一种强化微生物电化学脱氮的方法与大阴极室连续流生物电化学反应装置与流程

本发明属于地下水生物处理技术领域，具体涉及一种强化微生物电化学脱氮的方法与大阴极室连续流生物电化学反应装置。

背景技术：

地下水是地球上仅次于冰川的最大的淡水库，它不仅是水文循环的一个重要组成部分，还是人类的重要水资源。它具有地域分布广、随时接受降水和地表水补给、便于开采、水质较好、径流缓慢等特点，具有重要的供水价值。特别是对于郊区和农村地区，地下水更是重要的饮用水水源。随着地表水污染的加剧，人类对地下水的依存程度将继续增加。目前我国地下水资源污染严重。据我国130个城市和地区地下水水质统计分析，多数城市地下水受到一定程度的点状和面状污染，使一些物质在局部区域超标，污染呈上升趋势，主要超标元素包括矿化度、总硬度、硫酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、pH值、铁和锰。总的来说，从污染程度上来看，北方城市污染普遍较南方严重，污染元素多且超标率高，特别是华北地区，污染最为突出。从污染元素来看，“三氮”污染在全国均较突出，普遍受到污染。而“三氮”的污染对人体的主要危害体现在亚硝氮的强烈致癌作用，因此地下水氮污染问题的处理显得刻不容缓。

传统的地下水的处理方法是膜处理方法，膜处理方法虽然可以达到很好的处理效果，但是膜处理方法同时也面临着膜材料昂贵，运行成本高，有些甚至还有二次污染的问题，而电化学法作为高级氧化法的一种，具有无二次污染、无需外加化学试剂、反应条件温和、氧化性极强等特点，在废水处理过程中得到了大量的应用。微生物电解池（MEC）是利用外加电源，使得一些功能微生物以电极作为电子供体，在微电场的刺激下，加速污染物的降解。MEC难以大规模应用于实际生产的原因是能耗大而且去除污染物的速率不高。电极是决定MEC影响电化学反应的主要因素，其中阴极是微生物生长繁殖以及胞外电子传递效率的关键。因此选用性能优秀、费用低廉的阴极材料，设计合理的阴极极结构十分重要。本发明设计一种新型的可放大且费用低的高性能阴极，旨在提供加速降解污染物的方法。

为了提高反硝化速率，本发明设计了一种大阴极室连续流电化学反应器，阴极室内废水可以实现连续流动，从而达到连续去除硝酸根的目的，增大微生物可利用的阴极表面积，实现有效的电流收集是设计大尺寸MEC阴极的关键。由于颗粒碳材料在生活中易于获取，来源广泛，且拥有较大的比表面积，其作为三维电极材料是非常合适的选择。因此三维电极石墨粒广泛应用于各种生物电化学系统中。此外在之前的学者研究表明对电极材料的一些修饰会使得电极的电化学性能有一定的提升，而之前的研究也主要集中在阳极的修饰上，之前的研究表明用一些金属氧化物和导电聚合物等能明显促进MFC的产电，但是对生物阴极进行处理促进污染物降解的研究并不多，本发明旨在通过对三维电极进行修饰处理作为生物阴极和优化反应器的结构达到最后的目的。

技术实现要素：

为了解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于对三维电极采用不同的物理化学处理，得到促进反硝化过程的处理方法。

本发明的另一目的在于提供一种大阴极室连续流生物电化学反应装置，用于地下水的处理。

本发明的再一目的在于将修饰的三维电极石墨粒及其制备的污染物降解装置应用于以污染的地下水为主的各种废水的处理。

本发明目的通过以下技术方案实现。

一种强化微生物电化学脱氮的方法，包括如下步骤：

（1）将经过表面修饰的三维电极石墨粒填充在微生物电解池的阴极室，增大阴极表面积；

（2）在微生物电解池的阳极室中加入磷酸盐缓冲溶液，在微生物电解池的阴极室中加入驯化好的反硝化菌的菌液和营养液，运行微生物电解池；

（3）直至出现稳定的生物电流后，在微生物电解池的阴极室中加入含硝酸根的废水，强化微生物电化学脱除废水中的氮。

进一步地，步骤（1）中，所述表面修饰包括酸处理、酸热处理、H₂O₂处理、吡咯和蒽醌2，6二磺酸钠电化学聚合修饰（PPy和AQDS电化学聚合修饰）或石墨烯氧化物修饰。

更进一步优化的，所述酸处理的酸优选为硝酸（HNO₃）。

进一步地，步骤（1）中，所述表面修饰的三维电极石墨粒在进行表面修饰前经过预处理，包括如下步骤：将石墨粒用37wt%的浓HCl浸泡24h，用去离子水反复清洗，再用去离子水超声清洗，直至石墨粒浸出液的pH至中性为止，最后在60℃烘箱中烘干，备用。

更进一步地，所述石墨粒的平均粒径为3~5mm。

进一步地，步骤（1）中，经过表面修饰的三维电极石墨粒填充阴极室的量为阴极室体积的60%。

进一步地，步骤（2）中，所述磷酸盐缓冲溶液的pH=7。

进一步地，步骤（2）中，所述反硝化菌的菌液与营养液的质量比为1:2。

表面修饰的三维电极石墨粒应用在生物阴极降解污染物中，增大微生物电化学电解池的阴极表面积，促进生物电化学反应器降解污染物，将所述表面修饰的三维电极石墨粒作为阴极材料制作大阴极室连续流生物电化学反应装置。

一种基于上述方法的大阴极室连续流生物电化学反应装置，为双层筒状结构，内外层筒间为阴极室，内层筒内为阳极室，且阴极室为连续流结构；阳极为石墨刷，阴极为石墨毡和填充的三维电极石墨粒；阳极石墨刷在阳极室内，阳极室均匀分布着小孔，阳离子交换膜环绕在阳极室外侧；阴极的石墨毡在阳离子交换膜的外侧，三维电极石墨粒均匀分布在阴极室内；阳极室中加入磷酸盐缓冲溶液，阴极室中加入驯化好的反硝化菌的菌液和营养液。

进一步地，所述阴极室与阳极室的体积比为5:1。

进一步地，所述三维电极石墨粒为表面修饰的三维电极石墨粒或未经表面修饰的三维电极石墨粒。

所述的一种大阴极室连续流生物电化学反应装置应用于地下水处理，通过表面修饰的三维电极石墨粒作为阴极材料，增大阴极表面积，并优化反应装置的结构，强化污染物的降解。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

（1）本发明采用三维电极石墨粒作为基材电极，在投影面积与传统二维电极材料相同条件下，比表面积更大；传统的二维阳极系统中，扩大电极尺寸需要相应地扩大反应器的容积，从而过多地增加了基建的费用，而三维阳极具有很大的比表面积，在相同的反应器容积下能提供更大的表面积，更适合用于废水处理的大规模MEC；

（2）本发明用不同的方法处理三维电极石墨粒，将一些活性位点或官能团修饰到三维电极表面，使得电极生物相容性更好，更有利于反硝化菌的附着；

（3）本发明通过处理修饰生物阴极，而且能显著地提高电池的反硝化速率，从而拓展了微生物电化学降解污染物的发展应用；

（4）本发明的一种大阴极室连续流生物电化学反应装置能很好的运用于实际污染地下水的降污。

附图说明

图1为实验过程构建的微生物电解池反应器示意图；

图2为三维电极石墨粒不同填充比下硝酸根去除率图；

图3为本发明实施例1~5的不同表面修饰处理的三维电极石墨粒与未修饰的三维电极石墨粒对应反应器的阴极室硝氮降解的对比图；

图4为本发明实施例1~5的不同表面修饰处理的三维电极石墨粒与未修饰的三维电极石墨粒对应反应器的阴极室亚硝氮降解的对比图；

图5为本发明实施例1~5的不同表面修饰处理的三维电极石墨粒与未修饰的三维电极石墨粒对应反应器的阴极室pH的对比图；

图6为本发明大阴极室连续流生物电化学反应装置图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明的石墨粒购买自北京三业碳素有限公司，粒径为3~5mm。

对购买的石墨粒进行预处理：将石墨粒先用37wt%的浓盐酸浸泡24h，去除石墨粒中所含有的杂质，然后用去离子水反复清洗，再用去离子水超声清洗，直至石墨粒浸出液的pH为中性为止，最后用60℃烘箱烘干，备用。

实施例中所使用的石墨烯氧化物粉末通过以下制备方法制备得到：

（1）将360ml浓H₂SO₄和40ml浓H₃PO₄混合后，加入到3.0g石墨薄片和18.0g KMnO₄的混合物中，然后50℃搅拌12 h，冷却至室温后，倾入400mL冰水和3mL 30wt%的过氧化氢混合物中，得到混合液；

（2）将混合液用金属筛网筛选，然后通过聚酯纤维过滤得到滤液，以去除未参与反应的石墨薄片；将滤液在4000 rpm转速下离心分离4 h，将上清液滗析；

（3）滗析剩余的固体物料依次用200 mL的水、200 mL 30%质量分数的HCl水溶液和200 mL的乙醇洗涤2次，每次洗涤后重复步骤（2），得到固体物料；

（4）将得到的固体物料加入200 mL乙醚中，混凝，产生的絮凝物通过孔径0.45 μm PTFE膜过滤，所得的固体物质在室温下真空干燥整夜，得到石墨烯氧化物粉末。

实施例1 酸处理三维电极石墨粒：

（1）将预处理好的石墨粒浸泡在8mol/L硝酸中24h后，将硝酸倒入废液瓶中，然后用去离子水清洗和超声交替进行清洗石墨粒；

（2）待清洗石墨粒的浸出液的pH为中性后，倒掉浸出液，将石墨粒置于60℃的烘箱中烘干，得到酸处理的三维电极石墨粒。

实施例2 酸热处理三维电极石墨粒：

（1）将预处理好的石墨粒浸泡在8mol/L硝酸中24h后，将硝酸倒入废液瓶中，然后用去离子水清洗和超声交替进行清洗石墨粒；

（2）待清洗石墨粒的浸出液的pH为中性后，倒掉浸出液，将石墨粒置于60℃的烘箱中烘干；

（3）将烘干的三维电极石墨粒置于马弗炉中，以2℃/min的增温速率加热至400℃，保温热处理12h后，自然冷却至室温，得到酸热处理的三维电极石墨粒。

实施例3 H₂O₂处理三维电极刷石墨粒：

（1）将预处理好的石墨粒放入10%质量浓度的双氧水溶液中，并用锡箔纸密封，90℃下水浴2小时；

（2）然后将双氧水倒出，加入与双氧水等体积的去离子水，90℃继续水浴2h，并每1h换一次水；

（3）再将石墨粒放入60℃的烘箱中烘干，得到H₂O₂处理的三维电极石墨粒。

实施例4 PPy和AQDS电化学聚合修饰三维电极石墨粒：

（1）将预处理好的石墨粒置于200ml的烧杯中，采用三电极体系对石墨粒进行修饰，工作电极为碳毡和石墨粒，对电极为铂网电极，而参比电极为饱和甘汞电极。

（2）电化学修饰采用的电解液是5mM的AQDS溶液和0.1M的PPy溶液，PPy溶液和AQDS溶液的体积比为1:50，加载的电位是0.8V，氮气气氛下聚合1h；

（3）将步骤（2）得到的三维电极石墨粒用pH=7的PBS溶液淋洗，待淋洗液的pH为中性后，用去离子水洗净，烘干，得到PPy和AQDS共聚修饰的三维电极石墨粒。

实施例5

3D石墨烯氧化物气凝胶修饰三维电极石墨粒：

（1）取石墨烯氧化物粉末用去离子水进行分散，配制浓度为5mg/ml的石墨烯氧化物分散液，放入超声波清洗机中超声分散均匀；

（2）将石墨粒浸没于步骤（1）的石墨烯氧化物分散液中，放入超声波清洗机超声处理1h，取出后放入烘箱，60℃下陈化20h，得到附着有石墨烯氧化物水溶胶的石墨粒；

（3）将附着有石墨烯氧化物水溶胶的石墨粒立即放入液氮冷冻1h，然后在真空状态下冷冻干燥处理3天，得到沉积有石墨烯氧化物气凝胶的三维电极石墨粒，将多余的气凝胶刮除，得到3D石墨烯氧化物气凝胶修饰的三维电极石墨粒。

实施例6

1、微生物电解池组装

构建微生物电解池，构建的微生物电解池如图1所示，包括结构：饱和甘汞电极1，阴极室2，三维电极石墨粒3，阴极4，阳离子膜5，阳极6，阳极室7，电化学工作站8，取样孔9。

其中，阴极为石墨毡，制备方法如下：

（1）将石墨毡放入10%质量浓度的双氧水溶液在90℃下水浴煮2小时，再用与双氧水等体积的去离子水在90℃下水浴煮2小时，烘箱烘干；

（2）将石墨毡剪成直径为5cm的圆片；

（3）用钛丝将石墨毡穿好，得到石墨毡阴极。

MEC反应器的具体组装步骤如下：

（1）将实施例得到的三维电极石墨粒装入反应器阴极室；将石墨毡电极的钛丝穿过反应器的小孔，将阴极电极平面与电极壳体板平面平行；

（2）用AB胶将钛丝与阴极壳体小孔粘好，放置5分钟固化；

（3）将预处理的石墨毡按上述同样的方法装入阳极室，再将离子交换膜压在阴极室壳体上，接着用阳极壳体将阴极壳体、离子交换膜固定住，最后拧上螺纹螺母；

（4）将驯化好的自养反硝化菌加入阴极室中，并加入与反硝化菌的菌液质量比为2:1的营养液，再用硅胶塞塞好；

（5）向阳极室中加入pH=7的PBS溶液，然后给电池施加-0.5V的电位；等到出现的生物电流稳定后，向阴极室中加入含硝酸根的模拟废水，加入的硝酸盐的浓度为40mg/L，经过驯化，直至工作站记录的生物电流能明显产生。

反应器运行后，由电化学工作站采集生物电流数据，每隔12h从阴极室中取样1ml，且每次取样都经过0.45µm滤膜；将所取的样品置于4ml离心管中，在4℃的冰箱中保存，最后用pH仪和紫外分光光度计分别测量样品的pH、硝氮和亚硝氮的浓度的变化。

2、三维电极石墨粒不同填充比对反硝化速率的影响

在反应器阴极室中分别按不同填充体积比（20%、40%、60%、80%、100%）装入经过实施例2预处理的石墨粒，按照图1所示装好反应器；比较不同反应器在反应器运行60h后，阴极室中三维电极石墨粒不同填充比反应器中硝酸根的去除率。

结果如图2所示，图2显示不同填充比三维电极石墨粒反应器中的硝酸根与去除率的关系，由图中可以看出，当填充比为60%的时候的去除效果最佳。

3、强化微生物电解池电化学脱氮

将实施例1~5表面修饰的三维电极石墨粒与未修饰的三维电极石墨粒（对比组）分别设计MEC反应器，填充量为阴极室体积的60%，并分析对应反应器的阴极室pH、硝氮和亚硝氮的浓度变化。

图3为不同表面修饰的三维电极石墨粒与未修饰的三维电极石墨粒（对比组）对应反应器的阴极室硝氮降解的对比图，由图3可以看出，由实施例1~5表面修饰的三维电极石墨粒设计的反应器相对于空白对比组均有提升，经过酸热处理的三维电极所对应的硝酸根的去除率最快，平均去除速率为3.2mg/L.h^-1，是未经修饰三维电极石墨粒的1.6倍；而对于促进效果，酸热处理>PPy和AQDS修饰>酸处理>H₂O₂>石墨烯氧化物修饰>空白对比组。

图4不同表面修饰处理的三维电极石墨粒与未修饰的三维电极石墨粒（对比组）对应反应器的阴极室亚硝氮降解的对比图，由图4可知，各组实验组之中的亚硝酸根呈先升高再降低的变化，且经过酸热处理组的去除效果较快。

图5为不同表面修饰处理的三维电极石墨粒与未修饰的三维电极石墨粒（对比组）对应反应器的阴极室pH的对比图，由图5可知，各实验组的pH都有上升，而pH的上升也表明反硝化过程的进行，且经酸热处理实验组pH升高最高。

4、大阴极室连续流生物电化学装置处理污染的地下水

分别设计大阴极室连续流生物电化学装置处理污染的地下水，三维电极石墨粒选取酸热处理、PPy和AQDS共聚电化学修饰、氧化石墨烯修饰的三维电极石墨粒；

装置如图6所示，包括结构：电化学工作站201，阳极石墨刷202，阳离子交换膜203，阳极204，取样孔205，三维电极石墨粒206，进水口207，蠕动泵208，水箱209，出水口210，参比电极211；装置为双层筒状结构，内外层筒间为阴极室，内层筒内为阳极室，阴极室与阳极室体积比为5:1，且阴极室为连续流结构，能够对地下水能够稳定连续的处理；阳极则为直径为10cm、长度为25cm的石墨刷，阴极为石墨毡和填充的三维电极石墨粒，三维电极石墨粒的填充量为阴极室体积的60%；阳极石墨刷在阳极室内，阳极室均匀分布着小孔，孔径为5mm，孔间距为10mm；阳离子膜环绕在阳极室外侧；阴极的石墨毡在阳离子交换膜的外侧，三维电极石墨粒均匀分布在阴极室内；阳极室中加入pH=7的PBS溶液，阴极室中加入驯化好的反硝化菌的菌液，菌液与营养液的质量比为1:2；装置的运行条件与反应器的运行条件一致。

最终的运行结果表明，三种表面修饰的三维电极石墨粒对应的反应装置相比空白组（未处理三维电极石墨粒），反硝化速率均有提升。且该装置与实际的水处理过程更为接近，在HRT=24h，阴极电压为-0.5V，C：N比为2：1时，反应装置的反硝化速率最快，为硝氮污染地下水的处理提供了一种思路。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。