专利名称：利用微生物燃料电池技术原位修复受污染地下水的方法
技术领域：
本发明属于地下水处理技术领域，具体涉及利用微生物燃料电池技术原位修复受污染地下水并同时获得电能的方法。
背景技术：
自20世纪80年代起，地下水的污染就已成为一个被引起十分关注的问题。与地表水污染相比，地下水污染的特点是污染隐蔽，地下水环境中存在固、液两相物质，各种含水介质(如孔隙、裂隙、岩溶)的存在，使得地下水中的污染物与介质的物理化学作用和污染物在介质间的运动比较复杂，因而地下水的水文情况与地表水的水文情况有很大的区别。目前较典型的地下水污染修复技术主要有抽出-处理技术(P-T)、生物修复技术和反应渗透墙技术(PRB)三种。其中原位生物修复技术是指在基本不破坏土体和地下水自 然环境条件下，对受污染的对象不做搬运或运输，而是在原场所里，通过生物(特别是微生物)氧化降解地下水中污染物的方法。原位生物修复技术由于速度快、干扰小、效率高、成本低、反应条件温和等显著优点，已成为环境保护中应用最广、最为重要的技术之一，在地下水污染修复方面发挥着极为重要的作用。但原位生物修复技术也存在着ー些局限。例如中国科技论文在线(http://www. paper, edu. cn)的“地下水污染的生物修复研究” 一文中指出，受污染的地下水能够被微生物原位修复的关键是保持相应微生物的高活性，才能使得地下水的生物降解速度和效率都较高。保持微生物高活性的方法通常是向地下水中投加营养物质和电子受体。营养物质的添加目的是保证微生物有足够的碳源，电子受体的添加是保证微生物发生氧化反应，使其降解。其中最常见的投加碳源的方法有直接注入外加的碳源如甲醇、葡萄糖等，添加电子受体的技术有增氧技术，如向地下水曝气，但由于氧气在水中的溶解度比较低，且地下传质比较困难，特别是原位生物修复技术对于滲透性较差的含水层，实施起来比较困难。也有采取向地下水中添加过氧化氢的供养技术，但由于一般是将过氧化氢与催化剂一起注入，运行一段时间后，催化剂会在地下水的环境中逐渐失活，供氧也就逐渐停止了，然而不管添加碳源还是添加电子受体都需要增加额外的费用。据《エ业用水与废水》(2008年8月第39卷第I期1-6页)“废水处理新理念——微生物燃料电池技术进展” 一文中介绍，微生物燃料电池技术正成为新概念废水处理技术之一。它的工作原理是将废水中的有机物作为底物(营养物质或碳源)在厌氧或兼氧的阳极室中被微生物氧化，产生的电子被微生物捕获并传递给阳极，电子通过外电路到达阴极，从而形成回路产生电流，而质子通过质子交換膜或电解液到达阴极，与阴极室中的电子受体反应，废水中的有机物得到了降解，有机物质能被转换成了电能。因此微生物燃料电池的阳极需要足够的碳源如有机物，阴极需要足够的电子受体如氧气、硝酸盐等，才能保证微生物燃料电池的高效运行。但迄今未见将微生物燃料电池技术实际应用于受污染地下水的原位修复处理的公开报道
发明内容
本发明提供ー种利用微生物燃料电池技术原位修复受污染地下水的方法，以克服向地下水中添加电子受体的实施难度，实现在原位修复污染地下水的同时获得电能。本发明利用微生物燃料电池技术原位修复受污染地下水的方法，其特征在干在受污染地下水中设置室盖密封的阳极室和与大气相通的阴极室，将电阻负载的两端分别用导线连接到阳极室中的阳极和阴极室中的阴极；阳极室和阴极室的室壁均开有小孔，使受污染的地下水通过室壁的小孔从阳极室和阴极室中流经，由接种、驯化并富集在阳极材料表面的厌氧或兼氧微生物菌群对流到阳极室内的水中还原性污染物进行氧化降解，与此同时在阴极室内对流经的氧化性 污染物进行还原降解，并在电阻负载的两端获得电能。可采用本发明方法原位修复的污染包括在阳极室中的还原性污染物硝酸盐污染和/或重金属Cr6+污染，在阴极室中的氧化性污染物苯酚和/或苯和/或三氯こ烯污染。对于修复被还原性污染物硝酸盐和/或重金属Cr6+污染的地下水，使受污染地下水优先从阳极室流经；对于修复被氧化性污染物苯酚和/或苯和/或三氯こ烯污染的地下水，使受污染地下水优先从阴极室流经；对于被还原性污染物和氧化性污染物同时污染的地下水，优选将阳极室和阴极室同时设置在垂直于受污染地下水流向的同一截面上。所述阳极材料选用碳布、碳纸、碳纳米管或石墨；所述阴极材料选用加催化剂Pt改性的碳布、碳纸或石墨。所述厌氧或兼氧微生物菌群是这样获得的向取自污水处理厂的氧化沟兼性厌氧段的污泥样品中加入蒸馏水，使泥水质量比为I : 10，将泥水置于密闭的厌氧反应器中，然后加入氧化性污染物苯酚，使其浓度为100mg/l，或三氯こ烯，使其浓度为50mg/l，同时加入碳源葡萄糖至浓度为100mg/l,或こ酸钠至浓度为1000mg/l ;以及加入生长介质的水溶液；保持水浴温度为10-30°C的水浴震荡器中震荡使泥水与营养物质混合均匀，至污泥呈深褐色时即可。所述生长介质包括无机盐、维他命和微量元素，将它们投加在水中的组分及含量分别列举在下面的表I、表2和表3中表I无机盐投加在水中的组份及含量
权利要求
1.ー种利用微生物燃料电池技术原位修复受污染地下水的方法，其特征在于在受污染地下水中设置室盖密封的阳极室和与大气相通的阴极室，将电阻负载的两端分别用导线连接到阳极室中的阳极和阴极室中的阴极；阳极室和阴极室的室壁均开有小孔，使受污染的地下水通过室壁的小孔从阳极室和阴极室中流经，由接种、驯化并富集在阳极材料表面的厌氧或兼氧微生物菌群对流到阳极室内的水中还原性污染物进行氧化降解，与此同时在阴极室内对流经的氧化性污染物进行还原降解，并在电阻负载的两端获得电能。
2.如权利要求I所述利用微生物燃料电池技术原位修复地下水的方法，特征在于所述原位修复的污染为在阳极室中的还原性污染物硝酸盐污染和/或重金属Cr6+污染，在阴极室中的氧化性污染物苯酚和/或苯和/或三氯こ烯污染； 对于修复被还原性污染物硝酸盐和/或重金属Cr6+污染的地下水，使受污染地下水先从阳极室流经；对于修复被氧化性污染物苯酚和/或苯和/或三氯こ烯污染的地下水，使受污染地下水先从阴极室流经；对于被还原性污染物和氧化性污染物同时污染的地下水，将阳极室和阴极室同时设置在垂直于受污染地下水流向的同一截面上。
3.如权利要求I所述利用微生物燃料电池技术原位修复地下水的方法，特征在于所述厌氧或兼氧微生物菌群是这样获得的向取自污水处理厂的氧化沟兼性厌氧段的污泥样品中加入蒸馏水，使泥水质量比为I : 10,将泥水置于密闭的厌氧反应器中，然后加入氧化性污染物苯酹，使其浓度为100mg/l,或三氯こ烯,使其浓度为50mg/l,同时加入碳源葡萄糖至浓度为100mg/l，或こ酸钠至浓度为1000mg/l ;以及加入生长介质的水溶液；保持水浴温度为10-30°C的水浴震荡器中震荡使泥水与营养物质混合均匀，至污泥呈深褐色； 所述生长介质为无机盐、维他命和微量元素，其投加在水中的组分及含量分别列举在下面的表I、表2和表3中 表I无机盐投加在水中的组份及含量组份含量(mg/L) KCl130 "NH4Cl310K2HPO46571KH2PO42883 表2维他命投加在水中的组份及含量组份浓度(X10_3mg/L) 维生素B525 维生素H10 维生素B650烟酸25叶酸10 核黄素25 维生素B-120.5 维生素BI25对氨基苯甲酸25硫辛酸_25_ 表3微量元素投加在水中的组份及含量
4.如权利要求I所述利用微生物燃料电池技术原位修复地下水的方法，特征在于所述接种、驯化并富集在阳极材料表面的厌氧或兼氧微生物菌群采取将阳极材料先在地面上放入污泥中使得厌氧微生物在阳极材料上挂膜，然后再将阳极材料放置到地下的阳极室中。
5.如权利要求I所述利用微生物燃料电池技术原位修复地下水的方法，特征在于所述接种、驯化并富集在阳极材料表面的厌氧或兼氧微生物菌群采取向已建好的阳极室注入预先培养好的菌群，通过一段时间的运行，为阳极挂膜。
6.如权利要求I所述利用微生物燃料电池技术原位修复地下水的方法，特征在于所述阳极材料选用碳布、碳纸、碳纳米管或石墨。
7.如权利要求I所述利用微生物燃料电池技术原位修复地下水的方法，特征在于所述阴极材料选用加催化剂Pt改性的碳布、碳纸或石墨。
全文摘要
本发明公开了一种利用微生物燃料电池技术原位修复地下水的方法，特征是在受污染地下水中设置密封的阳极室和与大气相通的阴极室，将电阻负载的两端分别连接阳极和阴极，使受污染地下水通过阳极室和阴极室室壁的小孔流经阳极和阴极，由接种、驯化并富集在阳极表面的微生物菌群对阳极室内的还原性污染物进行氧化降解，同时在阴极室内对氧化性污染物进行还原降解，并在电阻负载的两端获得电能；本发明克服了现有生物原位修复技术中额外添加电子受体时受场地和岩层的限制实施难和地下水中碳源不足而抑制微生物活性的缺点，实现了微生物燃料电池的阳极和阴极同时去除地下水中污染物，在原位修复受污染的地下水，还能获得电能。
文档编号C02F3/34GK102659237SQ20121013461
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月3日 优先权日2012年5月3日
发明者汪家权, 程建萍, 胡淑恒, 陈少华 申请人:合肥工业大学