[實用新型]一種原位修復地下水硝酸鹽污染的微生物燃料電池

有效

• 申請號: 201420384543.3
• 申請日: 2014-07-14
• 公開（公告）號: CN203950876U
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發明（設計）人: 季軍遠;王歡;鄭西來
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16;C02F3/34
• 代理公司: 青島聯智專利商標事務所有限公司 37101
• 代理人: 徐忠麗

技術領域

本實用新型屬于地下水硝酸鹽污染治理技術領域，涉及生物燃料電池，尤其涉及一種原位修復地下水硝酸鹽污染的生物陰極型微生物燃料電池。

背景技術

地下水因其儲量豐富，已成為我國最主要的飲用水源之一。近年來，由于工業廢水和生活污水的排放及滲漏，化肥的過度使用，固體廢棄物淋濾下滲，污水的不合理回灌等，導致地下水中硝酸鹽污染已成為全球性的環境問題，已對我國飲用水安全構成威脅，并對人體健康構成危害，亟需高效經濟的地下水硝酸鹽去除技術。

目前，地下水硝酸鹽污染治理技術分為異位去除、原位修復和監測自然衰減技術。原位修復技術以其修復徹底、對地下水環境擾動小、成本相對低廉等優勢在地下水硝酸鹽污染修復領域嶄露頭角；其中原位生物修復技術因其高效穩定、反應條件溫和及運行費用低等優點備受研究者關注。但目前原位生物修復技術應用過程中存在局限，因地下水中有機物含量低，為保持異養反硝化菌活性，需額外添加有機物作為反硝化過程電子供體，過程中剩余有機物對地下水造成二次污染，且修復過程反硝化菌生成量大，會對地下水造成微生物污染，堵塞含水層，降低含水介質滲透性；自養反硝化微生物原位修復技術通過添加H₂或S₀作為電子供體，可減少微生物生成量，但添加H₂或S₀受現場場地和巖層的限制，實施難度大、成本高、利用率低及地下傳質困難，且對地下水存在SO₄^2-、微生物等污染。

微生物燃料電池（Microbial?Fuel?Cell，MFC）為解決能源再生及廢物再利用問題提供了一種新途徑，是一種利用微生物為催化劑，將燃料（有機物）中的化學能直接轉化為電能的生物反應器。利用MFC處理有機廢水，治污同時回收電能，為有機廢水處理技術的重大創新，已成為環境工程領域的研發熱點。利用MFC處理有機廢水已取得了重大進展，而將MFC用于生物脫氮研究較少，目前還沒有用于地下水硝酸鹽原位修復的研究；MFC反應條件溫和且經濟高效，為一種高效清潔的污染物生物處理技術，將其用于地下水硝酸鹽污染原位修復具有良好的發展潛力及應用前景。

實用新型內容

本實用新型的目的是克服現有地下水硝酸鹽污染原位修復技術的不足及現有MFC應用于地下水硝酸鹽污染原位修復中的技術障礙，提供一種原位修復地下水硝酸鹽污染的生物陰極型微生物燃料電池。

為解決上述技術問題，本實用新型采用以下技術方案予以實現：

一種原位修復地下水硝酸鹽污染的微生物燃料電池，整個微生物燃料電池置于地下水所處的原位環境中，包括陽極室、陰極室、陰離子交換膜及外電路系統；

所述陽極室下部設有進水管，上部設有出水管，頂部設有排氣管，陽極室中設有生物陽極，生物陽極上附著厭氧產電微生物，陽極室充滿陽極液，且陽極室接種高效厭氧消化污泥；

所述陰極室頂部設有排氣管，陰極室中設有生物陰極，生物陰極上附著電活性反硝化微生物，陰極室充滿陰極液，且陰極室接種反硝化污泥；

所述陰離子交換膜位于陰極室兩側；

所述外電路系統包括外電阻、導線和電信號采集記錄儀，外電阻兩端通過導線分別連接生物陽極和生物陰極，電信號采集記錄儀并聯于外電阻兩端實時記錄電壓。

進一步地，所述陽極液為有機廢水，pH為7~7.5，陰極液為磷酸緩沖溶液，pH為7.4~8。

進一步地，所述生物陽極與生物陰極的導電材料為碳布，碳紙，碳氈，石墨棒或石墨盤片中的一種。

進一步地，所述陰離子交換膜包括第一陰離子交換膜和第二陰離子交換膜，所述第一陰離子交換膜設置在陽極室和陰極室之間，并連通陽極室和陰極室，所述第二陰離子交換膜固定在陰極室外側，連通陰極室和地下水所處原位環境，地下水中硝酸鹽通過第二陰離子交換膜進入陰極室。所述第一、第二陰離子交換膜，只允許陰離子通過，不允許分子級別的微生物通過。

進一步地，所述第一或第二陰離子交換膜的膜面積與陽極室的體積比為2~4m²:1m³，第一陰離子交換膜與生物陽極之間的距離為0.5~1cm，第二陰離子交換膜與生物陰極之間的距離為0.5~1cm。

進一步地，所述第一陰離子交換膜采用密封圈固定在陽極室和陰極室之間，由于陽極室會消耗部分陰離子，第一陰離子交換膜允許陰極室的部分陰離子進入陽極室，維持陽極室和陰極室的電荷平衡；

所述第二陰離子交換膜通過法蘭和密封圈固定在陰極室外側，并與地下水所處的原位環境相接觸。