CN104377378A

CN104377378A - 一种修复地下水硝酸盐污染的微生物电化学装置和方法

Info

Publication number: CN104377378A
Application number: CN201410171820.7A
Authority: CN
Inventors: 卢宏玮; 杜鹏; 何理; 申婧
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2014-04-28
Filing date: 2014-04-28
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2034-04-28
Also published as: CN104377378B

Abstract

本发明属于环境保护领域，特别涉及一种地下水硝酸盐污染原位修复的微生物电化学装置和方法。本发明装置由电极修复系统、电极控制系统、电极液循环系统以及温度控制/调节系统组成；通过电极控制系统，电极修复系统能够间歇处于微生物电解池状态（MEC）、微生物燃料电池状态（MFC）及开路状态；通过电极液循环系统，能够是控制电解液在阴极室和阳极室之间循环，并不断跟新电极液；温度控制/调节系统能够控制两电极室种电极液的温度，促进微生物新陈代谢。本发明的优点在于，采原位地下水修复，无需抽出地下水，修复效率高，能源利用率高，无二次污染，修复装置适应能力强，修复装置和修复过程简单，便于工业生产和操作。

Description

一种修复地下水硝酸盐污染的微生物电化学装置和方法

技术领域

本发明属于环境保护领域，特别涉及一种地下水硝酸盐污染原位修复的微生物电化学装置和方法。

技术背景

地下水是一种重要的饮用水水源。目前，世界越有三分之一的亚洲居民以地下水作为主要的引用水源，我国有310个城市开采地下水作为城市供水水源，北方干旱—半干旱的许多城市和乡村，地下水是其唯一水源。然而，我国地下水源污染严重，全国多数城市地下水受到一定程度的点源和面源污染，使一些元素在局部地段超标，污染呈上升趋势，硝酸盐作为一种重要的地下水污染物，严重威胁着我国的饮水安全。

硝酸盐本身对人体无害，但人体摄入硝酸盐后，会被体内硝酸还原细菌作用生成亚硝酸盐，亚硝酸盐的毒性是硝酸盐的11倍，亚硝酸盐可以将血红蛋白中的二价铁转化为三价铁，从而引起高铁血红蛋白症，或形成“三致”物质亚硝基胺及其化合物，对人体健康构成严重威胁。因此，硝酸盐污染地下水修复刻不容缓。

目前，常用的地下水硝酸盐污染修复技术主要有物理去除法、化学还原法和生物脱氮法。物理去除法和化学还原法能够有效地去除地下水中的硝酸盐。但是，物理去除法对硝酸盐的去除选择性较差，且一般只能异位修复，成本较高；化学还原法一般需要催化剂和还原剂，它们大多含有重金属和有机污染物，不仅成本高，而且容易造成二次污染。生物脱氮法是利用脱氮微生物，通过反硝化作用，将硝酸根离子还原为氮气的过程，该技术具有速度快、干扰小、效率高、成本低、反应条件温和等显著优点，是目前研究最多、最热的地下水硝酸盐污染修复技术方法。

生物脱氮法包括自养型生物脱氮法和异养型生物脱氮法。自养型生物脱氮法不需向水体中投加有机碳源等营养物质，但是自养型生物脱氮微生物增长速度慢，脱氮效率较低，用于修复硝酸盐污染地下水周期长；为了提高微生物反硝化作用，加速硝酸根离子的降解速率，缩短修复周期，需要添加有机碳源等营养物质来保持异养型生物脱氮微生物高度的生物活性，但是营养物质添加不当，仍然存在着二次污染问题。

离子交互膜含有离子交换基团，对溶液中离子具有选择透过性，离子交换膜由于自身独特的荷电性质，具有分离效率高，能源消耗小，环境污染少的特点，广泛应用于环境保护领域，利用离子交换膜可以选择性地富集污染物。微生物电化学修复技术是一种新型高效的去除地下水中污染物的修复技术，通过对微生物的电化学强化，能够大大提高修复效率。利用微生物电化学作用修复地下水硝酸盐污染时，通过间歇控制，使微生物电化学修复装置间歇处于微生物电解池和微生物燃料电池状态。在微生物电解池状态下，通过外加电场，使硝酸根离子在电场力作用下迁移到阳极室内，以便位于阳极室内的脱氮微生物去除污染物，同时，通过外加电源驯化电极室内的微生物。在微生物燃料电池状态下，阳极室内的产电微生物产生电子，电子通过阳极和外电路转移到阴极，阴极室内的产电微生物以阴极为电子供体，以硝酸根离子为电子受体进行新陈代谢，从而去除地下水硝酸盐污染。该发明通过外加电源加速阳极室对硝酸根离子的富集，并驯化两电极室内的微生物；通过两电极室内电极溶液的循环和对修复装置状态控制，使得阴极室和阳极室同时去硝酸根离子，从而大大提高修复效率；并且装置采用离子交换膜，能够防止外加营养物质扩散，防止修复引起二次污染。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供一种硝酸盐污染地下水原位修复的微生物电化学装置和方法。

一种修复受硝酸盐污染地下水的微生物电化学装置，该装置由电极修复系统、电极控制系统、电极液循环系统以及温度控制/调节系统组成。其中电极修复系统由阳极、阴极、阳极室以及阴极室组成，阳极位于阳极室中，阴极位于阴极室；电极修复系统与电极控制系统相连，电极控制系统由定时开关、直流电源、定值电阻、电流表及其它控制元件组成；电极修复系统与电极液循环系统相连，电极液循环系统由循环泵、储液槽、脱氧装置、控制阀及循环管道组成；电极修复系统与温度控制/调节系统相连，温度控制/调节系统由温度控制器与加热和温度感应器组成，该装置与修复井相连。

上述所述定时开关能够自动间歇调节系统状态，使其分别处于微生物电解池状态（MEC）、微生物燃料电池状态（MFC）及开路状态。

上述所述电极控制系统能够根据线路电流自动调节处于不同状态（即：MEC和MFC）下电极之间的电压或电阻，调节精度为0.1V。

上述所述阳极和阴极材料为碳刷、碳毡等。

上述所述阳极室和阴极室由外壁和包裹在外壁的离子交换膜组成，阳离子交换膜包裹于阴极室，阴离子交换膜包裹于阳极室。

上述所述阳极室和阴极室的外壁可选用无毒环保的硬质PVC管或PE管，管侧壁均匀布有小孔，孔径为5mm，孔间距为5mm。

上述所述阳离子交换膜和阴离子交换膜为透过率≥92%的无毒离子交换膜，膜厚度0.3～0.5mm，爆破强度≥0.3MPa。

上述所述电极液位于阳极室和阴极室中，电极液为接种微生物后的培养液，培养液可为人工合成培养液和适合微生物生长的有机废水、生活污水、农作物秸秆水解液等，培养液的pH值为6.5~8.0，接种微生物取自生活污水处理厂缺氧或厌氧段的活性污泥。

上述所述产异养脱氮微生物主要为异养厌氧反硝化细菌和异养厌氧产电反硝化细菌。

上述所述脱氧装置为真空脱氧机，能够能使培养液的溶解氧不大于2.0mg/L.

上述所述修复井的数量、位置和深度根据污染场地污染情况及趋势设置，修复井直径0.5m~1m。

上述所述温度控制/调节系统能控制电极室内电极液的温度在25~35℃ 之间。

上述所述直流电源电压为1~100V。

上述所述定值电阻为1000Ω。

一种修复受硝酸盐污染地下水的微生物电化学装置的修复方法，其具体步骤如下：

（1）对污染场地进行调查，监测地下水中硝酸盐浓度，了解地下水的流动方向和速度，确定地下水硝酸盐污染的区域，根据地下水的水文地质参数，预测地下水硝酸盐污染趋势，根据污染情况及趋势合理设置修复井，安装修复装置；

（2）从生活污水处理厂的缺氧或厌氧段取活性污泥，按照1:20~25的体积比与细菌培养液混合；

（3）将阳极室和阴极室置于修复井中，电极室的上部位于水面上，水面上部分的高度为电极室长度的1/5~1/4，加入混合后的电极液；

（4）开启温度控制/调节系统，使阳极室和阴极室温度控制在25~35℃ 之间；

（5）调节定时开关，接通两电极间的直流电源，将修复装置调节至微生物电解池状态，电极控制系统根据电路电流自动调节电极间电压，保持修复装置电流密度在10~15A/m²之间；

（6）将电极修复系统在微生物电解池状态5~7天，此时，地下水中的硝酸根离子在电动力作用下进入阳极室，通过阳极室中的反硝化细菌去除硝酸盐污染。同时驯化电极室中的微生物；

（8）经外加电源驯化，两电极室中的微生物主要为异养厌氧反硝化细菌和异养厌氧产电反硝化细菌。其中阳极室的异养厌氧产电反硝化细菌能够产生电子传递给阳极，并通过阳极和外电路到达阴极；阴极室中的异养厌氧产电反硝化细菌能够以阴极为电子供体，并以硝酸根离子为电子受体进行新陈代谢；

（9）调节定时开关，将电极修复系统调至微生物燃料电池状态。同时开启阀门（102）和（202）、循环泵（106）和（206），将阳极液抽入阴极室，阴极液抽入储液槽，与新加培养液混合后，经脱氧装置脱氧后加入阳极室；

（10）维持电极修复系统于微生物燃料电池状态下7~10天。此时，阳极室内的异养厌氧产电微生物产生电子，经阳极和外电路传递给阴极，阴极内的异养厌氧产电微生物以阴极为电子供体，以硝酸根离子为电子受体进行新陈代谢，从而去除硝酸盐污染；

（11）重复上述操作。修复过程中，由于两个电极室同时存在异养厌氧反硝化细菌和异养厌氧产电反硝化细菌，因此两个电极室能够同时去除污染物，从而提高修复效率。

本发明的优点是：

利用外加电源，不仅能够加速硝酸根离子的富集，而且能够驯化微生物，并为阴极室中硝酸根离子微生物代谢提供电子，从而大大提高硝酸根离子的去除效率；采用循环泵，使阳极室富集后的硝酸根离子进入阴极室，实现阳极室和阴极室同步去除硝酸根离子，提高能量利用效率和修复效率；采用温度控制/调节系统，为微生物提供适宜的温度，促进微生物新陈代谢，从而提高修复效率，增强修复装置的适应能力；采用离子交换膜能够有效阻止营养液进入地下水中，防止地下水造成二次污染；利用有机废水、生活污水、农作物秸秆水解液作为微生物培养液时能够节约资源；本发明提供的修复装置用于原位地下水修复，无需抽出地下水，修复效率高，能源利用率高，无二次污染，修复装置适应能力强，修复装置和修复过程简单，便于工业生产和操作。

附图说明

图1为本发明的结构示意图

图中标号：1—加料口 102、202—阀门 3—储液罐 4—温度控制器 5—电流表 106、206—循环泵 7—电极控制系统 8—定时开关 109、209—导线 10—阴极室 11—阴极 12—阳极 113、213—加热和温度感应器 14—阳极室 15—修复井 116、216—循环管道 17—定值电阻 18—直流电源 19—脱氧装置。

具体实施方式

本发明提供一种电动力强化的硝酸盐污染地下水原位修复装置和方法，下面结合附图和具体实施方式对发明做进一步说明。

一种修复受硝酸盐污染地下水的微生物电化学装置，该装置由电极修复系统、电极控制系统、电极液循环系统以及温度控制/调节系统组成。其中电极修复系统由阳极（12）、阴极（11）、阳极室（14）以及阴极室（10）组成，阳极（12）位于阳极室（14）中，阴极（11）位于阴极室（10）；电极修复系统与电极控制系统相连，电极控制系统（7）由定时开关（8）、直流电源（18）、定值电阻（17）、电流表（5）及其它控制元件组成；电极修复系统与电极液循环系统相连，电极液循环系统由循环泵（106）和（206）、储液槽（3）、脱氧装置（19）、控制阀（102）和（202）及循环管道（116）和（216）组成；电极修复系统与温度控制/调节系统相连，温度控制/调节系统由温度控制器（4）与加热和温度感应器（113）和（213）组成，该装置与修复井（15）相连。

（3）安装修复装置于修复井（15）上，将阳极室（14）和阴极室（10）置于修复井中，两电极室的上部位于水面上，水面上部分的高度为电极室长度的1/5~1/4，固定好后加入电极液；

（4）开启温度控制器（4），通过加热和温度感应器（113）和（213），使阳极室和阴极室温度控制在25~35℃ 之间；

（5）调节定时开关8，接通两电极间的直流电源18，将电极修复系统至微生物电解池状态，电极控制系统（7）根据电路电流自动调节电极间电压，保持修复装置电流密度在10~15A/m²之间；

（6）将电极修复系统维持在微生物电解池状态5~7天，此时，地下水中的硝酸根离子在电动力作用下进入阳极室（14），通过阳极室（14）中的反硝化细菌去除硝酸盐污染。同时驯化电极室中的微生物；

（8）经外加电源驯化，电极室（14）和（10）中的微生物主要为异养厌氧反硝化细菌和异养厌氧产电反硝化细菌。其中阳极室（14）的异养厌氧产电反硝化细菌能够产生电子传递给阳极（12），并通过阳极（12）和外电路到达阴极（11）；阴极室（10）中的异养厌氧产电反硝化细菌能够以阴极（11——为电子供体，并以硝酸根离子为电子受体进行新陈代谢；

（9）调节定时开关（8），将电极修复系统调至微生物燃料电池状态。同时开启阀门（102）和（202）、循环泵（106）和（206），将阳极液抽入阴极室（10），阴极液抽入储液槽（3），与新加培养液混合后，经脱氧装置（19）脱氧后加入阳极室（14）；

（10）维持修复装置于微生物燃料电池状态下7~10天。此时，阳极室（14）内的异养厌氧产电微生物产生电子，经阳极（12）和外电路传递给阴极（11），阴极室（10）内的异养厌氧产电微生物以阴极（11——为电子供体，以硝酸根离子为电子受体进行新陈代谢，从而去除硝酸盐污染；

（11）重复上述操作。修复过程中，由于两个电极室同时存在异养厌氧反硝化细菌和异养厌氧产电反硝化细菌，因此两个电极室能够同时去除污染物，提高修复效率。

Claims

1.一种修复受硝酸盐污染地下水的微生物电化学装置，其特征在于，该装置由电极修复系统、电极控制系统、电极液循环系统以及温度控制/调节系统组成；其中电极修复系统由阳极（12）、阴极（11）、阳极室（14）以及阴极室（10）组成，阳极（12）位于阳极室（14）中，阴极（11）位于阴极室（10）；电极修复系统与电极控制系统相连，电极控制系统（7）由定时开关（8）、直流电源（18）、定值电阻（17）、电流表（5）及其它控制元件组成；电极修复系统与电极液循环系统相连，电极液循环系统由循环泵（106）和（206）、储液槽（3）、脱氧装置（19）、控制阀（102）和（202）及循环管道（116）和（216）组成；电极修复系统与温度控制/调节系统相连，温度控制/调节系统由温度控制器（4）与加热和温度感应器（113）和（213）组成，该装置与修复井（15）相连。

2.上述所述定时开关（8）能够自动间歇调节系统状态，使电极修复系统分别处于微生物电解池状态（MEC）、微生物燃料电池状态（MFC）及开路状态。

3.上述所述电极控制系统能够根据线路电流自动调节处于不同状态（即：MEC和MFC）下电极之间的电压或电阻，调节精度为0.1V。

4.上述所述阳极（12）和阴极（11）材料为碳刷、碳毡等。

5.上述所述阳极室（14）和阴极室（10）由外壁和包裹在外壁的离子交换膜组成，阳离子交换膜包裹于阴极室（10），阴离子交换膜包裹于阳极室（14）。

6.上述所述阳极室（14）和阴极室（10）的外壁可选用无毒环保的硬质PVC管或PE管，管侧壁均匀布有小孔，孔径为5mm，孔间距为5mm。

7.上述所述阳离子交换膜和阴离子交换膜为透过率≥92%的无毒离子交换膜，膜厚度0.3～0.5mm，爆破强度≥0.3MPa。

8.上述所述电极液位于阳极室（14）和阴极室（10）中，电极液为接种微生物后的培养液，培养液可为人工合成培养液和适合微生物生长的有机废水、生活污水、农作物秸秆水解液等，培养液的pH值为6.5~8.0，接种微生物取自生活污水处理厂缺氧或厌氧段的活性污泥。

9.上述所述产异养脱氮微生物主要为异养厌氧反硝化细菌和异养厌氧产电反硝化细菌。

10.上述所述脱氧装置（19）为真空脱氧机，能够能使培养液的溶解氧不大于2.0mg/L。

11.上述所述修复井的数量、位置和深度根据污染场地污染情况及趋势设置，修复井直径0.5m~1m。

12.上述所述温度控制/调节系统能控制电极室内电极液的温度在25~35℃ 之间。

13.上述所述直流电源（18）电压为1~100V。

14.上述所述定值电阻（17）为1000Ω。

15.一种修复受硝酸盐污染地下水的微生物电化学装置的修复方法，其具体步骤如下：

（6）将电极修复系统维持在微生物电解池状态5~7天，此时，地下水中的硝酸根离子在电动力作用下进入阳极室（14），通过阳极室（14）中的反硝化细菌去除硝酸盐污染，同时驯化电极室中的微生物；

（8）经外加电源驯化，电极室（14）和（10）中的微生物主要为异养厌氧反硝化细菌和异养厌氧产电反硝化细菌，其中阳极室（14）的异养厌氧产电反硝化细菌能够产生电子传递给阳极（12），并通过阳极（12）和外电路到达阴极（11），阴极室（10）中的异养厌氧产电反硝化细菌能够以阴极（11——为电子供体，并以硝酸根离子为电子受体进行新陈代谢；

（9）调节定时开关（8），将电极修复系统调至微生物燃料电池状态，同时开启阀门（102）和（202）、循环泵（106）和（206），将阳极液抽入阴极室（10），阴极液抽入储液槽（3），与新加培养液混合后，经脱氧装置（19）脱氧后加入阳极室（14）；

（10）维持修复装置于微生物燃料电池状态下7~10天，此时，阳极室（14）内的异养厌氧产电微生物产生电子，经阳极（12）和外电路传递给阴极（11），阴极室（10）内的异养厌氧产电微生物以阴极（11——为电子供体，以硝酸根离子为电子受体进行新陈代谢，从而去除硝酸盐污染；

（11）重复上述操作，修复过程中，由于两个电极室同时存在异养厌氧反硝化细菌和异养厌氧产电反硝化细菌，因此两个电极室能够同时去除污染物，提高修复效率。