CN115594289A - 一种采用低浓度碳源培养驯化电活性降解微生物膜的方法、一种石化废水的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种采用低浓度碳源培养驯化电活性降解微生物膜的方法，属于水处理技术领域。本发明采用低浓度碳源培养驯化电活性降解微生物膜，能够对功能性微生物(如产电菌、发酵菌和甲烷菌)进行选择性富集并改变它们之间的相互作用，在驯化过程中，能够提高微生物膜的抵御石化有机物毒性的能力，进而实现石化废水的微生物电化学降解，且具有较高效率。实施例结果表明，使用较低浓度(0.2g/L)的乙酸钠培养驯化电活性降解微生物膜，在微生物电化学系统中对石化废水中苯酚的去除达到了最优的效果，苯酚的去除率达到100％。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，特别涉及一种采用低浓度碳源培养驯化电活性降解微生物膜的方法、一种石化废水的处理方法。
背景技术
工业废水尤其是石化废水，往往具有很强的毒性和不可生物降解性。石化废水中往往包含多种污染物，其化学、物理性质极其复杂。其中，多环芳烃化合物、芳香胺类化合物和杂环化合物往往毒性较大，且具有“三致”性，即使在低浓度下也会对人类健康和生态系统产生巨大危害。然而，传统的污水处理方法难以真正去除石化废水中的有机污染物。
微生物电化学系统(MES)是以电活性微生物为核心，通过氧化还原反应，将化学能转化成其他有价值的能源或物质的一种技术。微生物电化学系统在各种各样的废水污染物去除中展现出了极大的潜力，例如染料废水、制药废水、生活污水以及农药废水等。在MES中，有机物被微生物在阳极室氧化产生电子和质子，电子通过电活性微生物以胞外电子传递的形式传递到阳极，最后通过外电路到达阴极，产生的质子通过溶液扩散到阴极，进而在实现污染物降解的同时达到生物化学能到电能的转换。MES的污染物降解能力与电极上微生物的氧化还原活性密切相关，生物膜的群落组成以及微生物含量都是影响MES污染物降解性能的关键因素，因此，对生物膜上微生物的富集以及降解电活性功能化对于提高MES性能至关重要。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种采用低浓度碳源培养驯化电活性降解微生物膜的方法、一种石化废水的处理方法，本发明提供的方法能够驯化并富集具有电活性的微生物膜，实现石化废水的微生物电化学降解。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种采用低浓度碳源培养驯化电活性降解微生物膜的方法，包括以下步骤：
提供连接有三电极系统的生物膜培养容器；
将除氧的石化废水、磷酸缓冲溶液、碳源加至生物膜培养容器中，获得生物膜驯化液，所述生物膜驯化液中碳源浓度为0.1～0.3g/L；
密闭生物膜培养容器，对所述生物膜驯化液施加外部电压，进行驯化，驯化过程中采集三电极系统的电流值，当电流值≤10-6A后，完成一个驯化过程；
重复多次驯化过程，每次驯化前更换生物膜驯化液，在生物膜培养容器表面获得电活性降解微生物膜。
优选的，所述除氧的石化废水与磷酸缓冲溶液的体积比为1～2:1。
优选的，所述碳源为乙酸钠和/或葡萄糖。
优选的，所述施加外部电压值相对于参比电极为0V。
优选的，所述驯化的温度为25～30℃，单个驯化过程的驯化时间为5～10天。
优选的，所述驯化过程的重复次数为2～4次。
优选的，所述电活性降解微生物膜的厚度为70～100μm。
优选的，石化废水的除氧方法，包括以下步骤：
向石化废水中通入氮气和二氧化碳的混合气，进行曝气。
本发明提供了一种石化废水的处理方法，包括以下步骤：
按照上述方法培养驯化电活性降解微生物膜，向生物膜培养容器内加入待处理石化废水和碳源，进行微生物电化学降解。
优选的，所述待处理石化废水中的石化有机物与碳源的质量比为1:2～6；
所述石化废水处理的时间≥70h。
本发明提供了一种采用低浓度碳源培养驯化电活性降解微生物膜的方法，包括以下步骤：提供连接有三电极系统的生物膜培养容器；将除氧的石化废水、磷酸缓冲溶液、碳源加至生物膜培养容器中，获得生物膜驯化液，所述生物膜驯化液中碳源浓度为0.1～0.3g/L；密闭生物膜培养容器，对所述生物膜驯化液施加外部电压，进行驯化，驯化过程中采集三电极系统的电流值，当电流值≤10-6A后，完成一个驯化过程；重复多次驯化过程，每次驯化前更换生物膜驯化液，在生物膜培养容器表面获得电活性降解微生物膜。本发明采用低浓度碳源培养驯化电活性降解微生物膜，能够对功能性微生物(如产电菌、发酵菌和甲烷菌)进行选择性富集并改变它们之间的相互作用，在驯化过程中，能够提高微生物膜的抵御石化有机物毒性的能力，进而实现石化废水的微生物电化学降解，且具有较高效率。
实施例结果表明，使用较低浓度(0.2g/L)的乙酸钠培养驯化电活性降解微生物膜，在微生物电化学系统中对石化废水中苯酚的去除达到了最优的效果，苯酚的去除率达到100％。
附图说明
图1为实施例1、对比例1和对比例2的时间-电流曲线；
图2为实施例1、对比例1和对比例2的剩余苯酚浓度随时间变化的曲线；
图3为实施例1、对比例1和对比例2的苯酚去除率随时间变化的曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种采用低浓度碳源培养驯化电活性降解微生物膜的方法，包括以下步骤：
提供连接有三电极系统的生物膜培养容器；
将除氧的石化废水、磷酸缓冲溶液、碳源加至生物膜培养容器中，获得生物膜驯化液，所述生物膜驯化液中碳源浓度为0.1～0.3g/L；
密闭生物膜培养容器，对所述生物膜驯化液施加外部电压，进行驯化，驯化过程中采集三电极系统的电流值，当电流值≤10-6A后，完成一个驯化过程；
重复多次驯化过程，每次驯化前更换生物膜驯化液，在生物膜培养容器表面获得电活性降解微生物膜。
本发明提供连接有三电极系统的生物膜培养容器。在本发明中，所述三电极系统包括石墨棒工作电极、铂片对电极和Ag/AgCl参比电极。在本发明中，所述生物膜培养容器的材质优选为玻璃。本发明对所述生物膜培养容器的形状、规格没有特殊的要求，根据实际情况进行相应设计即可。在本发明中，所述生物膜培养容器优选设置有盖子，能保证生物膜培养容器的密闭状态。
本发明将除氧的石化废水、磷酸缓冲溶液、碳源加至生物膜培养容器中，获得生物膜驯化液。在本发明中，所述石化废水中含有石化有机物，所述石化有机物优选为多环芳烃、卤代烃和苯类化合物中的一种或几种；在本发明中，所述石化有机物的代表物质优选为苯酚。
在本发明中，所述石化废水的除氧方法，优选包括以下步骤：
向石化废水中通入氮气和二氧化碳的混合气，进行曝气。
在本发明中，所述混合气中，氮气和二氧化碳的体积比优选为3.8～4.2:1，更优选为4:1。在本发明中，所述曝气的时间优选为30～50min，更优选为40min。本发明通过所述除氧，能够为电化学活性微生物营造相对良好的厌氧环境。
在本发明中，所述磷酸缓冲溶液的pH值优选为7.2～7.4。在本发明中，所述除氧的石化废水与磷酸缓冲溶液的体积比优选为1～2:1，更优选为1.2～1.6:1。
在本发明中，所述碳源优选为乙酸钠和/或葡萄糖。在本发明中，所述所述生物膜驯化液中碳源浓度为0.1～0.3g/L，优选为0.2g/L。
本发明密闭生物膜培养容器，对所述生物膜驯化液施加外部电压，进行驯化，驯化过程中采集三电极系统的电流值，当电流值≤10-6A后，完成一个驯化过程。本发明通过将生物膜培养容器与电化学工作站连接以提供外部电压。在本发明中，所述施加外部电压值相对于参比电极优选为0V。
在本发明中，所述驯化的温度优选为25～30℃，更优选为26～28℃；单个驯化过程的驯化时间优选为5～10天，更优选为6～8天。
本发明优选通过计时电流法自动采集电流数据。
本发明重复多次驯化过程，每次驯化前更换生物膜驯化液，在生物膜培养容器表面获得电活性降解微生物膜。在本发明中，所述驯化过程的重复次数优选为2～4次，更优选为3次。
在本发明中，所述电活性降解微生物膜的厚度优选为70～100μm，更优选为80～90μm。本发明通过多次驯化，有利于获得具有多层结构的电活性降解微生物膜。
本发明提供了一种石化废水的处理方法，包括以下步骤：
按照上述方法培养驯化电活性降解微生物膜，向生物膜培养容器内加入待处理石化废水和碳源，进行微生物电化学降解。在本发明中，所述微生物降解时，生物膜培养容器的三电极系统优选与多通道恒电位仪连通。
在本发明中，所述待处理石化废水优选与培养驯化电活性降解微生物膜时使用的石化废水相同。
在本发明中，所述待处理石化废水中的石化有机物与碳源的质量比优选为1:2～6，更优选为1:3～5。
在本发明中，所述微生物电化学降解的时间优选≥70h，更优选为80～120h。
下面结合实施例对本发明提供的一种采用低浓度碳源培养驯化电活性降解微生物膜的方法、一种石化废水的处理方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
(1)具有电活性的降解微生物膜的低浓度碳源的驯化
生物膜培养容器连接有三电极电化学反应器系统，生物膜培养容器主体为圆柱形玻璃容器，其有效容积为100mL，其顶部为聚四氟乙烯盖子，平时在培养和运行过程中则为密闭状态。三电极系统包括石墨棒工作电极、铂片对电极和Ag/AgCl参比电极。
对石化废水进行除氧，除氧方式为使用氮气和二氧化碳的混合气(体积比为4:1)对溶液进行曝气30min。
向生物膜培养容器内加入除氧石化废水与磷酸缓冲溶液的混合液体，其体积比为2:1，加入浓度为0.2g/L乙酸钠作为碳源，连接至电化学工作站，以提供外部电压以及通过计时电流法自动采集电流数据并进行具有电活性的降解微生物膜的富集驯化，运行一段时间以形成具有一定厚度、形貌和降解能力的微生物膜。
(2)具有电活性的降解微生物膜的低浓度碳源的富集培养
待产生电流降低至10-6A后，再次加入除氧石化废水与磷酸缓冲溶液的混合液体，其比例为2:1，加入浓度为0.2g/L乙酸钠作为碳源，重复2个驯化过程，完成电活性降解微生物膜的富集培养。生物膜培养容器在生物膜驯化培养过程中均放置于30℃的恒温培养箱中。
(3)微生物电化学技术对水体中典型石化废水污染物降解效果的检测与计算
具有电活性的降解微生物膜驯化以及培养成熟之后，向生物膜培养容器中加入含有苯酚浓度为50mg/L的石化废水，在溶液中同步加入0.2g/L的乙酸钠以提供碳源，在不同的时间点用注射器收集样品，然后通过0.22μm的滤膜过滤，依据4-氨基安替比林分光光度法，结合标准曲线，公式为y＝0.0031x+0.0451，R2＝0.9997，利用公式计算出待测水体中的苯酚浓度。
其中，苯酚含量的标准曲线测试方法为：按照梯度浓度配制不同浓度苯酚溶液，依据4-氨基安替比林分光光度法得到510nm下的吸光值大小，之后绘制苯酚浓度和吸光值的曲线，经过处理后得到标准曲线。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于，步骤(1)～(3)中乙酸钠碳源的浓度为0.5g/L。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于，步骤(1)～(3)中乙酸钠碳源的浓度为1.0g/L。
测试例1不同底物浓度碳源培养生物膜的微生物电化学系统电流变化情况
实施例1(0.2g/L组)与对比例1(0.5g/L组)和对比例2(1.0g/L组)在驯化一个周期以及培养两个周期中的电流产出采用恒电位仪实时采集。电化学反应器两端的电流通过连接在电脑上的恒电位仪每100s进行采集记录1次，并由电脑进行自动记录和保存，之后进行绘图，实施例1、对比例1和对比例2的时间-电流曲线如图1所示。图1中点划线的为0.2g/L组的电流，虚线的为0.5g/L组的电流，实线为1.0g/L组的电流。
当生物膜产生的电流密度达到0.50A/m2时能够实现从单层到多层阶段的过渡，此时定义为驯化的成功，根据图1在驯化的第一个周期中，三组MES的驯化成功所用时间差异不明显。但是1.0g/L组的一个周期所用时间明显比0.5g/L组和0.2g/L组的长，1.0g/L组第一个周期历时160h，是0.5g/L组和0.2g/L组的1.10和1.15倍，这就意味着使用高浓度培养的MES对污染物降解之前需要更长的生物膜驯化和培养周期，而这则不利于缩短污水处理时间。在培养的第二个周期中三组均实现了最大电流密度，1.0g/L组在256.1h的最大电流密度达到了5.70A/m2，而0.2g/L组和0.5g/L组则分别在220.2和224.4h分别达到了2.40和4.46A/m2。向系统中加入苯酚后，由于苯酚的影响，1.0g/L组的最大电流密度降低至5.51A/m2。而0.2g/L组的电流密度不仅没有降低而且增加到了2.57A/m2，同样0.5g/L组的电流密度也增加到了4.55A/m2。这可能是由于0.2和0.5g/L乙酸钠培养的生物膜上微生物群落中的多个种群合作更加密切强化了MES抵御苯酚毒性的能力增强而导致的。
测试例2不同底物浓度碳源培养生物膜的微生物电化学系统苯酚去除情况：
将实施例1与对比例1～2运行不同时间(0、6、18、30、42、54、66、78、90h)的苯酚溶液进行取样，然后通过0.22μm的滤膜过滤，依据4-氨基安替比林分光光度法，结合标准曲线，公式为y＝0.0031x+0.0451，R2＝0.9997，利用公式计算出待测水体中的苯酚浓度。得到实施例1与对比例1～2各样品点的苯酚剩余浓度，得到苯酚的去除率并绘图。
实施例1、对比例1和对比例2的剩余苯酚浓度随时间变化的曲线如图2所示，实施例1、对比例1和对比例2的苯酚去除率随时间变化的曲线如图3所示。
由图2和图3可以看出，经过120h的污染物降解阶段，实施例1与对比例1～2反应器中苯酚的去除量表现为0.2g/L组>0.5g/L组>1.0g/L组，表明在使用较低浓度的乙酸钠驯化和培养生物膜的微生物电化学系统中对溶液中苯酚的去除达到了最优的效果，苯酚的去除率达到100％；0.5g/L组和1.0g/L组在苯酚降解速率上表现出几乎相同的趋势，这可能是由于这两组MESs中的底物的量相较于0.2g/L组较为充足，而充足的碳源更加有利于生物膜中电活性微生物在前期的驯化和定殖并使其在群落中占优，而由于电活性微生物带来的底物竞争使得苯酚降解功能微生物的繁殖和正常生命活动受到抑制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种采用低浓度碳源培养驯化电活性降解微生物膜的方法，包括以下步骤：
提供连接有三电极系统的生物膜培养容器；
将除氧的石化废水、磷酸缓冲溶液、碳源加至生物膜培养容器中，获得生物膜驯化液，所述生物膜驯化液中碳源浓度为0.1～0.3g/L；
密闭生物膜培养容器，对所述生物膜驯化液施加外部电压，进行驯化，驯化过程中采集三电极系统的电流值，当电流值≤10-6A后，完成一个驯化过程；
重复多次驯化过程，每次驯化前更换生物膜驯化液，在生物膜培养容器表面获得电活性降解微生物膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述除氧的石化废水与磷酸缓冲溶液的体积比为1～2:1。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述碳源为乙酸钠和/或葡萄糖。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述施加外部电压值相对于参比电极为0V。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述驯化的温度为25～30℃，单个驯化过程的驯化时间为5～10天。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述驯化过程的重复次数为2～4次。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电活性降解微生物膜的厚度为70～100μm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，石化废水的除氧方法，包括以下步骤：
向石化废水中通入氮气和二氧化碳的混合气，进行曝气。
9.一种石化废水的处理方法，包括以下步骤：
按照权利要求1～8任意一项所述方法培养驯化电活性降解微生物膜，向生物膜培养容器内加入待处理石化废水和碳源，进行微生物电化学降解。
10.根据权利要求9所述的处理方法，其特征在于，所述待处理石化废水中的石化有机物与碳源的质量比为1:2～6；
所述石化废水处理的时间≥70h。
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