[发明专利]一种原位修复地下水硝酸盐污染的微生物燃料电池

说明书

技术领域

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

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。

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S₀作为电子供体，可减少微生物生成量，但添加H₂或S₀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SO₄^2-、微生物等污染。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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2~4m²:1m³，第一阴离子交换膜与生物阳极之间的距离为0.5~1cm，第二阴离子交换膜与生物阴极之间的距离为0.5~1cm。

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。