CN205177940U - 原位测定电极生物膜特性的生物电化学装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及原位测定电极生物膜特性的生物电化学装置，包括阳极室、阴极室、设置在阳极室与阴极室之间的质子交换膜以及分别与阳极室、阴极室相连通的外接硝化反应器，所述的阳极室与阴极室一上一下可对调相对设置，其中，所述的阳极室中水平设有阳极生物膜，所述的阴极室中水平设有阴极生物膜，并且所述的阳极生物膜与阴极生物膜通过外接电路相连接。与现有技术相比，本实用新型装置结构简单、紧凑，密封性强，稳固性好，操作方便，能高效实现在同一电化学状态下原位测试阳极生物膜或阴极生物膜的特性参数，精度高，具有很好的开发运用前景。

Description

原位测定电极生物膜特性的生物电化学装置

技术领域

本实用新型属于生物电化学技术领域，涉及原位测定电极生物膜特性的生物电化学装置。

背景技术

微生物燃料电池(MFCs)由于其在污染物处理的同时可持续回收电能这一经济环保的特性，而吸引了越来越多的关注。在MFC中，阳极和阴极通过导电材料相连，有机质在阳极室被产电微生物氧化，产生电子，电子被传递到阳极电极后通过外电路流至阴极，最终被阴极室中可还原化合物利用。MFC被应用于废水中各类有机物的去除已经被广泛报道。MFC不仅可以将有机物降解转化为电能，而且还能利用如硝酸盐和硫酸盐等作为生物阴极的电子受体，进行还原反应，这表明MFC具有利用自身产电特性进行污染物去除的可能，从而为低碳氮比污水提供可行的处理办法。

在研究生物阴极微生物电化学系统时，电极生物膜的参数及其表现出的电化学信号对于调控及优化MFC处理实际废水的性能十分重要。在大部分的研究中，研究者都借助电化学工作站系统，将配套电极插入MFC系统的电解质中进行原位测试，可获得系统的电化学数据，但都无法直接获得生物膜内部参数及其变化对系统整体性能的影响，而近年来发展较快的微电极为电极生物膜的研究提供了一种可以量化的测试方法，可被运用于电化学系统微生物环境的研究。但由于传统的微生物燃料电池为了减少电极平板之间的距离，而将阳极与阴极电极生物膜竖直平行放置，难以将微电极插入生物膜内部，而采用上下型电极室形式的微生物燃料电池只能测试上极室内生物膜的参数，难以获得同一电化学状态下阳极及阴极电极生物膜的参数，难以将两电极的测试数据进行耦合。

目前，研究人员也在一直寻找有效方法，用以提高阴极反硝化生物膜对于阳极产电生物膜所产电子的利用效率，试图建立不同电极生物膜膜内参数变化的相关关系，但电极生物膜的厚度通常在几十微米到几毫米左右，普通的电化学测试手段难以对其内外微环境进行表征和分析，而微电极作为一种微创的测试手段，使在空间上微米级的分析成为可能，而被逐渐运用广泛。它不但能够表征生物膜内外沿深度与生物膜表面相垂直方向特征参数的梯度分布情况和膜内部某深度上特征参数的变化情况，而且通过溶解氧电极的使用，可以直接测定生物膜的厚度。

此外，由于传统微生物燃料电池容积固定，无法根据实验条件的变化(进水流量、污染物浓度)做出相应的调整，也限制了微生物燃料电池的性能测试及实际应用。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能利用微电极在同一电化学状态下原位测试阳极和阴极生物膜的原位测定电极生物膜特性的生物电化学装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

原位测定电极生物膜特性的生物电化学装置，该装置包括阳极室、阴极室、设置在阳极室与阴极室之间的质子交换膜以及分别与阳极室、阴极室相连通的外接硝化反应器，所述的阳极室与阴极室一上一下可对调相对设置。

所述的阳极室中水平设有阳极生物膜，所述的阴极室中水平设有阴极生物膜，并且所述的阳极生物膜与阴极生物膜通过外接电路相连接。

所述的阳极生物膜由阳极碳布以及负载在阳极碳布上的厌氧产电微生物构成；所述的阴极生物膜由阴极碳布以及负载在阴极碳布上的缺氧产电微生物构成。

其中，厌氧产电微生物为污水处理厂厌氧池污泥驯化得到，缺氧产电微生物为污水处理厂缺氧池污泥驯化得到。

所述的阳极室与阴极室一上一下相对设置时，所述的阳极室顶端还设有微电极及参比电极，并且所述的微电极的底端与阳极生物膜相接触；

所述的阴极室与阳极室一上一下相对设置时，所述的阴极室顶端还设有微电极及参比电极，并且所述的微电极的底端与阴极生物膜相接触。

所述的阳极室设有向阳极室注入废水的第一进水管以及将阳极室的流出液导入外接硝化反应器的第一出水管，并且所述的第一出水管上设有外接蠕动泵。

所述的废水为高氨氮废水。

所述的阴极室设有将外接硝化反应器的流出液导入阴极室的第二进水管以及将阴极室处理液排出的第二出水管。

所述的外接硝化反应器中填充有活性炭纤维填料，该活性炭纤维填料的单丝直径为10-20μm。

所述的活性炭纤维填料上负载有挂膜微生物，该挂膜微生物为污水处理厂好氧池污泥驯化得到。

本实用新型原位测定电极生物膜特性的生物电化学装置可用于在同一电化学状态下原位测定阳极生物膜或阴极生物膜的特性参数。

本实用新型生物电化学装置中，还设有三个密封盖，其中，两个为全密封盖，一个为带孔密封盖，该带孔密封盖上设有用于插入微电极和参比电极的小孔。运行时，顶部密封盖采用带孔密封盖，底部为全密封盖；当需要使用微电极测量同一电化学状态下阳极生物膜或阴极生物膜参数时，可将电池反应器上下颠倒，此时，可采用另一个全密封盖供中转使用。在实际使用时，全密封盖、带孔密封盖可以通过紧固元件，如法兰等，与阳极室、阴极室进行固定连接。

本实用新型中，阳极室与阴极室壁面均呈弧面，注入阳极室的废水(即阳极液)为含有有机物和氨氮的废水，pH为7.5-8.5，溶解氧浓度约为0.5mg/L，而外接硝化反应器的流出液作为阴极液导入至阴极室，其含有硝酸盐和亚硝酸盐，pH为6.5-7.5。

在实际设计时，阳极室、阴极室、外连硝化反应器、密封盖、第一进水管、第二进水管、第一出水管、第二出水管均采用有机玻璃制成。

阳极室、阴极室均为圆柱形反应室，直径为8cm，高为6cm，容积约为0.3L。

本实用新型中，阳极室和阴极室采用上下型构造，内设电极生物膜水平放置，方便从上部将微电极尖端插入电极生物膜进行测量，且可通过顶部密封盖的置换，翻转阴极室、阳极室，测得同一电化学状态下阳极生物膜、阴极生物膜的参数，将两电极的测试数据进行耦合研究；阳极室和阴极室腔体构型一致，采用模块化设计，可根据废水量和污染物浓度变化需求，通过上下堆叠多个反应模块来适当扩充相应极室的容积，再通过外接硝化反应器，做到同步硝化与反硝化，在除碳产电的同时，还能进行脱氮。

与现有技术相比，本实用新型具有以下特点：

1)阳极室和阴极室呈上下对称形式，电极生物膜均为水平放置，方便插入微电极探究生物膜内部微环境，避免了电极生物膜竖直放置造成的测量不便，且无需取出生物膜在外部测试，保证了数据的稳定可靠；同时，可通过反应器上下倒置来改变阳极室、阴极室运行状况，测得同一电化学状态下阳极生物膜、阴极生物膜的参数，实现将两电极的测试数据进行耦合研究，有利于探究不同运行参数(电压、pH、溶解氧浓度等)下，电极生物膜生长过程中膜内性质的变化，从而优化生物电化学系统运行操作；

2)下部极室与中部紧固元件的顶部平行，可保证反应液体充满下部极室，使下部极室的反应液体与质子交换膜充分接触，保证微生物燃料电池运行过程中双极室之间的离子交换；

3)质子交换膜清洗及更换简便，清洗及更换时不会对下部极室内微生物造成影响，保证了实验的稳定性；

4)阳极室与阴极室壁面均呈弧面，没有死角，解决了传统微生物燃料电池内部不易清洗及清洗不净的问题；

5)阴极室和阳极室通过紧固元件连接，并且阳极室、阴极室与质子交换膜之间设置密封垫圈，使得整个系统结构紧凑、密封性强，稳固性好，整个系统运行稳定，具有很好的开发运用前景。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图中标记说明：

1、阳极室，11、阳极生物膜，12、第一进水管，13、第一出水管，2、阴极室，21、阴极生物膜，22、第二进水管，23、第二出水管，3、质子交换膜，4、外接硝化反应器，5、外接电路，51、可调变阻器，6、微电极，7、参比电极，8、外接蠕动泵，9、带孔密封盖，10、全密封盖。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例1：

如图1所示，原位测定电极生物膜特性的生物电化学装置，该装置包括阳极室1、阴极室2、设置在阳极室1与阴极室2之间的质子交换膜3以及分别与阳极室1、阴极室2相连通的外接硝化反应器4，阳极室1与阴极室2一上一下可对调相对设置。

阳极室1中水平设有阳极生物膜11，阴极室2中水平设有阴极生物膜21，并且阳极生物膜11与阴极生物膜21通过外接电路5相连接。

阳极室1设有向阳极室1注入废水的第一进水管12以及将阳极室1的流出液导入外接硝化反应器4的第一出水管13，并且第一出水管13上设有外接蠕动泵8。

阴极室2设有将外接硝化反应器4的流出液导入阴极室2的第二进水管22以及将阴极室2处理液排出的第二出水管23。

在实际使用时，当阳极室1与阴极室2一上一下相对设置时，阳极室1顶端还设有微电极6及参比电极7，并且微电极6的底端与阳极生物膜11相接触；而当阴极室2与阳极室1一上一下相对设置时，阴极室2顶端还设有微电极6及参比电极7，并且微电极6的底端与阴极生物膜21相接触。

阳极室1与阴极室2壁面均呈弧面，注入阳极室1的废水(即阳极液)为含有有机物和氨氮的废水，pH为7.5-8.5，溶解氧浓度约为0.5mg/L，而外接硝化反应器4的流出液作为阴极液导入至阴极室2，其含有硝酸盐和亚硝酸盐，pH为6.5-7.5。

在实际设计时，原位测定电极生物膜特性的生物电化学装置中的阳极室1、阴极室2、外连硝化反应器4、密封盖、第一进水管12、第二进水管22、第一出水管13、第二出水管23均采用有机玻璃制成。

阳极室1、阴极室2均为圆柱形反应腔室，直径为8cm，高为6cm，容积约为0.3L。阳极室1还可以设有阳极蠕动泵，废水通过阳极蠕动泵在阳极室1中循环流动；阴极室2还设有阴极蠕动泵，外接硝化反应器4的流出液进入阴极室2，并通过阴极蠕动泵在阴极室2中循环流动。采用阳极蠕动泵、阴极蠕动泵有利于阳极室1、阴极室2实现连续再循环，能有效降低阳极室1、阴极室2内基质的浓度梯度。

外接硝化反应器4中填充有活性炭纤维填料，该活性炭纤维填料上负载有挂膜微生物，其中，活性炭纤维填料的单丝直径为10-20μm。

本实施例生物电化学装置中，还设有三个密封盖，其中，两个为全密封盖10，一个为带孔密封盖9，该带孔密封盖9上设有用于插入微电极6和参比电极7的小孔，该小孔中还设有用于增加密封性的橡皮塞。运行时，顶部密封盖采用带孔密封盖9，底部为全密封盖10；当需要使用微电极6测量同一电化学状态下阳极生物膜11与阴极生物膜21参数时，可将阳极室与阴极室上下颠倒，此时，可采用另一个全密封盖10供中转使用。在实际使用时，全密封盖10、带孔密封盖9可以通过紧固元件，如法兰等，与阳极室1、阴极室2进行固定连接。

本实施例中，外接电路5为闭合外电路，该电路中还设有可调变阻器51，其阻值变化范围为0-9999Ω。

含有大量有机碳和氨氮的废水通过第一进水管12进入阳极室1，阳极室1顶部通过法兰与带孔密封盖9连接，阳极室1内的阳极碳布上附着大量厌氧产电微生物，废水流经阳极室1时，产电微生物会消耗降解有机质产生质子和电子，质子通过质子交换膜3进入阴极室2，电子由阳极导线流出，经外接可调电阻电路5流向阴极导线，并进入阴极碳布，阳极室1流出液通过第一出水管流出，由外接蠕动泵8吸入外接硝化反应器4进行硝化反应，水中氨氮化合物被转化为硝酸盐及亚硝酸盐类化合物，外接硝化反应器4流出液，再经第二进水管22流入阴极室2，阴极室2底部通过法兰与全密封盖10连接，阴极室2内的阴极碳布上附着大量缺氧产电微生物，废水流经阴极室2时，废水中的硝酸盐和亚硝酸盐被微生物反硝化作用转化为氮气，经处理后的水通过第二出水管23流出。

本实施例生物电化学装置可用于在同一电化学状态下原位测定电极生物膜(即阳极生物膜11、阴极生物膜21)的特性参数。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.原位测定电极生物膜特性的生物电化学装置，其特征在于，该装置包括阳极室(1)、阴极室(2)、设置在阳极室(1)与阴极室(2)之间的质子交换膜(3)以及分别与阳极室(1)、阴极室(2)相连通的外接硝化反应器(4)，所述的阳极室(1)与阴极室(2)一上一下可对调相对设置，所述的阳极室(1)中水平设有阳极生物膜(11)，所述的阴极室(2)中水平设有阴极生物膜(21)，并且所述的阳极生物膜(11)与阴极生物膜(21)通过外接电路(5)相连接。

2.根据权利要求1所述的原位测定电极生物膜特性的生物电化学装置，其特征在于，所述的阳极室(1)与阴极室(2)一上一下相对设置时，所述的阳极室(1)顶端还设有微电极(6)及参比电极(7)，并且所述的微电极(6)的底端与阳极生物膜(11)相接触。

3.根据权利要求1所述的原位测定电极生物膜特性的生物电化学装置，其特征在于，所述的阴极室(2)与阳极室(1)一上一下相对设置时，所述的阴极室(2)顶端还设有微电极(6)及参比电极(7)，并且所述的微电极(6)的底端与阴极生物膜(21)相接触。

4.根据权利要求1所述的原位测定电极生物膜特性的生物电化学装置，其特征在于，所述的阳极室(1)设有向阳极室(1)注入废水的第一进水管(12)以及将阳极室(1)的流出液导入外接硝化反应器(4)的第一出水管(13)，并且所述的第一出水管(13)上设有外接蠕动泵(8)。

5.根据权利要求1所述的原位测定电极生物膜特性的生物电化学装置，其特征在于，所述的阴极室(2)设有将外接硝化反应器(4)的流出液导入阴极室(2)的第二进水管(22)以及将阴极室(2)处理液排出的第二出水管(23)。

6.根据权利要求1所述的原位测定电极生物膜特性的生物电化学装置，其特征在于，所述的外接硝化反应器(4)中填充有活性炭纤维填料，该活性炭纤维填料的单丝直径为10-20μm。