It is provided a monitoring reactor and a method for using the same, belonging to microbiologic electrochemical early-warning technology. The monitoring reactor enriches microorganisms therein before use, and consumes the organic matter. When the organic matter in the monitoring reactor is consumed completely, i.e. the microorganisms are in a starved state, the monitoring reactor is placed in a system to be monitored for monitoring, thereby avoiding the interference of the organic matter in the soil in the monitoring reactor to the electrical signal and improving the monitoring accuracy. Furthermore, since the electrical signal in the monitoring reactor is conducted through the electricigens, the process of generating electricity of the electricigens is a process of growth and propagation of microorganism. This process is less affected by the monitored environment. Therefore, the signal output process is stable, without swell and sag of the electrical signal.
1. A monitoring reactor, comprising:
an outside wrapping steel mesh, having a shape of a hollow inverted cone frustum with a top opened;
a biochar structure, located inside the outside wrapping steel mesh, the biochar structure having a shape of a hollow inverted cone frustum with a top opened;
a hollow cylindrical steel mesh structure, located inside the biochar structure,
wherein the outside wrapping steel mesh, the biochar structure and the hollow cylindrical steel mesh structure are coaxial;
a mixture of cross-linked sodium polyacrylate and soil particles is filled between the outside wrapping steel mesh and the biochar structure, and between the biochar structure and the hollow cylindrical steel mesh structure; the soil particles are farmland soil particles;
wherein the biochar structure is an anode and the hollow cylindrical steel mesh structure is a counter electrode;
wherein the biochar structure and the hollow cylindrical steel mesh structure are respectively connected to an external wireless-internet-supplying power collector via wires.
2. The monitoring reactor according to claim 1, wherein apertures of the outside wrapping steel mesh and of the hollow cylindrical steel mesh structure are both within a range of 10-20 mesh.
3. The monitoring reactor according to claim 1, wherein a thickness of the biochar structure is within a range of 1.5-2.5 cm.
4. The monitoring reactor according to claim 1, wherein the outside wrapping steel mesh has an upper radius within a range of 5-6 cm, a lower radius within a range of 2-3 cm and a height within a range of 15-20 cm;
the biochar structure has an upper radius within a range of 4.8-5.8 cm, a lower radius within a range of 1.7-2.7 cm and a height within a range of 14-19 cm;
the hollow cylindrical steel mesh structure has a radius within a range of 1.5-2.5 cm and a height within a range of 13-18 cm.
5. The monitoring reactor according to claim 2, wherein the outside wrapping steel mesh has an upper radius within a range of 5-6 cm, a lower radius within a range of 2-3 cm and a height within a range of 15-20 cm;
the biochar structure has an upper radius within a range of 4.8-5.8 cm, a lower radius within a range of 1.7-2.7 cm and a height within a range of 14-19 cm;
the hollow cylindrical steel mesh structure has a radius within a range of 1.5-2.5 cm and a height within a range of 13-18 cm.
6. The monitoring reactor according to claim 3, wherein the outside wrapping steel mesh has an upper radius within a range of 5-6 cm, a lower radius within a range of 2-3 cm and a height within a range of 15-20 cm;
the biochar structure has an upper radius within a range of 4.8-5.8 cm, a lower radius within a range of 1.7-2.7 cm and a height within a range of 14-19 cm;
the hollow cylindrical steel mesh structure has a radius within a range of 1.5-2.5 cm and a height within a range of 13-18 cm.
7. The monitoring reactor according to claim 4, wherein mass of the mixture of cross-linked sodium polyacrylate and soil particles filled between the outside wrapping steel mesh and the biochar structure, and the mixture between the biochar structure and the hollow cylindrical steel mesh structure is within a range of 60-90 g.
8. The monitoring reactor according to claim 5, wherein mass of the mixture of cross-linked sodium polyacrylate and soil particles filled between the outside wrapping steel mesh and the biochar structure, and the mixture between the biochar structure and the hollow cylindrical steel mesh structure is within a range of 60-90 g.
9. The monitoring reactor according to claim 6, wherein mass of the mixture of cross-linked sodium polyacrylate and soil particles filled between the outside wrapping steel mesh and the biochar structure, and the mixture between the biochar structure and the hollow cylindrical steel mesh structure is within a range of 60-90 g.
10. The monitoring reactor according to claim 1, wherein a mass ratio of cross-linked sodium polyacrylate to soil particles is within a range of 1:1-1:5.
11. The monitoring reactor according to claim 7, wherein a mass ratio of cross-linked sodium polyacrylate to soil particles is within a range of 1:1-1:5.
12. The monitoring reactor according to claim 8, wherein a mass ratio of cross-linked sodium polyacrylate to soil particles is within a range of 1:1-1:5.
13. The monitoring reactor according to claim 9, wherein a mass ratio of cross-linked sodium polyacrylate to soil particles is within a range of 1:1-1:5.
14. The monitoring reactor according to claim 1, wherein the monitoring reactor is provided with a soil exploitation cone when used.
15. A method for using a monitoring reactor, which includes an outside wrapping steel mesh, having a shape of a hollow inverted cone frustum with a top opened;
a biochar structure, located inside the outside wrapping steel mesh, the biochar structure having a shape of a hollow inverted cone frustum with a top opened;
a hollow cylindrical steel mesh structure , located inside the biochar structure,
wherein the outside wrapping steel mesh, the biochar structure and the hollow cylindrical steel mesh structure are coaxial;
a mixture of cross-linked sodium polyacrylate and soil particles is filled between the outside wrapping steel mesh and the biochar structure, and between the biochar structure and the hollow cylindrical steel mesh structure; the soil particles are farmland soil particles;
wherein the biochar structure is an anode and the hollow cylindrical steel mesh structure is a counter electrode; the biochar structure and the hollow cylindrical steel mesh structure are respectively connected to an external wireless-internet-supplying power collector via wires;
the method comprising:
applying an external source voltage between the biochar structure and the hollow cylindrical steel mesh structure of the monitoring reactor;
inserting the monitoring reactor into a degradation system when the electrical signal is lower than 0.01 mA; and
monitoring degradation of contaminants.
16. The method according to claim 15, wherein the external source voltage is within a range of 0.2-0.7 V.
17. The method according to claim 15, wherein apertures of the outside wrapping steel mesh and of the hollow cylindrical steel mesh structure are both within a range of 10-20 mesh.
18. The method according to claim 15, wherein a thickness of the biochar structure is within a range of 1.5-2.5 cm.
19. The method according to claim 15, wherein the outside wrapping steel mesh has an upper radius within a range of 5-6 cm, a lower radius within a range of 2-3 cm and a height within a range of 15-20 cm;
the biochar structure has an upper radius within a range of 4.8-5.8 cm, a lower radius within a range of 1.7-2.7 cm and a height within a range of 14-19 cm;
the hollow cylindrical steel mesh structure has a radius within a range of 1.5-2.5 cm and a height within a range of 13-18 cm.
20. The method according to claim 17, wherein the outside wrapping steel mesh has an upper radius within a range of 5-6 cm, a lower radius within a range of 2-3 cm and a height within a range of 15-20 cm;
the biochar structure has an upper radius within a range of 4.8-5.8 cm, a lower radius within a range of 1.7-2.7 cm and a height within a range of 14-19 cm;
the hollow cylindrical steel mesh structure has a radius within a range of 1.5-2.5 cm and a height within a range of 13-18 cm.
相关申请的交叉引用
[0001] 本申请要求于2021年1月8日向中国专利局提交的申请号为202110022998.5、名称为“监测反应器及其使用方法”的中国专利申请的优先权,该申请的全部内容通过引用并入本申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及微生物电化学预警技术领域,具体涉及一种监测反应器及其使用方法。
背景技术
[0003] 油田的勘探和利用极大地提高了一个国家的经济水平。 但在勘探和运输过程中也带来了严重的石油污染问题。 2018年颁布的《中华人民共和国土壤污染防治法》也对石油污染土壤的高效环保修复提出了更高的要求。 随着世界各国对石油污染造成的生态破坏和健康风险的认识不断加深,及时、快速地监测泄漏的石油碳氢化合物可以大大减少修复工作量,从而减轻土壤污染。
[0004] 目前,监测微生物的呼吸过程是表征土壤健康程度最常用的方法,该方法通过反映土壤的生物活性和土壤中有机质的含量来实现对土壤的健康监测。 但这种方法既费材料又费时间。 而且该方法对土壤环境含水量要求较高,对水饱和土壤或透水性低的土壤敏感性较低。
[0005] 微生物电化学技术通过量化微生物降解土壤中有机物时释放的电子来评价土壤微生物活性水平,从而通过电压变化实现土壤健康程度的评价和监测。 该技术具有实时、低成本、低消耗等优点。 近年来,微生物电化学技术实现了土壤中石油烃分子的高效降解; 但目前缺乏一种稳定运行、能够监测石油烃污染土壤健康程度的技术。
概括
[0006] 鉴于上述情况,一些实施例的目的是提供一种监测反应器及其使用方法。 本发明提供的监测反应器能够对石油烃类污染物的降解过程进行实时、准确、稳定的监测。
[0007] 为了实现上述实施例的目的,本发明提供以下技术方案:
[0008] 本发明提供一种监测反应堆,包括:外包钢网 4 ,其形状为顶部开口的空心倒圆锥台; 生物炭结构 2 位于外包钢网内部的生物炭结构,其形状为顶部开口的中空倒圆锥台体; 空心圆柱形钢网结构 3 ,位于生物炭结构内部。 外包裹钢网 4 , 生物炭结构 2 以及空心圆柱钢网结构 3 是同轴的。 外包裹钢网之间填充有交联聚丙烯酸钠和土壤颗粒的混合物 4 和生物炭结构 2 ,以及生物炭结构之间 2 以及空心圆柱钢网结构 3 。 土壤颗粒为农田土壤颗粒。 生物炭结构是阳极,中空圆柱形钢网结构是对电极。 生物炭结构和空心圆柱形钢网结构分别连接到外部无线互联网供电的集电器 1通过电线。 本发明提供的监测反应器中的交联聚丙烯酸钠的吸水作用可以使土壤中有机污染物的水体流动,从而从阳极的微生物膜输出电信号,从而 达到监控目的。 本发明的监测反应器在使用前富集其中的微生物,并消耗有机物。 当监测反应器中的有机物完全消耗,即微生物处于饥饿状态时,将监测反应器放入待检测系统中进行检测,从而避免监测反应器中土壤中的有机物对监测反应器中的有机物的干扰。 电信号,提高监测精度。 进一步地,由于监测反应器中的电信号是通过电原传导的,因此电原发电的过程就是微生物生长繁殖的过程。 该过程受监测环境影响较小,信号输出过程稳定,不会出现电信号的骤升和骤降事件。 此外,本发明的监测反应器即插即用,使用方便。 该监测反应堆不仅可以对存在污染潜在风险的土壤进行技术诊断,还可以对未污染土壤进行实时监测,具有广泛的应用前景。
[0009] 进一步地,本发明提供的监测反应堆在使用前经过预处理。 在生物炭结构和中空圆柱形钢网结构之间施加外部源电压。 当电信号低于0.01mA时,预处理可以利用土壤颗粒中的少量有机碳源富集土壤颗粒中的微生物,为后续监测提供微生物基础。
附图说明
[0010] 如图。 图1为本发明监测反应堆的结构示意图,右侧为监测反应堆的剖面图;
[0011] 如图。 图2为本发明监测反应器动态监测石油烃的示意图;
[0012] 如图。 图3是实施例1的监测反应堆动态监测净土时的电流变化图。
[0013] 如图。 图4是实施例2的监测反应器对含有50mg/kg石油烃的土壤进行动态监测时的电流变化图。 和
[0014] 如图。 图5为实施例3的监测反应器对含有200mg/kg石油烃的土壤进行动态监测时的电流变化图。
[0015] 参考标号列表: 1 无线互联网供电集电器; 2 生物炭结构; 3 空心圆柱钢网结构; 4 外包裹钢网; 和 5 土壤开发锥体。
具体实施方式
[0016] 如图。 图1为本发明提供的监测反应堆的结构示意图,右侧为监测反应堆的剖面图。 此外,还有参考编号 1 表示提供无线互联网的集电器; 参考编号 2 表示生物炭结构; 参考编号 3 表示空心圆柱形钢网结构; 参考编号 4 表示外包裹钢网; 和参考编号 5 表示土壤开发锥体。 下面结合图2对本发明提供的监测反应堆的结构进行详细说明。 1
[0017] 本发明提供了一种监测反应器,包括外包钢网 4 , 生物炭结构 2 和空心圆柱形钢网结构 3 。
[0018] 本发明提供的监测反应堆包括外包钢网 4 ,以及外面包裹的钢网 4形状为顶部开口的空心倒圆锥台。 外包钢网的厚度优选为0.4~0.6cm,更优选为0.5cm。 本发明中,所述外包钢网的孔径优选为10-20目,更优选为10目。 在本发明中,外包钢网用于将待监测样品与监测反应器隔开。 在本发明的一个具体实施例中,所述外包钢网的尺寸优选包括:上半径在5-6cm范围内,优选为5.2cm; 2-3cm范围内的下半径,优选2.5cm; 高度在15-20cm范围内,优选16cm。
[0019] 本发明提供的监测反应器包括生物炭结构 2 位于外包裹钢网内侧 4 。 生物炭结构 2 形状为顶部开口的空心倒圆锥台。 生物炭结构体的厚度优选在1.5-2.5cm的范围内,更优选2cm。 在本发明的一个具体实施例中,所述生物炭结构的尺寸优选包括:上半径在4.8-5.8cm范围内,优选为5cm; 1.7-2.7cm范围内的下半径,优选2.2cm; 高度在13-18cm范围内,优选15cm。
[0020] 本发明提供的监测反应堆包括空心圆柱钢网结构 3 位于生物炭结构内部 2 。 空心圆筒钢网结构是将钢网缠绕成圆筒状而形成。 本发明中,所述空心圆柱形钢网结构的厚度优选为0.2cm。 空心圆柱钢网结构的孔径 3 优选在10-20目范围内,更优选10目。 在本发明的一个具体实施例中,所述空心圆筒形钢网结构的尺寸优选为:半径在1.5-2.5cm范围内,更优选为2cm; 高度在13-18cm范围内,更优选为14cm。
[0021] 本发明中,外包钢网、生物炭结构和空心圆柱钢网结构同轴。
[0022] 本发明中,在外包钢网与生物炭结构之间、以及生物炭结构与中空圆筒钢网结构之间填充有交联聚丙烯酸钠和土壤颗粒的混合物。 交联聚丙烯酸钠与土壤颗粒的质量比为1:1-1:5,特别优选1:1、1:2.5或1:5。 在本发明的一个具体实施例中,当所述外包钢网的尺寸包括上半径5.2cm、下半径2.5cm、高度16cm时; 生物炭结构的尺寸包括上半径5cm、下半径2.2cm、高度15cm。 中空圆柱形钢网结构的尺寸包括半径2cm、高度14cm、外包裹钢网与生物炭结构之间填充的交联聚丙烯酸钠和土壤颗粒的混合物的质量、以及 生物炭结构和空心圆柱钢网结构的重量优选在60-90g范围内,更优选80g。 本发明中,土壤颗粒为农田土壤颗粒。 优选地,将农田土壤颗粒预处理为土壤颗粒。 预处理方法优选为去除杂质、粉碎。 本发明对去除杂质和粉碎的方式不做限定,只要能够完全去除杂质且土壤不漏出监测反应堆即可。 本发明中,交联聚丙烯酸钠与土壤颗粒的混合物的添加可以维持局部环境稳定性并提供少量的碳源。
[0023]在本发明中,生物炭结构是阳极,中空圆柱形钢网结构是对电极。 生物炭结构和空心圆柱形钢网结构分别连接到外部无线互联网供电的集电器 1 。
[0024] 本发明采用监测反应堆,优选与土壤开采锥配合 5 。 土壤开采锥尺寸 5 本发明对此不作具体限定,只要是土壤开采锥体即可。 5 可与监测反应器配套。 在本公开中,土壤开采锥使得监测反应堆能够更快且非破坏性地进入待检测系统。
[0025] 上述技术方案还提供了一种监测反应堆的使用方法,包括以下步骤:
[0026] 在生物炭结构和监测反应器的空心圆柱形钢网结构之间施加外源电压; 当电信号低于0.01mA时,将监测反应器插入降解系统; 并监测污染物的降解。
[0027] 在本发明中,外部源电压优选在0.2-0.7V的范围内。
[0028] 本发明通过施加外源电压,可以利用土壤颗粒中的微生物和少量有机质,实现微生物的富集。 当电信号达到最大值时,表明微生物已完全富集。 当持续供给电位直至电信号低于0.01mA时,表明监测反应器内土壤颗粒中的有机物已完全消耗,此时的微生物处于饥饿状态。 此时,将监测反应器放置在待监测系统中,利用待监测系统中的微生物,监测反应器中的微生物就会生长,然后产生电信号。 产生的电信号可以直接反映被监测系统中有机物的含量,从而实现对被监测系统中有机物含量的监测。
[0029] 如图。 图2为本发明提供的监测反应器动态监测石油烃的示意图。
[0030] 下面结合实施例对本发明提供的监测反应堆及其使用方法进行详细说明,但不能因此而理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
[0031] 建造了监测反应堆。 具体地,首先设计了孔径为10目、厚度为0.5 cm、上半径为5.2 cm、下半径为2.5 cm、高为16 cm的外包钢网,以保护监测反应堆的稳定性。 在土壤中。 然后,将厚度为2.0cm、上半径为5cm、下半径为2.2cm、高度为15cm的生物炭结构放置在外包钢网的内部。 钛丝作为电子收集丝嵌入生物炭结构中。 最后,将孔径为10目即0.2cm、半径为2cm、高度为14cm的空心圆柱形钢网结构放置在生物炭结构的中心,并使用空心圆柱形钢网结构。 作为对电极。 将交联聚丙烯酸钠和土壤颗粒的混合物放置在外部包裹的钢网和生物炭结构之间以及生物炭结构和中空圆柱形钢网结构之间。 混合物中交联聚丙烯酸钠与土壤颗粒的质量比为1:1。
[0032]在生物炭结构和空心圆柱钢网结构之间施加0.2V的直流电源电压,使其之间形成电位差,以保证电子的正常流动。 因此,产生电信号并完成预处理,即电活性微生物在阳极上的富集。 电活性微生物富集过程中的碳源来自于土壤环境中的少量有机物。 目前的数据如图所示。 图3中,箭头前面显示了富集微生物和消耗土壤中少量有机物时产生的电信号的变化。 当电信号达到最大值时,表明微生物已完全富集。 然后继续施加电位,当电信号低于0.01mA时,预处理完成。
[0033] 将预处理后的监测反应器插入含有0mg/kg石油烃的污染土壤中。 土壤中石油烃分子的含量通过电信号的波动变化来指示。 如图中箭头后面所示的电信号的变化。 3、表明当土壤中石油烃浓度为0mg/kg时,微生物只能分解土壤中的部分有机质。 氧化还原反应产生很少的电子,在出现一个小峰值(0.04 mA)后,电流迅速回落到饥饿状态并保持在 0.01 mA 以下。 洁净土壤中产生的最高电流峰值低于预处理过程中产生的电流峰值,这主要是由于生物膜上积累的微生物加速了有机物的消耗。
实施例2
[0034] 建造了监测反应堆。 与实施例1的不同之处在于,交联聚丙烯酸钠与土壤颗粒的质量比为1:2.5,并且在生物炭结构与空心圆柱钢网结构之间施加0.5V的直流供电电压。 得到的电流数据如图4所示。 4、箭头前面表示富集微生物、消耗土壤中少量有机物时产生的电信号的变化。 当电信号达到最大值时,表明微生物已完全富集。 继续施加电位,当电信号低于0.01mA时,预处理完成。
[0035] 将预处理后的监测反应器插入含有50mg/kg石油烃的污染土壤中。 通过电信号的波动变化来指示土壤中石油烃分子的含量。 如图中箭头后面所示的电信号的变化。 由图4可知,当土壤中石油烃浓度为50mg/kg时,微生物可以分解石油烃,生成一部分有机物,供电活性微生物进行氧化还原过程,产生电子。 电流在短时间内逐渐恢复并达到最大电流0.06mA,最大电流维持24小时或更长时间。
实施例3
[0036] 建造了监测反应堆。 与实施例1不同的是,交联聚丙烯酸钠与土壤颗粒的质量比为1:5; 在生物炭结构与空心圆柱钢网结构之间施加0.7V直流电源电压。 得到的电流数据如图5所示。 5、其中箭头前面表示富集微生物并消耗土壤中少量有机物时产生的电信号的变化。 当电信号达到最大值时,表明微生物已完全富集。 继续施加电位,当电信号低于0.01mA时,预处理完成。
[0037]将预处理后的监测反应器插入含有200 mg/kg石油烃的污染土壤中。 通过电信号的波动变化来指示土壤中石油烃分子的含量。 如图中箭头后面所示的电信号的变化。 由图5可知,当土壤中石油烃浓度为200mg/kg时,微生物可以分解石油烃,生成一部分有机物,供电活性微生物进行氧化还原过程,产生电子。 电流在短时间内逐渐恢复并达到最大电流0.10mA,最大电流维持24小时或更长时间。
[0038] 以上所述仅为本发明的一个优选实施例而已,应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的情况下,可以做出若干改进和变型,这些改进和变型对本发明来说是可以做出的若干改进和变型。 及其修改也应视为本发明的保护范围。
