CN104681844A - 原位修复地下水硝酸盐污染的微生物燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种原位修复地下水硝酸盐污染的微生物燃料电池，整体结构为圆柱状，包括阳极室、阴极室、阴离子交换膜组件及外电路系统，阳极室外套于阴极室外侧，其顶部设有进水管、排气管，阳极室中设有生物阳极，生物阳极上附着厌氧产电微生物，阳极室充满阳极液，阳极液为有机废水；阴极室顶部设有出水管，阴极室中设有生物阴极，生物阴极上附着电活性反硝化微生物，阴极室充满阴极液，阴极室接种高效厌氧反硝化微生物；阴离子交换膜组件包含阴离子交换膜和承托层，外电路系统包括外电阻、导线和电信号采集记录仪。本发明可实现有机废物去除、微生物产电和地下水中硝酸盐污染原位修复三重功能，且结构简单紧凑，经济高效，可连续稳定运行。

Description

原位修复地下水硝酸盐污染的微生物燃料电池

技术领域

本发明属于地下水硝酸盐污染治理技术领域，涉及微生物燃料电池，尤其涉及一种原位修复地下水硝酸盐污染的内自流套嵌式微生物燃料电池。

背景技术

我国地表水污染未得到全面遏制，我国饮用水水源受到影响，因地下水所受污染相对较轻，且其储量丰富，已成为我国最主要的饮用水源之一。近年来，由于工业废水和生活污水的排放及渗漏，农业生产上化肥和农药的过度使用，固体废弃物的淋滤下渗等，导致地下水硝酸盐污染日趋严重，饮用硝酸盐污染的地下水会对人体健康构成威胁，引起婴儿蓝血症和高铁血红蛋白症，也可引起成年人与此相关的癌症发生。因此，地下水硝酸盐污染治理迫在眉睫。

地下水中硝酸盐的处理技术可以分为异位去除、原位修复和监测自然衰减技术。地下水硝酸盐原位生物修复技术因其稳定、干扰小、操作简单、基建与运行费用较低等优点备受研究者关注。但因地下水中有机物含量少，异养反硝化去除硝酸盐过程中需额外添加有机物作为电子供体，剩余的有机物将会对地下水造成有机物的二次污染；同时过程中反硝化微生物的生长会引起含水层堵塞，造成微生物二次污染。添加H₂或S⁰作为电子供体的地下水硝酸盐原位自养反硝化生物修复技术也存在一定问题，①H₂水中溶解度低，利用率低；②对地下水造成微生物或SO₄ ^2-污染；③加H₂或S⁰受现场场地和岩层的限制，实施难度大、成本高。因此开展生物非侵入型、经济高效、易实施且无二次污染的地下水硝酸盐原位生物修复技术是十分必要的。

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）为解决能源再生及废物再利用问题提供了一种新途径，其为一种以微生物作为催化剂，将燃料（有机物）中的化学能直接转化为电能的生物反应器。微生物燃料电池反应条件温和、经济高效，可集污染治理与能源产生于一体。利用MFC处理有机废水，可以同时实现去污产能，已经成为环境、能源领域的研究热点。利用MFC处理有机废水已取得了重大进展，而将MFC用于生物脱氮研究较少，目前还没有用于地下水硝酸盐原位修复的研究；将其用于地下水硝酸盐污染原位修复具有良好的发展潜力及应用前景。

发明内容

本发明的目的是克服现有地下水硝酸盐污染原位修复技术的不足，解决传统MFC无法用于地下水硝酸盐污染原位修复中的技术障碍，提供一种原位修复地下水硝酸盐污染的内自流套嵌式微生物燃料电池。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种原位修复地下水硝酸盐污染的微生物燃料电池，该微生物燃料电池整体结构为圆柱状，并置于地下水所处的原位环境中，其包括阳极室、阴极室、阴离子交换膜组件及外电路系统，阳极室和阴极室之间为套嵌形式，阳极液自流入阴极室，

所述阳极室外套于阴极室外侧，其顶部设有进水管、排气管，阳极室中设有生物阳极，生物阳极上附着厌氧产电微生物，阳极室充满阳极液，阳极液为有机废水，阳极室接种高效厌氧消化微生物；

所述阴极室内嵌于阳极室内侧，其与阳极室通过分离隔板分隔，其顶部设有出水管，阴极室中设有生物阴极，生物阴极上附着电活性反硝化微生物，阴极室充满阴极液，阴极液为自流入阴极室的阳极室出水，阴极室接种高效厌氧反硝化微生物；

所述阴离子交换膜组件位于阳极室外围，其包含阴离子交换膜和承托层，阴离子交换膜紧密固定于承托层上，承托层为网状圆柱体，可支撑阴离子交换膜，微生物燃料电池系统通过阴离子交换膜组件直接与地下水原位环境接触。

所述外电路系统包括外电阻、导线和电信号采集记录仪，外电阻两端通过导线分别连接生物阳极和生物阴极，电信号采集记录仪并联于外电阻两端实时记录电压。

进一步地，所述阳极液为有机废水，pH为6.5~7.5，阴极液为阳极液出水，即自阳极室自动流入阴极室的液体

 进一步地，所述生物阳极与生物阴极的导电材料为碳布、碳棒、碳毡或碳纤维刷中的一种。

进一步地，所述阴极室内嵌于阳极室内，其与阳极室通过圆柱形分离隔板分隔，阳极液可通过隔板与阳极室顶部的缝隙自流入阴极室。

所述阳极室与阴极室之间的直径比为2~4:1，阳极室直径与高之比为1:1~3，阳极室与阴极室高度差值为1~5cm，分离隔板顶端与阳极室顶部之间缝隙高度缝隙长度为1~5cm。

所述的生物阳极、生物阴极与圆柱形隔板之间的距离均为0.5~2cm，生物阳极表面积与阳极室体积比是1.5~3 m²:1m³，生物阴极表面积与阴极室的体积比是1.5~3 m²:1m³。

上述微生物燃料电池原位去除地下水中硝酸盐污染的工作原理：

将内自流套嵌式微生物燃料电池置于地下水原位环境中，地下水中硝酸盐在电吸引作用下会通过阴离子交换膜进入阳极室。阳极室中由蠕动泵连续泵入有机废水在厌氧产电微生物的催化作用下被氧化为二氧化碳同时释放出电子，二氧化碳通过阳极室排气管排出，电子到达生物阳极经由外电路传至生物阴极；含有硝酸盐、质子的阳极室出水通过圆柱形隔板与阳极室顶部之间的缝隙自流入阴极室，在阴极室中，在电活性反硝化微生物的催化作用下，硝酸盐接受生物阴极提供的电子，从而被还原为氮气，氮气通过排气管排出，从而使地下水中的硝酸盐得到原位去除。

本微生物燃料电池装置具有有机废水治理、微生物产电和地下水硝酸盐污染原位修复三重功能，可攻克微生物燃料电池用于原位修复地下水硝酸盐污染的技术难题，可实现地下水硝酸盐原位修复过程的连续运行，可避免原位生物修复过程中对地下水造成的有机物二次污染和含水层微生物堵塞等问题，且该装置结构简单紧凑，经济高效。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：

（1）原位修复受硝酸盐污染的地下水，避免地下水岩层受到破坏，具有简单易操作，效率高，成本低等优点。

（2）不需额外添加电子供体，降低实施难度，提高了利用率，解决了传质困难等问题，避免了有机废物对地下水的二次污染。

（3）在原位修复受硝酸盐污染的地下水的同时，实现了有机污染物去除和生物产电的功能，降低了地下水中硝酸盐污染的治理成本。

（4）该微生物燃料电池可以连续稳定运行，经济高效，易于维护，便于长期使用。

附图说明

图1是本发明所述原位修复地下水硝酸盐的微生物燃料电池具体实施例的俯视剖视结构示意图；

图2是微生物燃料电池的正面剖视图；

其中：阳极室1、阴离子交换膜2、阴离子交换膜承托层3、阳极液4、生物阳极5、分离隔板6、阳极进水管7、排气管8、、外电路系统9、电信号采集记录仪10、外电阻11、导线12、阴极出水管13、阴极室14、生物阴极15、阴极液16。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明利用内自流套嵌式微生物燃料电池原位修复地下水硝酸盐污染。以阴离子交换膜作为地下水中硝酸盐进入MFC阳极室的通道，同时阻止MFC中微生物进入地下水环境，可有效避免微生物以及有机物对地下水造成的二次污染；以阴极室中厌氧反硝化菌为催化剂，进入阴极室的硝酸盐接受生物阴极上的电子，被还原为氮气得以去除。该微生物燃料电池的具体结构如下：

参考图1-2所示，一种原位修复地下水中硝酸盐的内自流套嵌式微生物燃料电池，包括阳极室1，阴极室14，阴离子交换膜组件（2与3）和外电路系统9；

阳极室1套于阴极室14外侧，其顶部设有进水管7，排气管8，阳极室1中设有生物阳极5，生物阳极5上附着厌氧产电微生物，阳极室1内充满阳极液4，阳极液为有机废水，阳极室1接种高效厌氧消化微生物；

阴极室14嵌于阳极室1内侧，其与阳极室通过分离隔板6分隔，其顶部设有出水管13，阴极室14中设有生物阴极15，生物阴极15上附着电活性反硝化微生物，阴极室14内充满阴极液16，阴极液16为自流入阴极室的阳极室1的出水，阴极室14接种高效厌氧反硝化微生物。

阴离子交换膜组件位于阳极室外围，其包含阴离子交换膜2和承托层3，阴离子交换膜2紧密固定于承托层3上，承托层3为网状圆柱体，可支撑阴离子交换膜2，微生物燃料电池系统通过阴离子交换膜组件直接与地下水原位环境接触。

生物阳极5和生物阴极15的材料为碳布，碳棒，碳毡或碳纤维刷中的一种。

外电路系统9设有导线12、外电阻11和电信号采集记录仪10，外电阻11通过导线12分别与生物阳极5和生物阴极15相连，电信号采集记录仪10并联在外电阻11两端实时记录电压值。

其中，阳极液4为有机废水，pH为6.5~7.5，阴极液16为阳极液出水。

其中，阳极室1与阴极室14之间的直径比为2~4:1，阳极室1直径与高之比为1:1~3，分离隔板6顶端与阳极室1顶部之间缝隙长度为1~5cm。

其中，生物阳极5、生物阴极15与分离隔板6之间的距离均为0.5~2cm，生物阳极5表面积与阳极室1体积比是1.5~3 m²:1m³，生物阴极15表面积与阴极室14的体积比是1.5~3 m²:1m³。

具体工作原理：

在阳极室接种高效厌氧消化微生物，经由蠕动泵将有机废水泵入阳极室，作为微生物燃料电池的电子供体，阴极室接种高效厌氧反硝化微生物，以通过阴离子交换膜进入阳极室并最终随阳极液出水自流入阴极室的硝酸盐作为电子受体。厌氧产电微生物降解有机废水同时释放出电子，电子经生物阳极、外电路到达生物阴极，在电活性厌氧反硝化微生物的催化作用下被硝酸盐接受从而产生电流，此过程中硝酸盐被还原成氮气，从而使地下水中硝酸盐得以原位去除。

试验证明，本发明的内自流套嵌式生物阴极型微生物燃料电池可实现原位修复地下水硝酸盐污染，同时可以产电，装置体积小，经济高效，可连续稳定运行，避免原位修复中外加有机物及功能微生物对地下水所造成的二次污染。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改，等同变化与改型，仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种原位修复地下水硝酸盐污染的微生物燃料电池，其特征在于：所述微生物燃料电池整体结构为圆柱状，并置于地下水所处的原位环境中，其包括阳极室、阴极室、阴离子交换膜组件及外电路系统，阳极室和阴极室之间为套嵌形式，阳极液自流入阴极室，

所述阳极室外套于阴极室外侧，其顶部设有进水管、排气管，阳极室中设有生物阳极，生物阳极上附着厌氧产电微生物，阳极室充满阳极液，阳极液为有机废水，阳极室接种高效厌氧消化微生物；

所述阴极室内嵌于阳极室内侧，其与阳极室由圆柱形分离隔板分隔，其顶部设有出水管，阴极室中设有生物阴极，生物阴极上附着电活性反硝化微生物，阴极室充满阴极液，阴极液为自流入阴极室的阳极室出水，阴极室接种高效厌氧反硝化微生物；

所述阴离子交换膜组件位于阳极室外围，其包含阴离子交换膜和承托层，阴离子交换膜固定于承托层上，承托层为网状圆柱体，用于支撑阴离子交换膜，微生物燃料电池系统通过阴离子交换膜组件直接与地下水原位环境接触；

所述外电路系统包括外电阻、导线和电信号采集记录仪，外电阻两端通过导线分别连接生物阳极和生物阴极，电信号采集记录仪并联于外电阻两端实时记录电压。

2.根据权利要求1所述微生物燃料电池，其特征在于：所述阳极液为有机废水，pH为6.5~7.5，所述阴极液为阳极室出水。

3.根据权利要求1所述微生物燃料电池，其特征在于：所述生物阳极与生物阴极采用碳布，碳棒，碳毡或碳纤维刷中的一种。

4.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于：所述圆柱形分离隔板顶端与阳极室顶部之间的缝隙长度为1~5cm。

5.根据权利要求4所述微生物燃料电池，其特征在于：所述阳极液通过分离隔板与阳极室顶部的缝隙自流入阴极室。

6.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于：所述阳极室与阴极室之间的直径比为2~4:1，阳极室直径与高之比为1:1~3，阳极室与阴极室高度之差为1~5cm。

7.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于：所述生物阳极、生物阴极与圆柱形分离隔板之间的距离均为0.5~2cm，生物阳极表面积与阳极室体积比是1.5~3 m²:1m³，生物阴极表面积与阴极室的体积比是1.5~3 m²:1m³。