[发明专利]一种基于缓释碳源耦合生物电化学系统精准完全脱氯氯代烃的方法

说明书

本发明公开了一种基于缓释碳源耦合生物电化学系统精准完全脱氯氯代烃的方法，属于土壤地下水原位生物修复技术领域。本发明解决了场地氯代烃污染原位生物修复过程中，厌氧微生物还原脱氯过程由于外源有机碳和电子供体缺乏导致的氯代烃降解不彻底导致的有毒有害中间产物积累问题，以及常规水溶性有机碳源投加导致的场地COD升高和二次污染问题。本发明采用具有高效选择性的PHB作为缓释碳源，通过构建PHB耦合生物电化学系统，在生物阴极释电子和PHB释氢气的双重电子供给作用下，选择性激活挥发性氯代烃(三氯乙烯TCE/四氯乙烯PCE等)脱氯功能菌群，精准促进PCE和TCE的次序脱氯到乙烯，实现氯代烃的高效完全脱氯和脱毒。

技术领域

本发明涉及一种基于缓释碳源耦合生物电化学系统精准完全脱氯氯代烃的方法，属于土壤地下水原位生物修复技术领域。

背景技术

氯代烃作为常用的有机溶剂、干洗剂、防爆剂，在工业中被广泛使用。近年来，因为氯代烃的大量使用和不当处理，使得大量氯代有机污染物进入到环境中，造成环境污染。其中，氯代烃一旦进入到地下水中形成重质非水相流体污染羽，对人类健康和生态安全造成严重威胁。

目前，国内外对于地下水中氯代烃去除的办法，主要有吸附、零价铁还原和高级氧化、曝气吹脱等物理、化学技术。但是，由于地下含水层环境的限制，投加吸附剂、零价铁、氧化药剂来去除氯代烃的方法，难以大范围使用、可持续性差，且回收产生的废弃物(过量药剂和吸附剂)困难，容易造成二次污染。相比之下，生物修复具有绿色、经济、无二次污染等优势，2000年以来，生物激活和生物添加技术已被发达国家广泛推广并应用。脱氯呼吸菌利用氯代有机物作为呼吸链最终电子受体获得能量使其同步还原，是氯代有机物在厌氧/缺氧环境中分解转化的首要和最重要步骤。然而，脱氯呼吸菌属于严格厌氧微生物，在地下水实际应用过程中，往往存在碳源和外源电子供体缺乏的情况，而通过投加液态生物激活剂(短链脂肪酸等)来补充其所需的碳源和电子，往往面临具有较宽生态幅的异养微生物的大量增殖，而脱氯呼吸菌的丰度限定在较低范围和电子传递效率底下等难题。组内的前期研究发现，通过弱电激活，即在阴极给与适当的阴极电位，可大大提升脱氯呼吸菌的代谢活性，使得三氯乙烯和四氯乙烯的脱氯速率显著提升(ZL201510639392.0)。本课题组关于不同电位对于三氯乙烯生物脱氯的研究证明，弱电激活使得三氯乙烯生物脱氯的速率提高了2.6～4.3倍。然而，一方面，生物阴极脱氯呼吸三氯乙烯和四氯乙烯的最终产物为毒害性较强的cis-1,2-二氯乙烯，另一方面，水溶性碳源(乙酸钠，葡萄糖，乙醇等)在实际操作中投加量无法精准控制，容易造成COD过高、非功能微生物大量增殖，继而产生二次COD升高和生物风险等问题。

发明内容

基于以上，本发明为了解决氯代烃厌氧生物脱氯过程中，碳源缺乏、电子供体缺乏、脱氯呼吸菌竞争能力弱、产生有毒中间产物等问题，提出一种通过缓释碳源耦合生物电化学系统实现挥发性氯代烃精准脱氯到无毒无害乙烯的方法。该方法的优势在于，在前期发明(CN201510639392.0、CN202011477268.6)的基础上，采用缓释碳源(聚β-羟基丁酸)取代传统的液态短链脂肪酸(乙酸钠等)，通过在可控范围释放有机碳，并耦合生物电化学系统选择性激活脱氯呼吸菌的代谢活性，使得脱氯产物由毒害性较强的cis-1,2-二氯乙烯进一步完全分解为无毒的乙烯。

本发明的技术方案：

一种基于缓释碳源耦合生物电化学系统精准完全脱氯氯代烃的方法，采用生物电化学反应器实现，生物电化学反应器包括阴极室、阳极室、甘汞电极、碳刷和质子交换膜，其中阴极室和阳极室以质子交换膜分隔，两支碳刷分别置于阴极室和阳极室内，甘汞电极插入阴极室内；

该方法包括以下步骤：

步骤1，缓释碳源聚β-羟基丁酸(PHB)的预处理：使用去离子水对缓释碳源清洗2～3遍，自然干燥；

步骤2，活性污泥的预处理：将活性污泥静置2h，倒掉上清液；

步骤3，生物电化学反应器的启动，过程如下：