[发明专利]电化学耦合厌氧生物地球化学微宇宙试验装置及使用方法

权利要求书

1.电化学耦合厌氧生物地球化学微宇宙试验装置，其特征在于：用于对含γ-六氯环己烷的土壤悬浊液进行稳定降解；

该装置包括厌氧生物地球化学微宇宙系统、生物电极系统、恒温水浴系统；所述生物电极系统为厌氧生物地球化学微宇宙系统内的微生物提供电子供体，恒温水浴系统为厌氧生物地球化学微宇宙系统提供恒温水浴；

所述生物电极系统包括由相互平行的生物阳极(9)、生物阴极(10)、参比电极(8)组成的生物三电极，还包括直流电源(22)；

所述厌氧生物地球化学微宇宙系统包括带有密封盖(11)的反应器筒体(12)；密封盖(11)处密封的分别设有短颈三通阀(4)和长颈三通阀(6)；所述短颈三通阀(4)包括进水口Ⅰ(14)和出气口Ⅰ(15)，进水口Ⅰ(14)与进水泵(13)相连，出气口Ⅰ(15)连接气体取样包(16)；所述长颈三通阀(6)包括出水口Ⅱ(17)和进气口Ⅱ(18)，出水口Ⅱ(17)连接注射器(19)，进气口Ⅱ(18)前端的管路设有N₂减压阀(20)；所述密封盖(11)处密封的分别设有生物阳极(9)、生物阴极(10)以及参比电极(8)，生物阳极(9)和生物阴极(10)分别通过导线与外部直流电源(22)的正极与负极相连；于生物阴极(10)旁固定参比电极(8)；参比电极(8)与在线监测仪(27)相连接，用于测定生物阴极(10)的阴极电势；

所述的生物阳极(9)和生物阴极(10)直径均为0.5cm，所述的参比电极(8)直径为0.6cm，所述生物阳极(9)与生物阴极(10)之间的距离为0.5cm，生物阴极(10)和参比电极(8)之间的距离为0.5cm；

生物阴极(10)的阴极电势是通过与参比电极(8)形成电池，因参比电极8的电势固定，所以可得知生物阴极的电势；

所述密封盖(11)处密封的分别设有DO探头(1)、H₂探头(2)、ORP探头(3)、pH参比探头(5)和pH探头(7)，

DO探头(1)与溶解氧检测仪(23)相连，

H₂探头(2)与H₂检测仪(24)相连，

ORP探头(3)与氧化还原检测仪(25)相连，

pH参比探头(5)、pH探头(7)分别与pH检测仪(26)相连，

溶解氧检测仪(23)、H₂检测仪(24)、氧化还原检测仪(25)、pH检测仪(26)分别实时监测微宇宙内部DO、H₂、ORP、pH指标。

2.根据权利要求1所述的电化学耦合厌氧生物地球化学微宇宙试验装置，其特征在于：

所述生物阳极(9)和生物阴极(10)均为石墨毡电极，所述参比电极(8)为饱和Ag/AgCl电极。

3.根据权利要求2所述的电化学耦合厌氧生物地球化学微宇宙试验装置，其特征在于：

所述恒温水浴系统包括套筒(21)、水浴加热装置(29)、循环泵(30)，

反应器筒体(12)被套装于套筒(21)内，套筒(21)的内腔、水浴加热装置(29)、循环泵(30)循环相连。

4.根据权利要求1～3任一所述的电化学耦合厌氧生物地球化学微宇宙试验装置，其特征在于：DO探头(1)直径为1.6cm，H₂探头(2)直径为1.6cm，ORP探头(3)直径为1.1cm，pH参比探头(5)直径为1.6cm，pH探头(7)直径为1.1cm。

5.利用如权利要求1～4任一所述的电化学耦合厌氧生物地球化学微宇宙试验装置进行的电化学耦合厌氧反应法，其特征在于，

其工作过程为：

N₂源通过N₂减压阀（20）从长颈三通阀（6）的进气口Ⅱ（18）向微宇宙系统装置充N₂30min，即，N₂通过长颈三通阀（6）的进气口Ⅱ（18）进入反应器筒体（12）内；通N₂的目的为置换反应器筒体（12）内的空气，使体系处于无氧环境下；此时短颈三通阀（4）的出气口Ⅰ（15）也打开，从而排出被置换的空气；

然后在N₂保护气持续充入下，将含γ-六氯环己烷的土壤悬浊液作为培养液通过进水泵（13）由短颈三通阀（4）的进水口Ⅰ（14）进入厌氧微宇宙体系的反应器筒体（12）内；关闭长颈三通阀（6）的进气口Ⅱ（18）和短颈三通阀（4）的进水口Ⅰ（14）；

此时，培养液处于安装有生物阳极（9）、生物阴极（10）、参比电极（8）的电场，即，位于反应器筒体（12）内的生物阳极（9）、生物阴极（10）、参比电极（8）均浸泡在培养液内；通过直流电源（22）使得生物阳极（9）、生物阴极（10）通电后工作，对培养液进行电解处理，从而实现生物电极促进γ-六氯环己烷的还原转化降解；

通过连接装置外部的在线监测仪（27）和计算机（28），实时测定生物阴极（10）的阴极电势；培养液持续接触DO探头（1）、H₂探头（2）、ORP探头（3）、pH参比探头（5）和pH探头（7），并通过连接装置外部的溶解氧检测仪（23）、H₂检测仪（24）、氧化还原检测仪（25）、pH检测仪（26）实时检测微宇宙装置中的DO、H₂、ORP、pH指标；

在试验整个周期选取若干个培养时间点，通过与短颈三通阀（4）相连的气体取样包（16）以及与长颈三通阀（6）相连的出水口Ⅱ（17），取气和一定体积的液体，分析体系碳元素生物地球化学循环过程和微生物群落构成；具体如下：在取样时间点打开长颈三通阀（6）的出水口Ⅱ（17），抽取培养液于注射器（19）中，打开短颈三通阀（4）的出气口Ⅰ（15），抽取气体于气体取样包（16）中；

反应器筒体（12）外部的套筒（21）、水浴加热装置（29）、循环泵（30）构成循环水管路，循环泵（30）提供水循环动力，维持厌氧微宇宙装置的温度恒定；即，通过恒温水浴系统，使得反应器筒体（12）内的培养液在设定的温度下进行厌氧培养；

通过生物电极系统的生物阴极（10）附近固定的参比电极（8）获得阴极电势数据，通过厌氧生物地球化学微宇宙系统的DO探头（1）、H₂探头（2）、ORP探头（3）、pH参比探头（5）和pH探头（7）及其对应的氧化还原检测仪（25）、H₂检测仪（24）、溶解氧检测仪（23）、pH检测仪（26）获得实时动态DO、H₂、ORP、pH数据；根据目标污染物γ-六氯环己烷降解所需的吉布斯自由能，通过能斯特方程计算所需的电势差，通过调节生物电极系统外部的直流电源（22）的电压将阴极电势控制在略低于所需电势差的范围内，并通过参比电极（8）、在线监测仪（27）和计算机（28）实时监控，达到降解γ-六氯环己烷的目的；通过DO、H₂、ORP、pH数据能获得厌氧生物地球化学微宇宙系统实时基本物化指标数据，实现实时动态监测体系运行过程的结果。