CN106186302B - 一种基于电极生物膜和微生物燃料电池修复地下水的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电极生物膜和微生物燃料电池修复地下水的装置。该装置包括密闭修复井、石墨柱、镀PbO2的第一不锈钢板、第二不锈钢板、厌氧反应池、导线和盐桥，所述镀PbO2的第一不锈钢板位于密闭修复井中且表面粘附有供微生物生长停留的线状材料，所述石墨柱位于密闭修复井中且通过金属丝固定在密闭修复井内盐桥末端的下方，所述第二不锈钢板位于厌氧反应池中，所述密闭修复井和所述厌氧反应池之间通过盐桥连接，所述导线连接位于密闭修复井中的镀PbO2的第一不锈钢板和位于厌氧反应池中的第二不锈钢板形成电流回路。本发明的装置用于污水处理能够实现经济、高效、无二次污染，可作为处理城市、工业有机废水的一道工序。

Description

一种基于电极生物膜和微生物燃料电池修复地下水的装置
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种基于电极生物膜和微生物燃料电池修复地下水的装置。
背景技术
近年来，由于工业污染、居民生活污水、化肥和有机肥的施用及污水灌溉等，导致我国地下水硝酸盐污染日趋严重。根据中国地质环境监测院在195个城市进行地下水监测的结果，其表明有97％的城市地下水已受到不同程度污染，40％的城市地下水污染趋势加重。其中，北方17个省会城市中有16个地下水污染趋势加重；南方14个省会城市中有3个地下水污染趋势加重。硝酸盐本身对人体并没有危害，但其进入人体后可被吸收还原为亚硝酸盐，后者不仅可以把血红蛋白中的低价铁氧化成高价铁，使其失去输氧能力，导致患者呼吸困难甚至死亡，还会在体内与胺类物质结合生成N-亚硝胺化合物诱发人体消化系统疾病。所以地下水硝酸盐污染的修复刻不容缓。
目前水中硝酸盐去除技术主要分为物理、化学和生物技术。物理技术包括电渗析、反渗透、离子交换法等，操作简单，处理效果好，但存在处理费用较高，污染物没有真正被去除等问题；化学技术是利用金属、氢等还原剂还原地下水中的硝酸盐，由于反应条件的控制比较严格，易产生大量污泥等副产物造成二次污染，在应用中受到了一定的限制；生物技术是利用反硝化菌将硝酸盐降解为氮气的过程，由于投资少、效率高，适合大面积处理而被广泛应用。
在降低脱硝成本和彻底消除地下水中硝酸盐污染的两个方面，生物脱硝化方法都是目前已投入实用的最好的方法，具有高效低耗特点。但生物方法仍有如下不足：自养型生物脱氮不需向水体中投加碳源，但是，一般情况下自养型细菌增长率低，增长速度慢，细菌的增长量少，达不到理想的处理效果；异养型微生物脱氮，需要大量投加外加碳源才能保证处理效果，处理成本较大且容易产生二次污染。因此，本领域亟待研究开发更加高效、低耗及更加环保的污水处理方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于电极生物膜和微生物燃料电池修复地下水的装置。
为了实现上述目的，本发明提供下述技术方案。
本发明提供的技术方案之一是：一种基于电极生物膜和微生物燃料电池修复地下水的装置，其包括密闭修复井、石墨柱、镀PbO2的第一不锈钢板、第二不锈钢板、厌氧反应池、导线和盐桥，所述镀PbO2的第一不锈钢板位于密闭修复井中且表面粘附有供微生物生长停留的线状材料，所述石墨柱位于密闭修复井中且通过金属丝固定在密闭修复井内盐桥末端的下方，所述第二不锈钢板位于厌氧反应池中，所述密闭修复井和所述厌氧反应池之间通过盐桥连接，所述导线连接位于密闭修复井中的镀PbO2的第一不锈钢板和位于厌氧反应池中的第二不锈钢板形成电流回路；
其中，所述密闭修复井、镀PbO2的第一不锈钢板、第二不锈钢板、导线、厌氧反应池和盐桥组成微生物燃料电池系统；所述密闭修复井、镀PbO2的第一不锈钢板、第二不锈钢板、导线、厌氧反应池、盐桥和石墨柱组成电极生物膜系统。
较佳地，所述的导线为铜导线。
较佳地，所述的金属丝为铜丝。
较佳地，所述的密闭修复井内有多块通过铜导线并联的镀PbO2的第一不锈钢板，其数量根据密闭修复井大小而定，优选为2～4，各并联的所述镀PbO2的第一不锈钢板的板间距优选1～2m。
较佳地，所述的厌氧反应池内有多块通过铜导线并联的第二不锈钢板，其数量根据厌氧反应池大小而定，优选为4～8，各并联的所述第二不锈钢板的板间距优选1～2m。
较佳地，所述的线状材料优选棉线。
本发明提供的技术方案之二是：一种利用上述基于电极生物膜和微生物燃料电池修复地下水的装置同时进行地下水修复和有机污水处理的方法，其包括如下步骤：
(1)向厌氧反应池内接种异养微生物，同时对表面粘附有供微生物生长停留的线状材料的镀PbO2的第一不锈钢板进行挂膜；
(2)向厌氧反应池内通入有机污水，向密闭修复井中通入含有硝酸盐的地下水；
(3)连通导线即可同时进行地下水修复和有机污水处理；
其中，挂膜所用的微生物选自脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)、反硝化硫微螺菌(Thiomicrospira denitrificans)、亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、布兰汉氏菌属(Branhamella catarrhalis)、奈氏球菌属(Gemis oceanospirllum)中的一种或多种。
所述地下水修复即去除地下水中的污染物，优选为去除硝酸盐、铁氰化钾、重铬酸钾或高锰酸钾；所述有机污水处理即去除有机污水中的污染物，优选去除氰化物。
本发明的工作原理是：密闭修复井、镀PbO2的第一不锈钢板、导线、厌氧反应池、第二不锈钢板和盐桥组成微生物燃料电池系统，厌氧反应池作为阳极室，池中活性污泥内的微生物通过降解糖类、醋酸盐、可溶性苯胺、苯酚、高浓度对苯二甲酸等有机物得到能量和电子供体，并产生电子和质子，电子由第二不锈钢板经导线传输到镀PbO2的第一不锈钢板，同时，质子通过盐桥由厌氧反应池进入密闭修复井从而构成电流回路。密闭修复井内的地下水所含硝酸根接受电子，发生反硝化反应被去除。
燃料电池系统产生的电流将电解密闭修复井中的地下水并在镀PbO2的第一不锈钢板上产生氢气，在石墨柱附近产生二氧化碳。位于镀PbO2的第一不锈钢板和棉线载体上的自养反硝化菌利用石墨柱产生的二氧化碳作为无机碳源化能自养，将镀PbO2的第一不锈钢板上产生的氢气作为电子供体，硝酸盐作为无氧呼吸链末端的电子受体，将硝酸盐还原为氮气，从而去除地下水中的硝酸盐。
本发明具有以下有益效果：
1、传统的微生物燃料电池系统产电量较少，单独收集经济效益不高，而本发明的电极生物膜系统则可通过利用这些电量，提高对地下水硝酸盐的净化效率，硝酸盐去除率提高达22％。
2、本发明的装置和方法通过微生物燃料电池系统把异养微生物所需的碳源和需净化的地下水中硝酸盐分开，防止了向地下水中注入额外碳源引起的二次污染。
3、本发明的装置和方法中所添加的碳源可使用生活污水或工业废水，在大大降低应用成本的同时，使生活污水、工业废水与地下水同时得到净化，净化污水的处理效率高，处理效果好。
附图说明
图1是本发明的基于电极生物膜和微生物燃料电池修复地下水的装置的结构示意图；
图2是本发明的基于电极生物膜和微生物燃料电池修复地下水的装置的平面图；
图中：1为密闭修复井，2为镀PbO2的不锈钢板，3为棉线，4为铜导线，5为不锈钢板，6为厌氧反应池，7为盐桥，8为石墨柱。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
如图1和图2所示，一种基于电极生物膜和微生物燃料电池修复地下水的装置，其包括密闭修复井1、石墨柱8、镀PbO2的第一不锈钢板2、第二不锈钢板5、厌氧反应池6、铜导线4和盐桥7，所述镀PbO2的第一不锈钢板2位于密闭修复井1中且表面粘附有供微生物生长停留的棉线3，所述石墨柱8位于密闭修复井1中且通过铜丝固定在密闭修复井1内盐桥7末端的下方，所述第二不锈钢板5位于厌氧反应池6中，所述密闭修复井1和所述厌氧反应池6之间通过盐桥7连接，所述铜导线4连接位于密闭修复井1中的镀PbO2的第一不锈钢板2和位于厌氧反应池6中的第二不锈钢板5形成电流回路；所述的密闭修复井1内有若干块镀PbO2的不锈钢板2并通过铜导线4并联，板间距为1m；所述的厌氧反应池6内有若干块不锈钢板5并通过铜导线4并联，板间距为1m。
其中，所述密闭修复井1、镀PbO2的第一不锈钢板2、第二不锈钢板5、导线4、厌氧反应池6和盐桥7组成微生物燃料电池系统；所述密闭修复井1、镀PbO2的第一不锈钢板2、第二不锈钢板5、铜导线4、厌氧反应池6、盐桥7和石墨柱8组成电极生物膜系统。
实施例2
利用实施例1所述装置处理污水。
首先将厌氧活性污泥接种至厌氧反应池6中，向厌氧反应池6中通入有机污水，进行驯化，不断换水，直至产生的电压稳定。将粘有棉线3的镀PbO2的不锈钢板2放入厌氧反应池6内培养，半个月后，镀PbO2的不锈钢板2和棉线3上出现一层微生物薄膜，取出粘有棉线3的镀PbO2的不锈钢板2放入密闭修复井1内，连接铜导线4，微电流对生物膜上的微生物进行驯化。向厌氧反应池6内通入有机污水，向密闭修复井1中通入受硝酸盐污染的地下水，通过电极生物膜技术和微生物燃料电池技术联合去除地下水中的硝酸盐，同时修复污染的有机污水。
本实施例挂膜所用的微生物为脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)和反硝化硫微螺菌(Thiomicrospira denitrificans)，采用其他菌种，如亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、布兰汉氏菌属(Branhamella catarrhalis)、奈氏球菌属(Gemisoceanospirllum)中的一种或多种也能实现类似效果。
厌氧反应池6进水COD浓度550.36mg/L，密闭修复井1进水硝酸盐浓度300mg/L，实验运行30天，阳极室COD去除率为78.5％，阴极室硝酸盐去除率高达83％。
本发明的方法同样适用于处理地下水中铁氰化钾、重铬酸钾或高锰酸钾等污染物。
实施例3
利用实施例1所述装置处理污水。
首先将厌氧活性污泥接种至厌氧反应池6中，向厌氧反应池6中通入含氰化物污水，进行驯化，不断换水，直至产生的电压稳定。将粘有棉线3的镀PbO2的不锈钢板2放入厌氧反应池6内培养，半个月后，镀PbO2的不锈钢板2和棉线3上出现一层微生物薄膜，取出粘有棉线3的镀PbO2的不锈钢板2放入密闭修复井1内，连接铜导线4，微电流对生物膜上的微生物进行驯化。向厌氧反应池6内通入含氰化物的污水，向密闭修复井1中通入受硝酸盐污染的地下水，通过电极生物膜技术和微生物燃料电池技术联合去除地下水中的硝酸盐，同时修复含氰化物的污水。
厌氧反应池6进水氰化物浓度80mg/L，密闭修复井1进水硝酸盐浓度300mg/L，实验运行25h，阳极室氰化物去除率达85％以上，阴极室硝酸盐去除率达73％。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于电极生物膜和微生物燃料电池修复地下水的装置，其特征在于，其包括密闭修复井、石墨柱、镀PbO2的第一不锈钢板、第二不锈钢板、厌氧反应池、铜导线和盐桥，所述镀PbO2的第一不锈钢板位于密闭修复井中且表面粘附有供微生物生长停留的棉线，所述石墨柱位于密闭修复井中且通过金属丝固定在密闭修复井内盐桥末端的下方，所述第二不锈钢板位于厌氧反应池中，所述密闭修复井和所述厌氧反应池之间通过盐桥连接，所述铜导线连接位于密闭修复井中的镀PbO2的第一不锈钢板和位于厌氧反应池中的第二不锈钢板形成电流回路；
其中，所述密闭修复井、镀PbO2的第一不锈钢板、第二不锈钢板、铜导线、厌氧反应池和盐桥组成微生物燃料电池系统；所述密闭修复井、镀PbO2的第一不锈钢板、第二不锈钢板、铜导线、厌氧反应池、盐桥和石墨柱组成电极生物膜系统。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的金属丝为铜丝。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的密闭修复井内有多块通过铜导线并联的镀PbO2的第一不锈钢板，各并联的所述镀PbO2的第一不锈钢板的板间距为1～2m。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的厌氧反应池内有多块通过铜导线并联的第二不锈钢板，各并联的所述第二不锈钢板的板间距为1～2m。
5.一种利用权利要求1～4任一项所述的基于电极生物膜和微生物燃料电池修复地下水的装置同时进行地下水修复和有机污水处理的方法，其特征在于，其包括如下步骤：
(1)向厌氧反应池内接种异养微生物，同时对表面粘附有供微生物生长停留的线状材料的镀PbO2的第一不锈钢板进行挂膜；
(2)向厌氧反应池内通入有机污水，向密闭修复井中通入含有硝酸盐的地下水；
(3)连通导线即可同时进行地下水修复和有机污水处理；
其中，挂膜所用的微生物选自脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)、反硝化硫微螺菌(Thiomicrospira denitrificans)、亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、布兰汉氏菌属(Branhamella catarrhalis)、奈氏球菌属(Gemis oceanospirllum)中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述地下水修复为去除硝酸盐、铁氰化钾、重铬酸钾或高锰酸钾。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述有机污水处理为去除有机污水中的氰化物。
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