專利名稱：透水性電化學微生物反應墻及其使用方法
技術領域：
本發明是一種透水性電化學微生物反應墻，尤其是一種無須添加任何化學藥劑， 即能有效分解有機污染物，以避免污染地下水的透水性電化學微生物反應墻。
背景技術：
所謂的反應墻，是防止污染物隨地下水流布的措施之一，其設置于加油站、煉油廠、甚至部份石化工業廠區，以避免受有機污染物污染的地下水擴散，其使用方式是在污染地下水的下游垂直方向設置此種裝置。傳統的反應墻為一透水式反應墻，其原理在于當污染物流經該透水性反應墻時， 會被該透水性反應墻所阻擋，再藉由物理方式(如沉淀等)、化學方式(如氧化、還原等)或生物性方式(如生物性降解等)除去污染物，以避免污染地下水擴散。然而，以物理方式進行大多有成效不彰的問題，因為污染物的性質不盡相同，所以并非所有污染物皆能利用同樣的物理方式來去除，而且會耗費人力、物力來清除所留下的污染物。若以化學氧化機制降解有機污染物時，會有反應劑消耗殆盡而必須更換的問題。若以生物機制降解，則會有必須供給足量電子接受者的問題，必須耗費大量動力才能足量供應，同時容易造成質傳不均的現象。所以必須時常不斷補充或外加氧化劑(微生物的電子供應者)的問題，因此勢必會導致整治成本的增加。
發明內容
有鑒于既有反應墻皆有其問題存在，因此本發明人幾經研究思考后，發現利用高表面積、高通透性的導電性纖維，架構成一生物反應墻，相關分解微生物由原位(現地)土壤微生物直接附著生長，只要施加適當電壓，就能夠在不需額外加入微生物和傳統氧化劑的情況下，持續性地降解有機污染物，因此發明出此透水性電化學微生物反應墻。本發明的目的在于提供一種無須添加任何化學藥劑，即能有效分解有機污染物， 以避免污染地下水的透水性電化學微生物反應墻。為達上述目的，本發明的透水性電化學微生物反應墻包括至少一導電性纖維層 (即生物陽極)及至少一陰極。導電性纖維層是被施加適當電壓，且陰極設置于導電性纖維層的鄰邊。其中，陰極作為整體電荷平衡使用。較佳的是，導電性纖維層由導電性碳纖維、金屬纖維或其組合所組成。更佳的是，導電性碳纖維是導電性活性碳纖維。本發明又關于一種透水性電化學微生物反應墻的使用方法，包括以下步驟提供一透水性電化學微生物反應墻，其包括至少一導電性纖維層及至少一陰極；以及施加適當電壓于透水性電化學微生物反應墻。其中陰極作為整體電荷平衡使用。較佳的是，導電性纖維層由導電性碳纖維、金屬纖維或其組合所組成。更佳的是，導電性碳纖維是導電性活性碳纖維。本發明利用原位土壤微生物的自然附著于該透水式電化學微生物反應墻上生長，而于實際操作時，僅需施加一適當電壓于導電性纖維上，作為微生物的電子接受者，無須再添加任何化學氧化劑，就能順利分解有機污染物，因此不僅可減少整治成本的支出，且可獲得極佳的地下水的污染防治效果。
圖1是本發明較佳實施例的透水式電化學微生物反應墻的示意圖；圖2是圖1所示的透水式電化學微生物反應墻實施狀態的俯視示意圖；圖3是圖2所示的實施狀態的部分放大示意圖；以及圖4是顯示實施例中苯濃度與生物電流的數據關系圖。主要組件符號說明10:導電性活性碳纖維層20:陰極30:微生物A 地下水的流向a d:箭頭B 有機污染物分解的化學反應方向實施方式請參看圖1所示，本發明的一透水性電化學微生物反應墻包括至少一導電性纖維層及至少一陰極。導電性纖維層被施加適當電壓。導電性纖維層的材料只要具有導電性者即可，并無特別限制，且較佳是由導電性碳纖維、金屬纖維或其組合所組成的。于本實施例中，導電性碳纖維為導電性活性碳纖維，而導電性纖維層例如為導電性活性碳纖維層10， 透水性電化學微生物反應墻具有一層導電性活性碳纖維層10與陰極20。其中，導電性活性碳纖維層10的厚度較佳約15公分以內。陰極20材料可為其它金屬材質的棒狀物或網狀物，其設置于導電性活性碳纖維層10的鄰邊，導電性活性碳纖維層10(即陽極)與陰極 20的安置距離為一適當距離，較佳為不大于20公尺，最佳為不大于1公尺，兩極不可直接接觸，以免造成短路現象。例如當導電性活性碳纖維層10與陰極20安置于海邊時，由于海水導電性佳，故兩者間的安置距離可遠至20公尺。本發明的導電性活性碳纖維層10直立安置在污染地下水流經的下游區域(圖式中的A顯示地下水的流向)，且于其鄰近側邊設置有陰極20，相關的污染物分解菌由原位微生物直接附著于導電性活性碳纖維層10的表面生長，無須外加氧化劑，僅需施加一適當電壓，較佳為-10至10伏特的電壓(參考電極為Ag/AgCl)，最佳為-0. 5至0. 5伏特的電壓 (參考電極為Ag/AgCl)即能導出污染物分解菌生化反應所產生的電子，就能維持此反應墻正常運作。舉例而言，若施以超過不適當的電壓，則會過份擷取微生物內部電子，造成微生物死亡或相關污染物代謝分解速率的減緩。再附加參看圖2及圖3所示，由于電極上污染物分解菌為土壤中既存的微生物30。 在施加適當電壓于電極的情況下，陽極持續接受微生物30分解有機物過程中的電子，經由外部電路傳遞至陰極20，爾后在陰極20表面進行還原反應(如產生H2等)，平衡整體電荷，使污染地下水中的有機污染物進入導電性活性碳纖維層10后(B示意有機污染物分解的化學反應方向)，在不需額外添加氧化物情況下，順利被微生物30分解而產生二氧化碳(CO2)。 實施例本發明提供以下實施例，以令于所屬技術領域中具有通常知識者能夠更了解本發明，并能據以實施本發明，但并非用以限制本發明的范圍，只要在本發明的原理下所做的任何修飾，皆仍屬于本發明的范疇。實施例一原位(現地)微生物的分解功效測試(以電極為電子接受者)本實施例以苯為標的有機污染物(濃度約為350ppm)，污染土壤的復合微生物為植種菌源，在反應瓶中，進行降解及生物電流產生測試，施加電壓為0. 2V vs. Ag/AgCl后，實驗過程中，能夠觀察到導電性活性碳纖維表面逐漸包覆生物膜。苯的存在與生物電流的相關性如圖4所示。實驗初期加入140ppm的苯后(圖4 箭頭a所示)，并無瞬間電流產生(顯示苯并非直接被電極氧化)，而后電流逐漸上升，最高值到達100 μ Α,最后在第300小時后降為0 μ Α,爾后再加入苯后(箭頭b、c、d(濃度各約 350ppm))，可以看到明顯電流反應現象，而且電流產生的時間越來越快，整體實驗結束后， 取電極上的生物膜進行微生物驗證，經分子生物學相關檢測實驗顯示若干產電微生物已被大量培養。各種證據顯示，苯并非直接被電極氧化，而是透過微生物氧化產生電流。同時根據上述實驗，本發明的反應墻內微生物預計可以適應約350ppm的苯濃度突增狀況，顯示本發明在應用上的彈性。實施例二 透水性電化學微生物反應墻的模擬土壤管柱驗證實驗實施例二是于實驗室中以土壤管柱進行透水性電化學微生物反應墻的模擬試驗， 本實施例中的土壤管柱長45公分，內徑3公分，其包括一層導電性活性碳纖維層(厚度 15公分)以及一鉬(Pt)陰極，其設置于該導電性活性碳纖維層的鄰側距離5公分處，實驗過程以連續流方式進行，水力停留時間2天以內。進流溶液中含有模擬污染物質為苯 (benzene)、甲苯(toluene)、乙苯(ethylbenzene)、對二甲苯(xylene)(簡稱 BTEX)，測試濃度分別為19524、15383、14981、7257ppb左右，取其進流與出流檢測其BTEX殘留量，結果顯示BTEX皆有99%以上的去除效率，顯示本反應墻的優越性。藉由以上兩個實施例，可知本發明的微生物反應墻的優越效果，因此只要在受有機物污染的地下水下游位置設置本發明的反應墻，在施加適當電壓的情況下(例如小于 IOV vs. Ag/AgCl)，利用原位土壤微生物的自然附著生長，即可轉變成為一透水式電化學微生物反應墻。因此，本發明在操作時僅需施加適當電壓于導電性活性碳纖維層，無須再添加任何化學藥劑，就能順利分解有機污染物。
權利要求
1.一種透水性電化學微生物反應墻，包括 至少一導電性纖維層，且施加適當電壓；以及至少一陰極，設置于所述導電性纖維層的鄰邊。
2.如權利要求1所述的透水性電化學微生物反應墻，其中所述導電性纖維層由導電性碳纖維、金屬纖維或其組合所組成。
3.如權利要求2所述的透水性電化學微生物反應墻，其中所述導電性碳纖維是導電性活性碳纖維。
4.一種透水性電化學微生物反應墻的使用方法，包括以下步驟提供一透水性電化學微生物反應墻，其包括至少一導電性纖維層及至少一陰極，且所述陰極設置于所述導電性纖維層的鄰邊；以及施加適當電壓于所述透水性電化學微生物反應墻。
5.如權利要求4所述的透水性電化學微生物反應墻的使用方法，其中所述導電性纖維層由導電性碳纖維、金屬纖維或其組合所組成。
6.如權利要求5所述的透水性電化學微生物反應墻的使用方法，其中所述導電性碳纖維是導電性活性碳纖維。
全文摘要
本發明的透水性電化學微生物反應墻，其包括至少一導電性纖維層及至少一陰極。導電性纖維層是被施加適當電壓。傳統化學型或生物型透水式反應墻皆有耗盡必須更換或外加氧化劑(微生物的電子接受者)必須不斷補充的問題。本發明采用高表面積導電性纖維層為菌體外電子接受者，有效解決傳統方法氧化劑必須不斷補充更換的問題。本發明為一透水式電化學微生物反應墻，相關污染物分解菌由原位微生物直接附著于纖維表面生長，不需外加外來氧化劑，僅需施加適當電壓導出微生物生化反應所產生的電子，就可維持此反應墻正常運作。
文檔編號C02F3/34GK102267763SQ201010260498
公開日2011年12月7日 申請日期2010年8月20日 優先權日2010年6月4日
發明者洪旭文, 潘柏岑, 王永福, 鄭幸雄, 陳威吉 申請人:國立成功大學