一种原位修复地下水硝酸盐污染的微生物燃料电池的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种原位修复地下水硝酸盐污染的微生物燃料电池，包括阳极室、阴极室、位于阴极室两侧的阴离子交换膜及外电路系统；阳极室上设有进水管、出水管和排气管，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，且阳极室接种高效厌氧消化污泥；阴极室上设有排气管，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，且阴极室接种反硝化污泥；外电路系统包括外电阻、导线和电信号采集记录仪。本发明同时具有有机废水治理、生物产电和地下水硝酸盐污染原位修复三重功能，避免原位修复中对地下水造成有机物、微生物等二次污染问题，且该装置结构紧凑，运行成本低，经济高效。
【专利说明】[0001] -种原位修复地下水硝酸盐污染的微生物燃料电池
【技术领域】
[0002] 本发明属于地下水硝酸盐污染治理【技术领域】，涉及生物燃料电池，尤其涉及一种 原位修复地下水硝酸盐污染的生物阴极型微生物燃料电池。
【背景技术】
[0003] 地下水因其储量丰富，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，化肥的过度使用，固体废弃物淋滤下渗，污水的不合理回灌等， 导致地下水中硝酸盐污染已成为全球性的环境问题，已对我国饮用水安全构成威胁，并对 人体健康构成危害，亟需高效经济的地下水硝酸盐去除技术。
[0004] 目前，地下水硝酸盐污染治理技术分为异位去除、原位修复和监测自然衰减技术。 原位修复技术以其修复彻底、对地下水环境扰动小、成本相对低廉等优势在地下水硝酸盐 污染修复领域崭露头角；其中原位生物修复技术因其高效稳定、反应条件温和及运行费用 低等优点备受研究者关注。但目前原位生物修复技术应用过程中存在局限，因地下水中有 机物含量低，为保持异养反硝化菌活性，需额外添加有机物作为反硝化过程电子供体，过程 中剩余有机物对地下水造成二次污染，且修复过程反硝化菌生成量大，会对地下水造成微 生物污染，堵塞含水层，降低含水介质渗透性；自养反硝化微生物原位修复技术通过添加 h2 或\作为电子供体，可减少微生物生成量，但添加 h2或\受现场场地和岩层的限制，实施 难度大、成本高、利用率低及地下传质困难，且对地下水存在so 4'微生物等污染。
[0005] 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，是一种利用微生物为催化剂，将燃料(有机物）中的化学能直接转化为 电能的生物反应器。利用MFC处理有机废水，治污同时回收电能，为有机废水处理技术的重 大创新，已成为环境工程领域的研发热点。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；MFC反应条件 温和且经济高效，为一种高效清洁的污染物生物处理技术，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】
[0006] 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及现有MFC应 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生 物阴极型微生物燃料电池。
[0007] 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，整个微生物燃料电池置于地下水 所处的原位环境中，包括阳极室、阴极室、阴离子交换膜及外电路系统； 所述阳极室下部设有进水管，上部设有出水管，顶部设有排气管，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，且阳极室接种高效厌氧消化污 泥； 所述阴极室顶部设有排气管，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，且阴极室接种反硝化污泥； 所述阴离子交换膜位于阴极室两侧； 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。
[0008] 进一步地，所述阳极液为有机废水，pH为7~7. 5,阴极液为磷酸缓冲溶液，pH为 7. 4?8。
[0009] 进一步地，所述生物阳极与生物阴极的导电材料为碳布，碳纸，碳毡，石墨棒或石 墨盘片中的一种。
[0010] 进一步地，所述阴离子交换膜包括第一阴离子交换膜和第二阴离子交换膜，所述 第一阴离子交换膜设置在阳极室和阴极室之间，并连通阳极室和阴极室，所述第二阴离子 交换膜固定在阴极室外侧，连通阴极室和地下水所处原位环境，地下水中硝酸盐通过第二 阴离子交换膜进入阴极室。所述第一、第二阴离子交换膜，只允许阴离子通过，不允许分子 级别的微生物通过。
[0011] 进一步地，所述第一或第二阴离子交换膜的膜面积与阳极室的体积比为 2~4m2:lm3,第一阴离子交换膜与生物阳极之间的距离为0.5~lcm，第二阴离子交换膜与生物 阴极之间的距离为〇.5~lcm。
[0012] 进一步地，所述第一阴离子交换膜采用密封圈固定在阳极室和阴极室之间，由于 阳极室会消耗部分阴离子，第一阴离子交换膜允许阴极室的部分阴离子进入阳极室，维持 阳极室和阴极室的电荷平衡； 所述第二阴离子交换膜通过法兰和密封圈固定在阴极室外侧，并与地下水所处的原位 环境相接触。
[0013] 进一步地，所述阳极室和阴极室体积比为2~4:1，阳极室长宽比为4~6:2,长高比 为1:1 ;阴极室长宽比为4飞:0.5?1，长高比为1:1。
[0014] 进一步地，所述生物阳极下端距阳极室底部距离2~4cm，所述生物阴极下端距阴极 室底部距离2~4cm，所述生物阳极和生物阴极之间的距离为广2cm，生物阳极表面积与阳极 室体积之比为2飞m 2:1 m3,生物阴极表面积与阴极室体积之比为2飞m2:1 m3。
[0015] 上述微生物燃料电池去除地下水中硝酸盐的工作原理： 将生物阴极型微生物燃料电池置于地下水原位环境中，阳极室连续泵入有机废水，在 阳极室中厌氧产电微生物的催化作用下被氧化并释放电子，电子到达生物阳极并通过外电 路传至生物阴极，在阴极室的电活性反硝化微生物的催化作用下，通过阴离子交换膜进入 阴极室的地下水中的硝酸盐获得生物阴极上电子从而被还原为氮气，氮气通过阴极室排气 管排出，从而使地下水中硝酸盐得以去除。
[0016] 本微生物燃料电池装置同时具有有机废水治理、生物产电和地下水硝酸盐污染原 位修复三重功能，可克服微生物燃料电池原位修复地下水硝酸盐污染的技术难题，可实现 地下水中硝酸盐原位修复过程的连续运行，可避免原位修复中对地下水造成有机物、微生 物等二次污染问题，且该装置结构紧凑，运行成本低，经济高效。
[0017] 与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是： (1)可原位修复受硝酸盐污染的地下水，不破坏地下水的自然条件，且具有速度快、干 扰小、效率高、成本低等优点。
[0018] (2)在原位修复地下水硝酸盐污染同时产电，实现同步脱氮和生物产电，降低地下 水硝酸盐污染治理成本。
[0019] (3)可克服额外添加电子供体过程中存在的实施难度大、成本高、利用率低及地下 传质困难等问题，可有效避免原位修复过程对地下水的二次污染。
[0020] (4)该微生物燃料电池可连续经济高效稳定运行，且操作方便，易维护，便于长期 使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1是本发明所述原位修复地下水硝酸盐污染的微生物燃料电池具体实施例的 结构示意图。
【具体实施方式】
[0022] 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。
[0023] 本发明利用生物阴极型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阴极室的通道，同时阻止MFC中微生物进入地下水环境， 可有效避免微生物、有机物等对地下水的二次污染；以阴极室中反硝化菌为催化剂，进入阴 极室的地下水中硝酸盐接受阴极上的电子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所示，一种原位修复地下水硝酸盐污染的生物阴极型微生物燃料电池，包括 阳极室1，阴极室2,外电路系统3,在阳极室1和阴极室2之间采用密封圈固定设置第一阴 离子交换膜4,在阴极室2外侧通过法兰和密封圈固定设置第二阴离子交换膜5 ; 阳极室1的外侧下部设有进水管11，外侧上部设有出水管12,顶部设有排气管13,阳极 室1中设有生物阳极14,生物阳极14上附着厌氧产电微生物，阳极室1内充满阳极液15， 且阳极室1接种高效厌氧消化污泥； 阴极室2顶部设有排气管21，阴极室2中设有生物阴极22,生物阴极22上附着电活性 反硝化微生物，阴极室2内充满阴极液23,且阴极室2接种反硝化污泥； 生物阳极14与生物阴极22的导电材料为碳布，碳纸，碳毡，石墨棒或石墨盘片中的一 种。
[0024] 第一阴离子交换膜4用密封圈固定在阳极室1与阴极室2之间，第二阴离子交换 膜5通过法兰及密封圈固定于阴极室2另一侧，并与地下水所处的原位环境6相接触。由 于阳极室1会消耗部分阴离子，第一阴离子交换膜4允许阴极室2的部分阴离子进入阳极 室1，维持阳极室1和阴极室2的电荷平衡； 外电路系统3设有导线31、外电阻32和电信号采集记录仪33,外电阻32通过导线31 分别于生物阳极14和生物阴极22相连，电信号采集记录仪33并联在外电阻32两端可实 时记录其电压值；整个微生物燃料电池置于地下水所处原位环境6中。
[0025] 其中，阳极液为有机废水，pH为疒7. 5,阴极液为磷酸缓冲溶液，pH为7. 4~8。
[0026] 其中，第一阴离子交换膜4连通阳极室1和阴极室2,第二阴离子交换膜5连通阴 极室2和地下水所处原位环境6,地下水中硝酸盐通过第二阴离子交换膜5进入阴极室2。 第一或第二阴离子交换膜的膜面积与阳极室1的体积比为2m 2: lm3,第一阴离子交换膜4与 生物阳极14之间的距离为lcm，第二阴离子交换膜与生物阴极之间的距离为lcm。
[0027] 阳极室1和阴极室2均为矩形结构，阳极室1和阴极室2体积比为2:1，阳极室1 长宽高比为5:2:5,阴极室2长宽高比为5: 1:5;阳极液15与阴极液23分别充满阳极室1 和阴极室2。
[0028] 生物阳极14下端距阳极室1底部距离4cm，生物阴极22下端距阴极室2底部距 离4cm，生物阳极14和生物阴极22之间的距离为2cm，生物阳极表面积与阳极室体积之比 为2飞m 2:1 m3,生物阴极表面积与阴极室体积之比为2飞m2:1 m3。
[0029] 具体工作原理： 在阳极室接种高效厌氧消化污泥，以有机废水为燃料，阴极室接种反硝化污泥，以透过 第二阴离子交换膜进入阴极室的地下水中的硝酸盐为电子受体。厌氧产电微生物降解有机 废水同时释放出电子，经阳极、外电路到达阴极后，在反硝化微生物的催化作用下被硝酸盐 接受而产生电流，同时硝酸盐被还原为氮气，从而使地下水中硝酸盐得以原位去除。
[0030] 试验证明，本发明的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 染的同时产电，且该装置体积小，效能高，经济性好，可连续稳定运行，可避免原位修复过程 中对地下水的二次污染。
[0031] 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，仍属于本发明技术方案的保护范围。
【权利要求】
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：整个微生物燃料 电池置于地下水所处的原位环境中，包括阳极室、阴极室、阴离子交换膜及外电路系统； 所述阳极室下部设有进水管，上部设有出水管，顶部设有排气管，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，且阳极室接种厌氧消化污泥； 所述阴极室顶部设有排气管，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，且阴极室接种反硝化污泥； 所述阴离子交换膜位于阴极室两侧； 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 7?7. 5,所述阴极液为磷酸缓冲溶液，pH为7. Γ8。
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，碳纸，碳毯，石墨棒或石墨盘片中的一种。
4. 根据权利要求1所述微生物燃料电池，其特征在于：所述阴离子交换膜包括第一阴 离子交换膜和第二阴离子交换膜，所述第一阴离子交换膜设置在阳极室和阴极室之间，并 连通阳极室和阴极室，所述第二阴离子交换膜固定在阴极室外侧，连通阴极室和地下水所 处原位环境，地下水中硝酸盐通过第二阴离子交换膜进入阴极室。
5. 根据权利要求4所述微生物燃料电池，其特征在于：所述第一或第二阴离子交换 膜的膜面积与阳极室的体积比为2~4m2:lm 3,第一阴离子交换膜与生物阳极之间的距离为 0. 5~lcm，第二阴离子交换膜与生物阴极之间的距离为0. 5~lcm。
6. 根据权利要求4所述微生物燃料电池，其特征在于：所述第一阴离子交换膜采用密 封圈固定在阳极室和阴极室之间，所述第二阴离子交换膜通过法兰和密封圈固定在阴极室 外侧，并与地下水所处的原位环境相接触。
7. 根据权利要求1所述微生物燃料电池，其特征在于：所述阳极室和阴极室体积比为 21:1，阳极室长宽比为4飞:2,长高比为1:1 ;阴极室长宽比为4飞:0.5?1，长高比为1:1。
8. 根据权利要求1所述微生物燃料电池，其特征在于：所述生物阳极下端距阳极室底 部距离2~4cm，所述生物阴极下端距阴极室底部距离2~4cm，所述生物阳极和生物阴极之间 的距离为广2cm，生物阳极表面积与阳极室体积之比为2飞m 2:l m3,生物阴极表面积与阴极 室体积之比为2?6 m2:1 m3。
【文档编号】C02F3/34GK104064794SQ201410331214
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月14日 优先权日:2014年7月14日
【发明者】季军远, 王欢, 郑西来 申请人:中国海洋大学