的曲线示意图。
图8为实施例2的生物电化学反应器的产电曲线示意图。
图9为实施例3的海水中硫酸盐的浓度与时间的曲线示意图。
图10为实施例4的海水中硫酸盐的浓度与时间的曲线示意图。
图11为对比例1的氯化钠溶液中硫酸盐的浓度和去除率与时间的曲线示意图。
具体实施方式
为了更清楚、完整的描述本发明的技术方案，以下通过具体实施例进一步详细说明本发明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，可以在本发明权利限定的范围内进行各种改变。
实施例1
本实施例提供一种去除海水中硫酸盐的生物电化学方法，包括如下步骤：
1、构建生物电化学反应器
采用单室反应器，其中，单室反应器的阴极为碳刷，由碳纤维和钛丝制备得到，制备主要步骤为：剪取20段长度为3cm的碳纤维，每2段为一组于钛丝固定在每一节上，共编制10节，碳刷总长度大概为4cm左右，编制而成的碳刷用锡箔纸包裹，置于箱式电阻炉中以450℃加热30min，冷却后备用；阴极的有效体积为1.5×1.5×4cm3。阳极为碳毡，直径10cm，有效面积为78.5cm2；碳毡在使用前需用1M的H2SO4溶液预处理60min、1M的NaOH溶液预处理60min和纯水预处理60min，以清除表面的油脂、灰尘或者其他杂物。
2、富集微生物和启动生物电化学反应器
接种的海底来自中国南海的大万山岛海域，基本的理化性质为：pH＝6.03，生物量＝1.0～20.0mg/g。以含有2g/L乙酸钠，硫酸盐的浓度为2200±200mg/L，pH＝7.5±1.5，电导率＝37±7mS/cm的海水作为基质。将海泥和基质混合于生物电化学反应器内，其中，海泥的用量为25g，约占生物电化学反应器体积的1/4。生物电化学反应器的两端施加外电压，外电压为0.8V。
在启动期间，每隔7天定时将50％的生物电化学反应器中的基质更换为新的基质，随着更换基质次数的增加，生物电化学反应器内接种的海泥逐渐减少，当生物电化学反应器输出的最大电流密度为2.5A/m3且稳定运行3个周期时，视为生物电化学反应器已成功启动，启动阶段结束(基质更换的次数无严格规定，只要能使生物电化学反应器达到成功启动的条件即可)。
3、加入海水并运行
往生物电化学反应器中加入海水(即基质)，运行生物电化学反应器，反应，以去除海水中的硫酸盐。在运行过程中外电压(0.8V)保持不变。当生物电化学反应器输出的电流小于0.2A/m3时，更换生物电化学反应器中的海水，继续进行海水中硫酸盐的去除。
采用本实施例的方法，海水中硫酸盐的浓度和去除率与时间的曲线示意图如图1所示。从图1可知，在48h时硫酸盐的浓度由2200mg/L降低至88mg/L，去除率为96％，至132h时去除率高达100％。
海水中乙酸的浓度和去除率与时间的曲线示意图如图2所示。从图2可知，在48h时乙酸的浓度基本不变，去除率为98％，至132h时可完全去除。
生物电化学反应器的产电曲线示意图如图3所示。从图3可知，一个周期132h内达到的最大电流密度为3.3A/m3。
进一步通过计算可知，实施例1的方法处理1吨海水的能耗为0.2kWh，远低于膜分离技术如反渗透或纳滤处理海水的能耗。
采用无菌手术刀，对生物电化学反应器启动运行后的阴极、阳极分别进行剪切采样，采样样品的面积均约为1cm2，用无菌生理盐水冲洗样品表面后，进行样品DNA提取，扩增区域为V3-V4，引物是338F(5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3’)和806R(5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’)，提取样品总DNA后，细菌聚合酶链反应(PCR)开始，在98℃下初始变性30s，共30个循环(每个循环包括98℃下15s，58℃下15s，在72℃下15s)之后，在72℃下进行1min的最后延伸步骤，使用AxyPrep DNA凝胶提取试剂盒纯化扩增子，并使用Quanti Fluor进行定量，质检合格的文库用IlluminahiSeq 2500进行测序分析(Huang J,Zeng C,Luo H,Bai J,Liu G,and Zhang R.Enhanced sulfur recovery and sulfate reduction using single-chamber bioelectrochemical system.Science of The Total Environment.2022,823,153789.)。以未接种的原始海泥群落分析结果为对照，阳极和阴极的群落结构分析结果如图4和图5所示。
图4为海泥、阳极和阴极的微生物群落结构门水平上的分析结果。从图4可知，在门水平上，海泥、阳极和阴极中微生物中，Proteobacteria相对丰度最高(32.1-60.7％)，Acidobacteria在海泥中的相对丰度为13.7％，在阳极和阴极中的相对丰度为0.6％。在阳极中，Spirochaetes相对丰度最高，为23.1％；Bacteroidetes相对丰度在阴极上远高于阳极生物膜(分别为28.9％和1.6％)；阳极和阴极生物膜的群落组成存在显著差异(p＝0.003)，表明在阳极和阴极上积累的细菌的功能也不同。
图5A为海泥微生物群落结构属水平上的分析结果，图5B为生物电化学反应器阳极微生物群落结构属水平上的分析结果，图5C为生物电化学反应器阴极微生物群落结构属水平上的分析结果。从图5可知，在属水平上，阳极和阴极的生物组成与海泥的差别很大。在阳极中，Sediminispirochaeta(相对丰度为21.3％)、Desulfuromonas(相对丰度为11.9％)和Sulfurimonas(相对丰度为11.2％)占主导地位；阴极生物膜中的优势物种Desulfovibrio的相对丰度为9.4％，Desulfobacter的相对丰度为8.0％。
本发明的发明人通过多次研究发现，使生物电化学反应器的阳极和阴极分别富集特定相对丰度的微生物，可实现海水中硫酸盐的有效去除。具体地，本发明的发明人发现，在阳极上富集的Sediminispirochaeta具有硫代谢功能，Desulfuromonas可实现除SO4 2-外的硫元素的还原且产生较大的电流密度，Sulfurimonas可以作为电子受体将S2-氧化为元素硫；在阴极上富集的Desulfovibrio可通过直接方式或通过可溶性电子梭接受电子，在还原SO4 2-的同时使得系统产生高电流，Desulfobacter具有细胞外电子交换能力，在还原SO4 2-的同时也可提高生物电化学反应器的电流；这些优势菌种存在协同效应，在高盐度的海水中仍能保持很好的代谢活动和活性，从而实现生物电化学反应器的高效运行并对海水中硫酸盐有效去除
实施例2
本实施例提供一种海水中硫酸盐去除的生物电化学方法，该方法与实施例1基本相同，不同之处在于：将实施例1的海水稀释一倍，并保持乙酸钠的浓度不变(2g/L)，以此作为基质，即将含有2g/L乙酸钠，硫酸盐的浓度为1100±100mg/L，pH＝7.2±0.8，电导率＝22±3mS/cm的海水作为基质。
采用本实施例的方法去除海水中的硫酸盐，海水中硫酸盐的浓度和去除率与时间的曲线示意图如图6所示。从图6可知，在48h时硫酸盐的浓度由1100mg/L降低至44mg/L，去除率为96％，至132h时去除率高达100％。这表明当海水的理化性质(电导率、pH等)发生变化时，仍能实现海水中硫酸盐的有效去除。
海水中乙酸的浓度和去除率与时间的曲线示意图如图7所示。从图7可知，乙酸的去除率在132h时为68％。
生物电化学反应器的产电曲线示意图如图8所示。从图8可知，一个周期132h内达到的最大电流密度为3.5A/m3。
本实施例的方法处理1吨海水的能耗情况与实施例1相似。
实施例3
本实施例提供一种海水中硫酸盐去除的生物电化学方法，该方法与实施例1基本相同，不同之处在于：第2和第3步施加的外电压为0.6V。
该实施例去除海水中硫酸盐的浓度随时间变化如图9所示，在48h内硫酸盐的浓度从2200mg/L降低至215mg/L，去除率为90％，至132h去除率达到99％。这表明施加的外电压发生变化，仍能实现海水中硫酸盐的有效去除。
该实施例去除乙酸的效果与实施例1的相似，一个周期内达到的最大电流密度与实施例1的相当，处理1吨海水的能耗情况与实施例1相似。
实施例4
本实施例提供一种海水中硫酸盐去除的生物电化学方法，该方法与实施例1基本相同，不同之处在于：第2和第3步施加的外加电压为1.0V。
该实施例去除海水中硫酸盐的浓度随时间变化如图10所示，在48h内硫酸盐的浓度从2200mg/L降低至413mg/L，去除率为81％，至132h去除率达到95％。这表明施加的外电压发生变化，仍能实现海水中硫酸盐的有效去除。
该实施例去除乙酸的效果与实施例1的相似，一个周期内达到的最大电流密度与实施例1的相当，处理1吨海水的能耗情况与实施例1相似。
对比例1
本对比例提供一种常规的生物电化学方法，该方法不同之处在于：在生物电化学反应器接种淡水环境中(磷酸盐缓冲液浓度50mM，硫酸根480mg/L，pH＝7.0)的产电微生物，使得阳极和阴极富集产电微生物(Huang J,Zeng C,Luo H,Bai J,Liu G,and ZhangR.Enhanced sulfur recovery and sulfate reduction using single-chamberbioelectrochemical system.Science of The Total Environment.2022,823,153789.)；以含有2g/L乙酸钠，含有2200mg L-1的SO4 2-，浓度为35g/L氯化钠溶液为基质，运行生物电化学反应器。其中35g/L的NaCl溶液用于模拟高盐度的海水。
采用对比例的方法去除水中的硫酸盐，硫酸盐的浓度和去除率与时间的曲线如图11所示，从图11可知，硫酸盐的浓度逐渐降低，最终去除率仅为37±2％。这表明当生物电化学反应器的阳极和阴极富集淡水环境的产电微生物，去除硫酸盐的效果不如本发明的生物电化学方法。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种去除海水中硫酸盐的生物电化学方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1. 构建生物电化学反应器，使生物电化学反应器的阳极和阴极分别富集微生物，完成生物电化学反应器的启动；
S2. 向启动后的生物电化学反应器加入海水并进行反应；
所述阳极富集微生物中属水平上的优势菌种类型包括Sediminispirochaeta、 Desulfuromonas和Sulfurimonas，其相对丰度分别为15~25%、5~15%和5~15%；
所述阴极富集微生物中属水平上的优势菌种类型包括Desulfovibrio和Desulfobacter，其相对丰度分别为5~15%和5~15%；
步骤S1中所述富集微生物的具体过程为：将海泥和基质加入到生物电化学反应器中，混合，然后对生物电化学反应器施加外电压；
所述外电压为0.5~2.0 V；所述基质为含1~10 g/L乙酸钠、含1000~3000mg/L硫酸盐、pH为6~9且电导率为22~44mS/cm的海水。
2.根据权利要求1所述生物电化学方法，其特征在于，步骤S1中所述生物电化学反应器为单室反应器。
3. 根据权利要求1所述生物电化学方法，其特征在于，所述海泥的生物量为1.0 ~20.0 mg/g。
4.根据权利要求1所述生物电化学方法，其特征在于，步骤S1中所述阳极为碳材料阳极。
5.根据权利要求1所述生物电化学方法，其特征在于，步骤S1中所述阴极为碳材料阴极。
6. 根据权利要求1所述生物电化学方法，其特征在于，步骤S1中当生物电化学反应器输出的最大电流密度不小于2.5 A/m3且稳定运行至少3个周期时，即认为启动成功。
7. 根据权利要求1所述生物电化学方法，其特征在于，步骤S2中所述海水的硫酸盐浓度为1000 ~ 3000mg/L。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211041805.1A CN115321665B (zh) | 2022-08-29 | 2022-08-29 | 一种去除海水中硫酸盐的生物电化学方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211041805.1A CN115321665B (zh) | 2022-08-29 | 2022-08-29 | 一种去除海水中硫酸盐的生物电化学方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115321665A CN115321665A (zh) | 2022-11-11 |
| CN115321665B true CN115321665B (zh) | 2024-02-09 |
Family
ID=83928332
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211041805.1A Active CN115321665B (zh) | 2022-08-29 | 2022-08-29 | 一种去除海水中硫酸盐的生物电化学方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115321665B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103319002A (zh) * | 2013-06-27 | 2013-09-25 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种阴阳极同步电催化硫酸盐废水生物处理的方法 |
| JP2014091099A (ja) * | 2012-11-06 | 2014-05-19 | Ibaraki Univ | 海水を利用した下排水処理方法 |
| CN105176614A (zh) * | 2015-09-21 | 2015-12-23 | 中国科学院成都生物研究所 | 一种微生物电化学原位沼气脱硫的方法 |
| CN105555715A (zh) * | 2013-06-07 | 2016-05-04 | 韩国能源技术研究院 | 具有去除多价离子的功能的生物电化学系统 |
| CN113845217A (zh) * | 2021-11-02 | 2021-12-28 | 中山大学 | 硫介导生物电化学强化难降解有机污染物去除的方法及装置 |
-
2022
- 2022-08-29 CN CN202211041805.1A patent/CN115321665B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014091099A (ja) * | 2012-11-06 | 2014-05-19 | Ibaraki Univ | 海水を利用した下排水処理方法 |
| CN105555715A (zh) * | 2013-06-07 | 2016-05-04 | 韩国能源技术研究院 | 具有去除多价离子的功能的生物电化学系统 |
| CN103319002A (zh) * | 2013-06-27 | 2013-09-25 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种阴阳极同步电催化硫酸盐废水生物处理的方法 |
| CN105176614A (zh) * | 2015-09-21 | 2015-12-23 | 中国科学院成都生物研究所 | 一种微生物电化学原位沼气脱硫的方法 |
| CN113845217A (zh) * | 2021-11-02 | 2021-12-28 | 中山大学 | 硫介导生物电化学强化难降解有机污染物去除的方法及装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115321665A (zh) | 2022-11-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yang et al. | Sustainable ammonia-contaminated wastewater treatment in heterotrophic nitrifying/denitrifying microbial fuel cell | |
| Ye et al. | Feasibility study on a double chamber microbial fuel cell for nutrient recovery from municipal wastewater | |
| Xu et al. | Performance and microbial communities of completely autotrophic denitrification in a bioelectrochemically-assisted constructed wetland system for nitrate removal | |
| Hao et al. | Denitrification of simulated municipal wastewater treatment plant effluent using a three-dimensional biofilm-electrode reactor: operating performance and bacterial community | |
| Zhang et al. | Electricity assisted anaerobic treatment of salinity wastewater and its effects on microbial communities | |
| Zhao et al. | Behavior of autotrophic denitrification and heterotrophic denitrification in an intensified biofilm-electrode reactor for nitrate-contaminated drinking water treatment | |
| Jwa et al. | Energy-efficient seawater softening and power generation using a microbial electrolysis cell-reverse electrodialysis hybrid system | |
| Hidayat et al. | Recent development of double chamber microbial fuel cell for hexavalent chromium waste removal | |
| Zhong et al. | Enhanced nitrogen removal in an electrochemically coupled biochar-amended constructed wetland microcosms: The interactive effects of biochar and electrochemistry | |
| Cabrera et al. | Bioelectrochemical system as an innovative technology for treatment of produced water from oil and gas industry: A review | |
| CN104787977A (zh) | 一种连续流一体化电极生物膜反应器及去除硝酸盐的工艺 | |
| CN110902895A (zh) | 一种垃圾渗滤液中氨氮去除与回收的电化学膜分离方法 | |
| Zhang et al. | Aerobic electrotrophic denitrification coupled with biologically induced phosphate precipitation for nitrogen and phosphorus removal from high-salinity wastewater: Performance, mechanism, and microbial community | |
| CN106630177A (zh) | 一种利用微生物电解池处理焦化废水并产氢的方法及装置 | |
| US20130153509A1 (en) | Wastewater treatment comprising electrodissolution, flocculation and oxidation | |
| Yang et al. | Bioelectrochemical process for simultaneous removal of copper, ammonium and organic matter using an algae-assisted triple-chamber microbial fuel cell | |
| Xu et al. | Inhibitory effect of released phosphate on the ability of nano zero valent iron to boost anaerobic digestion of waste-activated sludge and the remediation method | |
| Selvaraj et al. | An integrated biological and electrochemical process for recovery of sulfur from an industrial effluent contaminated pond water and its preliminary application in high performance battery | |
| Wang et al. | Hydraulic flow direction alters nutrients removal performance and microbial mechanisms in electrolysis-assisted constructed wetlands | |
| Yang et al. | Treatment and nutrient recovery of synthetic flowback water from shale gas extraction by air‐cathode (PMo/CB) microbial desalination cells | |
| CN106745676B (zh) | 一种生态多阴极尿液处理装置和方法 | |
| CN105417792A (zh) | 一种垃圾渗滤液浓水处理装置及处理系统 | |
| Nayak et al. | Urine based bioelectrochemical system: Resources recovery and domestic wastewater treatment prospectives | |
| CN115321665B (zh) | 一种去除海水中硫酸盐的生物电化学方法 | |
| Gualtieri et al. | The importance of the electron acceptor: Comparison between flooded and tidal bioelectrochemical systems for wastewater treatment and nutrients enriched solution production |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |