CN113479991B - 一种基于微生物电解池阴极去除地下水中砷酸盐的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明“一种基于微生物电解池阴极去除地下水中砷酸盐的系统和方法”涉及饮用水净化技术，所述系统包含阳极室和阴极室的双室电化学体系：其中阳极室(1)以惰性金素的铂片(4)为阳极电极，连接电源正极；其中阴极室(2)以碳纤维刷(3)为阴极电级，连接电源负极；其中碳纤维刷(3)均匀地黏附有富含砷酸盐还原菌和硫酸盐还原菌的混合菌污泥；所述阳极室(1)和所述阴极室(2)之间设置通过质子交换膜(6)隔离连接；所述阴极室(2)的近底部设置设置有入水口(7)用于经其向系统泵入待处理的砷污染饮用水，所述阴极室(2)的近顶部位置有出水口(8)用于排出处理后的水。可以有效地去除地下水中的砷酸盐，去除率高且不用添加化学修复剂，不会产生二次污染。

Description

一种基于微生物电解池阴极去除地下水中砷酸盐的系统和 方法

技术领域

本发明涉及环保技术，特别是一种基于微生物电解池阴极去除地下水砷酸盐的系统和方法。

背景技术

砷(As)是地下水中普遍存在的一种高毒性类金属元素。含As矿物的自然风化和人类活动导致地下水遭受严重的As污染；地下水是最大的饮用水源头，因而饮用水As污染被认为是膳食中无机As的主要来源。砷化合物对人身体的伤害非常大，它对身体各个系统都会造成严重损伤，长期饮用水砷超标的饮用水，可能引起皮肤癌、肺癌、膀胱癌和肝癌等疾病，可能与长期摄入无机砷有关的其他不良健康影响包括发育影响、神经毒性、糖尿病，肺部疾病和心血管疾病等。

砷会随氧化还原条件不同而变换形态，导致现有常用的过滤技术并不能有效去除砷，目前净化砷超标饮用水仍然是很多国家或地区正在面临的难题。

现有报道中，防治As污染的方法有化学沉淀、絮凝、吸附、离子交换以及膜过滤等，这些方法各有不足，需要加入额外的试剂比如化学修复剂或催化剂，不仅仅成本较高，而且向水体中加入的处理试剂可能会产生二次污染影响饮用水水质，因此，亟待开发更多环境友好且能有效去除地下水中As污染的技术。

发明内容

本发明的目的是针对日益严重的地下水砷污染，提供一种基于于微生物电解池阴极有效地去除地下水砷酸盐污染的方法，其简单易行，砷去除效率高，同时无须添加化学修复剂，因此不会产生二次污染，是一种高效环境友好的砷污染处理技术。

本发明提供的技术方案具如下：

一种基于微生物电解池阴极去除地下水中砷酸盐的系统，其特征在于：

包含阳极室和阴极室的双室电化学体系：

其中阳极室(1)以惰性金素的铂片(4)为阳极电极，连接电源正极；其中阴极室(2)以碳纤维刷(3)为阴极电级，连接电源负极；

所述阳极室(1)和所述阴极室(2)之间设置有通孔，通孔上安装有质子交换膜(6)对所述阳极室(1)和所述阴极室(2)进行隔离连接；

所述阴极室(2)的近底部设置有入水口(7)用于经其向系统泵入待处理的砷污染饮用水，所述阴极室(2)的近顶部位置有出水口(8)用于排出处理后的水。

优选地，所述阳极室(1)和所述阴极室(2)还设置有pH计；

所述碳纤维刷的柄端固定在阴极室顶盖上，其余部分悬垂在阴极室内；

所述碳纤维刷采用3k碳纤维制成，碳纤维宽度为1mm左右；碳纤维刷为圆柱形，其直径与所述阴极室的内径比为9～13:16底端与反应器底端距离留有2-5cm的空隙。

优选地，所述碳纤维刷的直径与所述阴极室的内径比为13:16。

优选地，所述通孔的直径与阴极室的直径之比为0.8～1.2:2。

优选地，所述通孔的直径与阴极室的直径之比为1:2。

本发明的另一方面，提供一种基于微生物电解池阴极去除地下水中砷酸盐的方法，其特征在于，采用上述任一系统，

向所述阴极室中(2)加入含有砷酸盐还原菌和硫酸盐还原菌的混合菌污泥；使待处理水经所述入水口(7)泵入至所述系统中，向所述系统提供20-40mA的电流；待完成处理并检测合格后经所述出水口(8)流出；处理过程中：

进水流速使得水力停留时间为10-15小时；

水温保持在15-28℃范围；

阳极室(1)和阴极室中(2)中pH维持在7.2-7.5之间。

优选地，向所述系统提供30mA的电流。

优选地，阳极室(1)和阴极室中(2)中pH采用0.1mol L^-1NaOH或HCl溶液调节维持在7.2-7.5之间。

优选地，所述混合菌污泥取自厌氧生物反应器中的固体悬浮液，所述厌氧生物反应器中最初微生物接种源为含砷矿区的河流底泥或者含砷矿区的河流底泥与污水处理厂底泥的混合物。

优选地，所述固体悬浮液中固体悬浮物含量为0.03-0.06g/g湿重。

近年来，生物电化学体系用于处理富含有机污染物的污水是一种很有前景的污水处理方法。但由于地下水是一种贫有机质含量的介质，因此生物电解池能否用于地下水As污染的处理，是一个值得探讨和研究的问题。

本发明通过提供合适的电流克服地下水因为贫有机质而不能向细菌提供电子的缺陷，在本发明的系统中，细菌通过电流产生的电子进行一系列代谢活动：一方面，细菌通过电子供体来还原水中的三价硫和五价砷，得到负二价硫和三价砷，负二价硫和三价砷反应生成沉淀物，另一方面，发明发现，通电条件下，碳刷上微生物的吸附作用对于去除水体中可溶性砷起到了重要的作用；在电流作用下，阴极碳刷上的细菌对水体中的砷以及反应生成的沉淀物产生了有效的吸附作用，本发明通过研发得出理想的电流大小、碳刷在阴极室内的比例以及质子交换膜的比例，从而使系统对地下水As去除率达到75％以上，通过定期更换阴极碳刷即可有效去除可溶性砷。

实验数据显示，与现有技术相比，本发明配置的系统可以有效去除地下水中砷酸盐含量，对实验室配制的含砷酸盐污染的水溶液As去除达到80-96％；对天然地下水As去除达到75％以上。方法简单易行、去除效率高，不用添加化学修复剂因此不会产生二次污染，是一种高效环境友好的砷污染处理技术。

附图说明

图1是本发明中双室电化学体系实验室研究装置结构示意图；

图2是本发明中双室电化学体系的实际应用装置结构示意图；

图3是本发明中双室电化学体系处理实验室配制的含砷酸盐污染的水体As的去除；

图4是本发明中双室电化学体系对实际地下水As的去除。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1.配置和试运行处理系统

步骤1.获得用于系统的混合菌污泥

取含砷矿区的河流底泥以及市政污水处理厂底泥混合后作为原始接种污泥，以确保其中含有砷酸盐还原菌和硫酸盐还原菌；原始接种污泥加至该区域的污水处理系统的厌氧生物反应器中运行3-6个月，检测含砷酸盐还原菌、硫酸盐还原菌即可。

从厌氧生物反应器中取出混合菌污泥悬浮液，其固体悬浮物含量为0.042g/g湿重；

步骤2:配置包含阳极室和阴极室的双室电化学系统其中阳极室1以惰性金素的铂片4为阳极电极，连接电源正极；

其中阴极室2中安装碳纤维刷3为阴极电级，其中碳纤维刷3的柄端固定在阴极室顶盖上，其余部分悬垂在阴极室内，连接电源负极；

其中碳纤维刷3采用3k碳纤维制成，碳纤维宽度为1mm左右；碳纤维刷为圆柱形，同时设置了碳纤维刷直径与所述阴极室的内径比为9:16，10:16，11:16，12:16以及13:16的平行试验系统；底端与反应器底端距离留有2-5cm的空隙；

所述阳极室1和所述阴极室2之间设置有通孔，通孔上安装质子交换膜6对所述阳极室1和所述阴极室2进行隔离连接；本实施例采用的质子交换膜为杜邦公司的Nafion117；

同时设置了通孔的直径与阴极室的直径之比为0.8:2,0.9:2，1:2，1.1:2以及1.2:2的平行试验；

所述阴极室2的近底部设置设置有入水口7用于经其向系统泵入待处理的砷污染饮用水，所述阴极室2的近顶部位置有出水口8用于排出处理后的水。

还设置有伸入所述所述阳极室1和所述阴极室2的pH计，用于随时监控pH并进行调节。

系统如图1和图2所示。

步骤3.试运行系统

以在实验室配制的含100uM As浓度的砷酸盐缓冲液运行系统检测其除砷能力，

实验室配置的砷酸盐缓冲液【Na₂HAsO₄·7H₂O 100uM,Na₂SO₄ 100mg/L,NaHCO₃1.00gL^-1,NH₄Cl 0.30g L^-1,KCl 0.10g L^-1,MgCl₂·6H₂O 0.13g L^-1,K₂HPO₄·3H₂O 3.79gL^-1,KH₂PO₄ 2.12g L^-1,5mL L^-1矿质元素，2.5mL L^-1维他命溶液】。通过入水口(7)泵入砷酸盐缓冲液，启动电源，以驱动微生物燃料电池，阴极用于激活电活性的砷酸盐还原菌和硫酸盐还原菌，其中阴极为一个连续流的生物反应器。

运行参数为：阴阳两极添加电流为20mA，30mA或40mA；

进水流水保证水力停留时间为10-15h，水温为25℃，双室内pH用0.1mol L^-1NaOH或HCl溶液调节至7.2-7.5；检测阴极出水口处出水中的As含量，当出水As去除稳定后，说明本发明中微生物燃料电池阴极运行处于稳定状态；

以上述实验室配制的砷酸盐缓冲液为进水，连续运行50天。

经检测，在碳纤维刷直径与所述阴极室的内径为1.3:1.6，通孔的直径与阴极室的直径比为1:2，且提供电流为30mA的体系中，电池阴极处理的进水、出水As浓度和As去除效率都如图3所示：进水As经微生物燃料电池阴极处理后，出水As浓度显著降低，无论采用实验室装置还是等比例实际应用装置中，反应器出水As去除率都达到了80-96％；其他平行试验中，也达到75％-90％的As去除率。

实施例2.验证系统对实际地下水的除砷能力

实施例1中步骤3的系统进水更换为采集自杭州市虎跑泉的地下水作为反应器进水；

经检测杭州市虎跑泉的地下水Na2HAsO4·7H2O含量为90-110uM之间。经上述运行稳定的双室电化学体系进行处理，运行30天，运行期间参数如上实施例1步骤3；

在碳纤维刷直径与所述阴极室的内径为1.3:1.6，通孔的直径与阴极室的直径比为1:2，且提供电流为30mA，水力停留12小时的试验中，进水、出水As浓度以及As的去除效率如图4所示，实际地下水经系统处理后，出水As浓度显著降低，无论采用实验室装置还是等实际应用装置中，出水As去除率达到了75％以上；采用无菌蒸馏水对虎跑泉的地下水进行稀释使其Na2HAsO4·7H2O含量降低至40-80uM之间后作为进入运行本发明的系统出水As去除率仍然达到75％以上；其它平行试验中也达到70％的As去除率。

上述试验显示，本发明的微生物燃料电池阴极可以有效地去除地下水中的砷酸盐，去除率高且不用添加化学修复剂，不会产生二次污染。

当系统对As去除率降低时，仅需要更换碳纤维刷即可。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种基于微生物电解池阴极去除地下水中砷酸盐的系统，其特征在于：包含阳极室和阴极室的双室电化学体系：

其中阳极室（1）以惰性金素的铂片（4）为阳极电极，连接电源正极；其中阴极室

（2）以碳纤维刷（3）为阴极电级，连接电源负极；

所述阳极室（1）和所述阴极室（2）之间设置有通孔，通孔上安装有质子交换膜（6）对所述阳极室（1）和所述阴极室（2）进行隔离连接；

所述阴极室（2）的近底部设置有入水口（7）用于经其向系统泵入待处理的砷污染饮用水，所述阴极室（2）的近顶部位置有出水口（8）用于排出处理后的水。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述阳极室（1）和所述阴极室（2）还设置有pH计;

所述碳纤维刷的柄端固定在阴极室顶盖上，其余部分悬垂在阴极室内；

所述碳纤维刷采用3k碳纤维制成，碳纤维宽度为1mm左右；碳纤维刷为圆柱形，其直径与所述阴极室的内径比为9～13:16，碳纤维刷底端与反应器底端距离留有2-5cm的空隙。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述碳纤维刷的直径与所述阴极室的内径比为13:16。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述通孔的直径与阴极室的直径之比为0.8～1.2:2。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述通孔的直径与阴极室的直径之比为1:2。

6.一种基于微生物电解池阴极去除地下水中砷酸盐的方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一所述的系统，

向所述阴极室中（2）加入含有砷酸盐还原菌和硫酸盐还原菌的混合菌污泥；使待处理水经所述入水口（7）泵入至所述系统中，向所述系统提供20-40mA的电流；待完成处理并检测合格后经所述出水口（8）流出；处理过程中

进水流速使得水力停留时间为10-15小时；水温保持在15-28℃范围；

阳极室（1）和阴极室中（2）中pH维持在7.2-7.5之间。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，向所述系统提供30mA的电流。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，阳极室（1）和阴极室中（2）中pH采用

0.1mol L^-1NaOH或HCl溶液调节维持在7.2-7.5之间。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述混合菌污泥取自厌氧生物反应器中的固体悬浮液，所述厌氧生物反应器中最初微生物接种源为含砷矿区的河流底泥或者含砷矿区的河流底泥与污水处理厂底泥的混合物。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述固体悬浮液中固体悬浮物含量为0.03-0.06g/g湿重。

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