[發明專利]原位修復地下水硝酸鹽污染的套嵌內自流微生物燃料電池

有效

• 申請號: 201510080184.1
• 申請日: 2015-02-15
• 公開（公告）號: CN104681844B
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發明（設計）人: 季軍遠;王歡;鄭西來;喬寶剛
• 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

本發明屬于地下水硝酸鹽污染治理技術領域，涉及微生物燃料電池，尤其涉及一種原位修復地下水硝酸鹽污染的內自流套嵌式微生物燃料電池。

背景技術

我國地表水污染未得到全面遏制，我國飲用水水源受到影響，因地下水所受污染相對較輕，且其儲量豐富，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，農業生產上化肥和農藥的過度使用，固體廢棄物的淋濾下滲等，導致地下水硝酸鹽污染日趨嚴重，飲用硝酸鹽污染的地下水會對人體健康構成威脅，引起嬰兒藍血癥和高鐵血紅蛋白癥，也可引起成年人與此相關的癌癥發生。因此，地下水硝酸鹽污染治理迫在眉睫。

地下水中硝酸鹽的處理技術可以分為異位去除、原位修復和監測自然衰減技術。地下水硝酸鹽原位生物修復技術因其穩定、干擾小、操作簡單、基建與運行費用較低等優點備受研究者關注。但因地下水中有機物含量少，異養反硝化去除硝酸鹽過程中需額外添加有機物作為電子供體，剩余的有機物將會對地下水造成有機物的二次污染；同時過程中反硝化微生物的生長會引起含水層堵塞，造成微生物二次污染。添加H₂或S⁰作為電子供體的地下水硝酸鹽原位自養反硝化生物修復技術也存在一定問題，①H₂水中溶解度低，利用率低；②對地下水造成微生物或SO₄^2-污染；③加H₂或S⁰受現場場地和巖層的限制，實施難度大、成本高。因此開展生物非侵入型、經濟高效、易實施且無二次污染的地下水硝酸鹽原位生物修復技術是十分必要的。

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，其為一種以微生物作為催化劑，將燃料（有機物）中的化學能直接轉化為電能的生物反應器。微生物燃料電池反應條件溫和、經濟高效，可集污染治理與能源產生于一體。利用MFC處理有機廢水，可以同時實現去污產能，已經成為環境、能源領域的研究熱點。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；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。

發明內容

本發明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，解決傳統MFC無法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內自流套嵌式微生物燃料電池。

為解決上述技術問題，本發明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，該微生物燃料電池整體結構為圓柱狀，并置于地下水所處的原位環境中，其包括陽極室、陰極室、陰離子交換膜組件及外電路系統，陽極室和陰極室之間為套嵌形式，陽極液自流入陰極室，

所述陽極室外套于陰極室外側，其頂部設有進水管、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，陽極液為有機廢水，陽極室接種高效厭氧消化微生物；

所述陰極室內嵌于陽極室內側，其與陽極室通過分離隔板分隔，其頂部設有出水管，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，陰極液為自流入陰極室的陽極室出水，陰極室接種高效厭氧反硝化微生物；

所述陰離子交換膜組件位于陽極室外圍，其包含陰離子交換膜和承托層，陰離子交換膜緊密固定于承托層上，承托層為網狀圓柱體，可支撐陰離子交換膜，微生物燃料電池系統通過陰離子交換膜組件直接與地下水原位環境接觸。

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6.5~7.5，陰極液為陽極液出水，即自陽極室自動流入陰極室的液體

進一步地，所述生物陽極與生物陰極的導電材料為碳布、碳棒、碳氈或碳纖維刷中的一種。

進一步地，所述陰極室內嵌于陽極室內，其與陽極室通過圓柱形分離隔板分隔，陽極液可通過隔板與陽極室頂部的縫隙自流入陰極室。

所述陽極室與陰極室之間的直徑比為2~4:1，陽極室直徑與高之比為1:1~3，陽極室與陰極室高度差值為1~5cm，分離隔板頂端與陽極室頂部之間縫隙高度縫隙長度為1~5cm。