專利名稱：一種原位修復受污染地下水的微生物燃料電池堆裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于受污染地下水處理技術領域，具體涉及原位修復受污染地下水的微生物燃料電池堆裝置。
背景技術：
自20世紀80年代起，地下水的污染就已成為一個被引起十分關注的問題。在地下水污染的防治技術中，地下水污染原位修復技術是比較實用、比較有效的ー種，它是指在基本不破壞土體和地下水自然環境條件下，對受污染的對象不做搬運或運輸，在原場所里通過各種工程技術使污染物地下水中去除的方法。據《エ業用水與廢水》(2008年8月第39卷第I期1_6頁)“廢水處理新理念——微生物燃料電池技術進展” 一文中介紹，微生物燃料電池技術正成為新概念廢水處理技術 之一。它的工作原理是將廢水中的有機物作為底物(營養物質或碳源)在厭氧或兼氧的陽極室中被微生物氧化，產生的電子被微生物捕獲并傳遞給陽極，電子通過外電路到達陰極，從而形成回路產生電流，而質子通過質子交換膜或電解液到達陰極，與陰極室中的電子受體反應，廢水中的有機物得到了降解，有機物質能被轉換成了電能，從而可將微生物燃料電池技術應用于地下水的原位修復中。微生物燃料電池主要組成部分一般包括含陽極的陽極室、含陰極的陰極室，連接陽極室與陰極室的中間室(陰陽兩極室之間的間隔空間，通常以質子交換膜或以瓷隔膜等材料相隔)。然而由于單體的微生物燃料電池處理廢水的產電量非常小，效果不明顯，所以有研究人員嘗試采用多個獨立的燃料電池單體串聯或并聯起來，以提高廢水處理效果和產電量。如期刊《環境科學技術》外文版(2006,40:3388-3394)的“采用堆疊的微生物燃料電池能產生高的電壓和電流” 一文中，采用6個MFC単體串聯連接堆疊而成的微生物燃料電池，以鐵酸鹽作為陰極電子受體，該系統由12個相同的塑膠架組成，每個MFC単體的陽極和陰極之間都有一個堅固的質子交換膜，陰極和陽極都采用的是石墨顆粒電極，并由石墨棒連成外電路，該微生物燃料電池能產生258W/m3的電壓。但是由于該系統的6個電池單體中陽極室的燃料或陰極室中的電子受體都采用分別進料，分別出料，陽極室與陰極室的連接均采用質子交換膜，這種結構方式的微生物燃料電池在實際應用于受污染的地下水原位修復中不具備操作可行性。
發明內容
本發明提供ー種原位修復受污染地下水的微生物燃料電池堆裝置，以克服現有單體微生物燃料電池堆難于對地下水中污染物有效進行原位連續修復的問題。本發明原位修復受污染地下水的微生物燃料電池堆裝置，其特征在于采取微生物燃料電池堆的單個陽極室與多個陰極室按如下方式配置連接組成置有陽極的陽極室內裝有陽極液和馴化成熟的混養產電微生物菌群，設置于地面，陽極室蓋上設有固定導線ロ、鹽橋口和陽極液注入ロ ；陰極置于陰極室內，陰極室室壁開有供受污染的地下水流經通過的小孔，陰極室蓋上設有固定導線口和鹽橋ロ ；采用多個陰極室沿著受污染地下水的遷移途徑依次均勻分布；以裝有含KCl和瓊脂的有多個支管的塑料軟管作為鹽橋，將鹽橋的一段端ロ經陽極室蓋上的鹽橋ロ伸入至陽極室內陽極液的液面以下，鹽橋的另外各支管的端ロ分別經各陰極室蓋上的鹽橋ロ伸入至各陰極室內的液面以下；作為用電器的負載電阻的兩端分別通過導線將其一端經陽極室蓋上的固定導線ロ連接到陽極室中的陽極，負載電阻的另外一端同時與分別經各陰極室蓋上的固定導線ロ連接至陰極室中的陰極的導線相連接；采用硅膠膜墊將陽極室和陰極室分別密封；所述陽極和陰極的材料選用碳布或碳氈或碳刷；所述陽極液含有提供碳源的こ酸鈉和/或葡萄糖，陽極液的化學需氧量(C0D&)在400mg/l以上；通過設置在陽極室蓋上的陽極液注入ロ向陽極室內補充或更換陽極液；所述受污染的地下水為含有能接受電子的氧化性物質硝酸鹽和/或重金屬Cr6+ ；當受污染的地下水通過陰極室室壁上開的小孔依次從多個陰極室中流經的同吋，地下水中的污染物不斷得到從陽極室中微生物菌群所產生的電子經過外電路傳遞過來進行反應而降價，與此同時負載電阻獲得電流； 所述多個陰極室的個數可視最后一個達到排放標準要求的效果來確定。由于本發明的微生物燃料電池堆采取由單個陽極室與多個陰極室組成，陽極室和陰極室通過鹽橋連接，受污染的地下水依次從多個陰極室的一端流入，經過多個陰極室逐級處理至最后ー個達標排放，從而可較好地實現受污染地下水的連續原位修復；所述多個陰極室的個數可視最后一個達到排放標準要求的效果來確定。由于本發明采取以一個陽極室與多個陰極室相匹配而不是以多個陽極室與多個陰極室一一對應，從而可以節省陽極室的材料和費用。本發明拓展了微生物燃料電池在地下水污染處理中的放大和工程化應用，適合エ業化推廣應用。
圖I為本發明實施例I由單個陽極室與5個陰極室配置連接組成的原位修復受污染地下水的微生物燃料電池堆裝置的結構原理示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖以具體實施例來進ー步詳細說明本發明。實施例I :本實施例中采用的ー種原位修復受污染地下水的微生物燃料電池堆裝置，由單個陽極室10與5個陰極室2配置連接組成，其配置連接方式和結構原理如附圖I中所示作為設置在地面上的陽極室10，采用凈體積為30cmX 15cmX20cm=9000cm3=9L的有機玻璃容器，陽極密封蓋上開有固定導線的陽極導線ロ、鹽橋口和碳源注入ロ 8，陽極9置于陽極室10內，本實施例中陽極9采用的材料為176cm2的碳布，在該碳布上附著有馴化成熟的混養產電微生物菌群，陽極室內裝有陽極液，為由2. 42g/l的こ酸鈉溶液來提供碳源、陽極液的化學需氧量(C0D&)為1000mg/l、6. 571g/l的磷酸ニ氫鉀和2. 883g/l的磷酸氫ニ鉀緩沖溶液；為了保證陽極液能夠提供足夠的電子，實驗過程中可每隔5天通過設置在陽極室蓋上的陽極液注入ロ補充或更換一次陽極液，可通過設置在陽極室蓋上的陽極液注入ロ向陽極室內補充或更換陽極液；
在反應池3內的砂槽中沿著受污染地下水的遷移途徑依次均勻分布地放置排列5個作為陰極室2的塑料瓶，且將塑料瓶浸沒在廢水液面以下，每個塑料瓶陰極室2內置有陰極1，構成5個陰極室2 (每個陰極室的凈體積為O. 5L)，每個塑料瓶蓋上設有固定導線的陰極導線口和鹽橋ロ，運行時用硅膠膜墊密封，每個塑料瓶壁均開有有供受污染的地下水流經通過的小孔，受污染的地下水經過小孔從中流經而使得多個陰極室相互連通；本實施例中陰極I的材質為碳布，面積均為12cmX 10cm=120cm2,陰極液為含硝酸鹽濃度為98. 58mg/I的模擬廢水，其中的硝酸鹽在厭氧或兼氧的環境中可以作為電子受體，接受電子被還原，同時為了保證陰極模擬廢水的pH恒定且接近地下水的pH值，還添加了磷酸ニ氫鉀和磷酸氫ニ鉀，形成濃度為6. 571g/l的磷酸ニ氫鉀和2. 883g/l的磷酸氫ニ鉀緩沖溶液；連接陽極室10與5個陰極室2的除主管外具有5個支管的鹽橋6采用管徑為 I.5cm長55cm的塑料軟管制成，塑料軟管里面裝滿含O. 3g/ml的KCl和O. 02g/ml的瓊脂的混合物；將鹽橋6的一段主管端ロ經陽極室蓋上的鹽橋ロ伸入至陽極室10內陽極液的液面以下，鹽橋6的設有5個支管的另外一段各支管的端ロ分別經各陰極室蓋上的鹽橋ロ伸入至各陰極室2內的液面以下；將5個陰極I之間采用銅導線5連接起來后再連接至作為用電器負載的1000 Ω電阻R7的一端，負載電阻R7的另一端與陽極9連接，構成回路。采用硅膠膜墊將陽極室10和各陰極室2分別密封。當受污染的地下水通過陰極室2室壁上開的小孔依次從各個陰極室中流經的同時，陰極室中受污染物從陰極上得到來自陽極室中產電微生物代謝陽極液中的碳源釋放出的電子，進行反應而降價，由于電子不斷經過外電路傳遞，使得負載電阻獲得電流。本實施例中使含有模擬污染物硝酸鹽濃度為98. 58mg/l的模擬廢水由進水ロ 4流入裝滿沙子的體積為IOL的地下反應池3內，并從出水ロ 11流出，保持廢水流速為8. 85ml/min ;經過5天的連續運行，現場采集進、出水ロ的水樣，采用常規的生化方法實驗室測試分析水中的NO3-N,出水中硝酸鹽的濃度幾乎為O。與在相同的條件下由單個陽極室和單個陰極室配對的微生物燃料電池相對比，采用本實施例原位修復受污染地下水的微生物燃料電池堆裝置，硝酸鹽的降解率提高了 3倍。實施例2 本實施例中采取的原位修復受污染地下水的微生物燃料電池堆裝置，由單個陽極室與2個陰極室配置連接組成。陽極室為凈體積為15cmX 15cmX 15cm=3. 375L的有機玻璃容器，密封，密封蓋上開有固定導線的陽極導線ロ、鹽橋口和陽極液注入ロ，運行時需用硅膠膜墊密封；陽極置于陽極室內，陽極材料為176cm2的碳布，碳布上附著有馴化成熟的混養產電微生物菌群，陽極室內裝有的陽極液，為由2. 42g/l的こ酸鈉溶液來提供碳源、COD濃度為1000mg/l、6. 571g/l的磷酸ニ氫鉀和2. 883g/l的磷酸氫ニ鉀緩沖溶液；為了保證陽極溶液能夠提供足夠的電子，實驗過程中每隔5天更換一次陽極溶液；可通過設置在陽極室蓋上的陽極液注入ロ向陽極室內補充或更換陽極液；在反應池3內均勻分布地放置排列2個塑料瓶在砂槽中且沒在廢水液面以下，每個塑料瓶內置有陰極，構成5個陰極室(每個陰極室的凈體積為O. 5L)，每個塑料瓶蓋上設有固定導線的陰極導線口和鹽橋ロ，運行時用硅膠膜墊密封，每個塑料瓶壁上均開有有供受Cr6+污染的地下水流經通過的小孔，受Cr6+污染的地下水經過小孔從中流經而使得多個陰極室相互連通；本實施例中陰極的材質為碳布，面積均為12cmX 10cm=120cm2,陰極液為含Cr6+的模擬廢水，其中的Cr6+在厭氧或兼氧的環境中可以作為電子受體，接受電子被還原，同時為了 保證陰極模擬廢水的PH恒定且接近地下水的pH值，還添加了磷酸ニ氫鉀和磷酸氫ニ鉀，形成濃度為6. 571g/l的磷酸ニ氫鉀和2. 883g/l的磷酸氫ニ鉀緩沖溶液；連接陽極室10和2個陰極室的2根鹽橋6都是用同樣規格的塑料軟管制成，管徑為I. 5cm，長度55cm，里面裝滿O. 02g/ml的瓊脂和O. 3g/ml的KCl ;將鹽橋的一段端ロ伸入至陽極室內陽極液的液面以下，鹽橋的另外一段上設有多個端ロ分別伸入至各陰極室內的液面以下；將2個陰極之間采用銅導線連接起來后再連接至作為用電器負載的1000 Ω電阻的一端，負載電阻的另一端與陽極連接，構成回路。采用硅膠膜墊將陽極室和陰極室分別密封。當受污染的地下水通過陰極室室壁上開的小孔依次從多個陰極室中流經的同吋，陰極室中受污染物得到在陽極室中產電微生物代謝碳源釋放出的電子，由于電子不斷經過外電路傳遞，使得負載電阻獲得電流。本實施例中使含有模擬污染物Cr6+濃度為100mg/l的模擬廢水由進水口流入裝滿沙子的體積為15cmX 15cmX 15cm=3. 375L的地下反應池3內，并從出水ロ流出，保持廢水流速為8. 85ml/min ;經過36h的連續運行，現場采集進、出水ロ的水樣，實驗室測試采用常規的生化方法分析水中的Cr6+，出水中Cr6+濃度幾乎為0，與在相同的條件下由單個陽極室和單個陰極室配對的微生物燃料電池相對比，采用本實施例原位修復受污染地下水的微生物燃料電池堆裝置，Cr6+降解率提高了 I. 5倍。由于本發明的微生物燃料電池堆采取由單個陽極室與多個陰極室組成，陽極室和陰極室通過鹽橋連接，其中所述陽極和陰極的材料可選用碳布或碳氈或碳刷；所述陽極液可采用其中含有提供碳源的こ酸鈉和/或葡萄糖、COD在400mg/l以上，并在陽極上或陽極液中含有能產電的混合菌種群。受污染的地下水依次從多個陰極室的一端流入，經過多個陰極室逐級處理至最后ー個達標排放，從而可較好地實現受污染地下水的連續原位修復；所述多個陰極室的個數可視最后一個達到排放標準要求的效果來確定。由于本發明采取以一個陽極室與多個陰極室相匹配而不是以多個陽極室與多個陰極室一一對應，從而可以節省陽極室的材料和費用。本發明拓展了微生物燃料電池在地下水污染處理中的放大和工程化應用，適合エ業化推廣應用。
權利要求
1.ー種原位修復受污染地下水的微生物燃料電池堆裝置，其特征在于采取微生物燃料電池堆的單個陽極室與多個陰極室按如下方式配置連接組成 置有陽極的陽極室內裝有陽極液和馴化成熟的混養產電微生物菌群，設置于地面，陽極室蓋上設有固定導線ロ、鹽橋口和陽極液注入ロ ；陰極置于陰極室內，陰極室室壁開有供受污染的地下水流經通過的小孔，陰極室蓋上設有固定導線口和鹽橋ロ ；采用多個陰極室沿著受污染地下水的遷移途徑依次均勻分布；以裝有含KCl和瓊脂的有多個支管的塑料軟管作為鹽橋，將鹽橋的一段端ロ經陽極室蓋上的鹽橋ロ伸入至陽極室內陽極液的液面以下，鹽橋的另外各支管的端ロ分別經各陰極室蓋上的鹽橋ロ伸入至各陰極室內的液面以下；作為用電器的負載電阻的兩端分別通過導線將其一端經陽極室蓋上的固定導線ロ連接到陽極室中的陽極，負載電阻的另外一端同時與分別經各陰極室蓋上的固定導線ロ連接至陰極室中的陰極的導線相連接；采用硅膠膜墊將陽極室和陰極室分別密封； 所述陽極和陰極的材料選用碳布或碳氈或碳刷； 所述陽極液含有提供碳源的こ酸鈉和/或葡萄糖，陽極液的化學需氧量在400mg/l以上；通過設置在陽極室蓋上的陽極液注入ロ向陽極室內補充或更換陽極液； 所述受污染的地下水為含有能接受電子的氧化性物質硝酸鹽和/或重金屬Cr6+ ；所述多個陰極室的個數視最后ー個達到排放標準要求的效果來確定。
全文摘要
本發明公開了一種原位修復受污染地下水的微生物燃料電池堆裝置，特征是由單個陽極室與多個陰極室組成設置于地面的陽極室內有陽極液和馴化成熟的混養產電微生物菌群；陰極室室壁開有小孔；多個陰極室沿受污染地下水遷移途徑分布；以裝有含KCl和瓊脂的塑料軟管為鹽橋，其一端伸入至陽極液面以下，其它各端口分別伸入各陰極室液面以下；負載電阻一端連到陽極，另一端同時連接至各陰極陰極；當水依次從多個陰極室中流經的同時，其中污染物得到從陽極室中微生物菌群產生經外電路傳遞過來的電子反應而降價，同時負載電阻獲得電流。本發明克服了現有單體微生物燃料電池不利于地下水中污染物連續修復的問題，可節省材料費用，適合工業化推廣應用。
文檔編號H01M8/02GK102723515SQ201210209298
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月25日 優先權日2012年6月25日
發明者汪家權, 程建萍, 胡淑恒, 陳少華 申請人:合肥工業大學