一种用于浅层地下水氯代烃污染原位修复的套筒式生物电化学反应器

1.本发明涉及一种用于浅层地下水氯代烃污染原位修复的套筒式生物电化学反应器，具体涉及一种用于受卤代烃污染的浅层地下水原位修复的生物电化学反应器。


背景技术：

2.地下水是一种重要的淡水资源，其分布广泛便于利用，已经成为大多数国家及地区的主要饮用水源，有超过20亿人口将其作为饮用水。我国的人口数量占全球总人口的20％，然而淡水资源仅占全球淡水资源的5
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7％，地下水资源对于我国的经济、社会发展和民生保障具有重要的战略意义。在我国，有400多个城市把地下水作为饮用水源，约占城市总数的60％以上。特别是我国北方地区，大约有30％的农业用水、50％的工业用水和60％的生活用水来自地下水。对于我国农村地区，生活饮用水主要依靠地下水供给。近年来，地下水卤代烃的污染在世界上受到极大的关注，其中氯代脂肪烃为地下水中最常见的有机污染物，四氯乙烯、三氯乙烯和1,2
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二氯乙烯为地下水卤代烃中的代表性污染物。中国地质环境监测院曾对我国69个城市地下水卤代烃污染状况进行调查，调查结果显示，71％的城市地下水中，至少检测出一种挥发性污染物。在我国北方很多城市，都存在严重的卤代烃污染，其中pce(四氯乙烯)和tce(三氯乙烯)为主要污染物。卤代烃在地下水长期存在，难以自然降解，面对地下水中卤代烃污染现状，进行人工处理，变得十分必要和紧迫。
3.目前，针对地下水卤代烃的去除技术主要有吸附、曝气吹脱、零价铁还原、高级氧化以及常规微生物还原脱卤和新兴的生物电化学系统去除卤代烃有机物。吸附作为水中卤代烃传统去除方法，成本低、设计、操作简单，但是吸附剂吸附能力有限，此外，吸附作为物理去除方法，并不能将卤代烃进行无害化去除，需要后续处理。曝气吹脱，对于被挥发性有机物污染的水体有修复作用，但曝气消耗能量高、尾气中含有污染物需要进行尾气处理。目前已知以纳米零价铁为代表的纳米金属材料，对于卤代烃有较好的脱卤效果，但在其实际应用中存在材料团聚、稳定性差、流动性差和寿命短等问题。高级氧化技术主要是fenton氧化和臭氧氧化技术，但是在地下水原位修复中，需要投加大量化学药剂，并且处理成本较高，难以大范围应用于地下水的处理。微生物还原技术，利用厌氧条件下某些微生物代谢过程中将卤代烃作为电子受体，完成卤代烃的脱卤过程。但是在地下水中，存在电子供体不足的问题，此外，产甲烷菌和反硝化细菌和脱卤还原菌存在竞争关系，这都极大限制了常规微生物还原脱卤的效果。因此，本专利提供一种生物电化学反应器，使用生物电化学阴极作为一种外源的电子供体为脱卤呼吸菌提供电子，来促进生物脱卤呼吸和卤代烃的分解转化。


技术实现要素：

4.本发明为了解决上述技术问题，提供一种直接应用于地下水原位监测井中的套筒式生物电化学反应器的制备方法。
5.本发明的技术方案：
6.一种用于浅层地下水氯代烃污染的原位修复的套筒式生物电化学反应器，该反应器包括阳极6、阴极、pvc管5、底筒7和止回球8，所述的阴极包括表面均匀布孔的不锈钢圆筒2和碳毡3，碳毡3通过导电胶粘附在不锈钢圆筒2的内壁；所述的底筒7分为上段和下段，上段为直筒结构，下段为锥筒结构，底筒7的上段边缘与不锈钢圆筒2的下边缘连接，止回球8位于底筒7的下段内；阳极6由碳纤维和钛丝缠绕形成的刷状结构，阳极6位于不锈钢圆筒2内，且pvc管5位于阳极6和不锈钢圆筒2之间，阳极6和阴极通过外接直流电源9实现电连接。
7.进一步地，不锈钢圆筒2的开孔率为30％。
8.更进一步地，不锈钢圆筒2直径为4cm，长度为201cm，距离不锈钢圆筒2的上边缘5mm处周向开上边缘孔，孔径为8mm，且沿周向均布8个上边缘孔；距离不锈钢圆筒2的下边缘5mm处周向开下边缘孔，孔径为5mm，且沿周向均布4个下边缘孔；从距离不锈钢圆筒2的上边缘1.5cm处开始直到不锈钢圆筒2的下边缘部分均匀布孔，孔径为1.5cm，沿周向方向每行均布6个孔，轴向方向相邻孔间最小距离为1cm。
9.更进一步地，上边缘孔用于反应器的固定和与外接直流电源9的负极连接，且为保证电流分布均匀使用钛丝将上边缘孔串联。
10.进一步地，底筒7的上段直径为4cm，高度为5cm，距离上段上边缘5mm处周向开孔，孔径为5mm，且沿周向均布4个孔，底筒7的上段开孔和下边缘孔对应，且使用钛丝穿过上段开孔和下边缘孔将底筒7和不锈钢圆筒2的连接。
11.进一步地，底筒7下段的锥筒结构高度为5cm，进口直径为4cm，出口直径为2cm。
12.更进一步地，止回球8的直径为2.5cm。
13.进一步地，pvc管5管径为2.5cm，长度为200cm，且在表面均匀布孔，所述的pvc管5的两端分别套装胶垫圈，pvc管5通过胶垫圈实现其在不锈钢网2内的位置固定。
14.进一步地，阳极6直径为2cm，长度为201cm，距离阳极6的顶端1cm部分未缠绕碳纤维，钛丝弯折成孔，用于与外接直流电源9的正极连接。
15.进一步地，阴极和阳极可以互换。
16.本发明具有以下有益效果：本发明利用生物电化学脱卤技术，可以在电子供体有限的条件下，为脱卤呼吸菌提供电子，促进脱卤呼吸的完成。且该反应器可以置于较小的监测井中，具有操作简便，适合地下水环境复杂和操作条件不变的特点，且不需要投加大量化学药剂，运行所需要的电压(约1v)较小，能耗极低。该反应器运行时，微生物可以在阴极碳毡上进行挂膜，卤代烃污染物在阴极区域，通过电极和微生物的协同作用，可以完成还原脱卤。反应器运行可将井内氧化还原电位维持在较低的范围，更有利于脱卤呼吸微生物的富集和增殖。此外，在该反应器的阳极也可进行部分卤代烃如cis
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二氯乙烯和其他卤代烃还原产物的氧化分解，实现卤代烃的完全矿化。
附图说明
17.图1为套筒式生物电化学反应器轴向剖面结构图；
18.图2为的阴极不锈钢圆筒2的结构示意图；
19.图3为底筒结构示意图；
20.图4为阳极结构示意图；
21.图中2
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不锈钢圆筒，3
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碳毡，5
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pvc管，6
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阳极，7
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底筒，8
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止回球，9
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外接直流电
源。
具体实施方式
22.下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
23.具体实施方式1：
24.如图1所示，反应器包括阳极6、阴极、pvc管5、底筒7和止回球8，阴极包括表面均匀布孔的不锈钢圆筒2和碳毡3，碳毡3通过导电胶粘附在不锈钢圆筒2的内壁；所述的底筒7分为上段和下段，上段为直筒结构，下段为锥筒结构，底筒7的上段边缘与不锈钢圆筒2的下边缘连接，止回球8位于底筒7的下段内；阳极6为由碳纤维和钛丝缠绕形成的刷状结构，阳极6位于不锈钢圆筒2内，且pvc管5位于阳极6和不锈钢圆筒2之间，阳极6和阴极通过外接直流电源9实现电连接。如此设置，反应器呈套筒型，置于水体中，相对于水体为单室，但阴阳极之间存在pvc隔断筒，又可以看为双室。pvc管5在保证阴阳极的相对独立性同时，又保证水体中污染物向工作电极扩散。并且该反应器还可以根据地下水监测井的大小，改变设计尺寸，投入井中做原位修复。同时外接直流电源可以调整不同电压，使阴阳极达到不同电位，为微生物降解卤代烃提供电位和电子。
25.如图2所示，不锈钢钢圆筒2直径为4cm，长度为201cm，距离不锈钢圆筒2的上边缘5mm处周向开上边缘孔，孔径为8mm，且沿周向均布8个上边缘孔，该上边缘孔用于反应器的固定和与外接直流电源9的负极连接，且为保证电流分布均匀使用钛丝将上边缘孔串联。距离不锈钢圆筒2的下边缘5mm处周向开下边缘孔，孔径为5mm，且沿周向均布4个下边缘孔，该下边缘用于与底筒7连接。从距离不锈钢圆筒2的上边缘1.5cm处开始直到不锈钢圆筒2的下边缘部分均匀布孔，孔径为1.5cm，沿周向方向每行均布6个孔，轴向方向相邻孔间最小距离为1cm。如此设置，不锈钢圆筒2作为阴极支撑材料的同时，增强阴极导电性，且其内壁表面通过导电胶粘附碳毡3，利用其碳毡3的多孔性和较好的透水性，增加阴极表面的同时，为微生物提供更多的附着面积，且阴极上边缘使用钛丝将碳毡3和不锈钢圆筒2沿筒内侧缠绕在一起，使电流均匀分布。
26.并且阴极不锈钢圆筒2开孔率为30％，保证内部透水性的同时，避免因为开孔过多，使得电阻过大，影响导电效果。
27.如图3所示，底筒7的上段直径为4cm，高度为5cm，距离上段上边缘5mm处周向开孔，孔径为5mm，且沿周向均布4个孔，底筒7的上段开孔和下边缘孔对应，且使用钛丝穿过上段开孔和下边缘孔将底筒7和不锈钢圆筒2的连接，底筒7下段的锥筒结构高度为5cm，进口直径为4cm，出口直径为2cm，。如此设置，反应器底部为可拆卸底筒7和止回球8，沉降的污泥和脱落的生物膜会留在其中，同时还可以携带水样，便于对水样和微生物生长情况进行测定。
28.pvc管5的管径为2.5cm，长度为200cm，且在其表面均匀布孔，所述的pvc管5的两端分别套装胶垫圈，pvc管5通过胶垫圈实现其在不锈钢圆筒2内的位置固定，防止pvc管5在不锈钢圆筒2内晃动。如此设置，阴阳极之间采用带孔的pvc管5隔断，并加胶垫圈固定，保证阴阳极离子交换的同时，防止短路。
29.如图4所示，阳极6由碳纤维和钛丝缠绕形成的刷状结构，该结构直径为2cm，长度
为201cm，距离阳极6的顶端1cm部分未缠绕碳纤维，钛丝弯折成孔，用于与外接直流电源9的正极连接。如此设置，阳极6由碳纤维和钛丝缠绕形成的刷状结构增大阳极表面积，增强导电能力，减小阳极对于工作电极的限制。且阳极6的刷状结构具有导电性同时，也可负载微生物，需要时，可以将阴阳极交换，碳毡作为阳极，碳刷作为阴极，提高阴极表面积，同时pvc管5可以减少污泥外泄，保证微生物和碳刷的接触。
30.该反应器运行时，微生物可以在阴极碳毡上进行挂膜。卤代烃污染物在阴极区域，通过电极和微生物的协同作用，可以完成还原脱卤。在阳极也可进行部分卤代烃如cis
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二氯乙烯和其他卤代烃还原产物的氧化分解，实现污染物的完全矿化。
31.并且该反应器为单室结构，可以置于较小的监测井中，操作简便，适合地下水环境复杂和操作条件不变的特点，此外该反应器不需要投加大量化学药剂，运行所需要的电压(约1v)较小，能耗极低。
32.本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，针对不同现实情况做适当调整，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。