[发明专利]一种利用微生物燃料电池处理高氯酸盐的方法

说明书

技术领域

本发明属于地下水污染治理领域，涉及地下水中高氯酸盐污染治理，特别涉及到一种利用微生物燃料电池处理高氯酸盐的方法。

背景技术

高氯酸盐作为一种新型持久性污染化学物质，在其生产、存储、运输、使用或处理不当等均可造成环境污染，并且高氯酸盐易溶于水、不易分解可以随水体流动迅速扩散造成大面积水域的污染。由于高氯酸盐的高溶解性、非挥发性，过滤、沉淀等常规的处理方法并不能将其有效去除。目前，高氯酸盐处理方法主要有：活性炭去除法，离子交换法，化学还原法，膜分离技术，生物处理法以及综合方法。其中利用电化学还原去除高氯酸盐，金属电极表面容易出现腐蚀、钝化和表面污染等现象从而导致去除率下降，这些问题的出现使得电化学还原技术在去除高氯酸盐的应用中受到了限制。利用微生物修复被高氯酸盐污染的水体和土壤时需要厌氧环境，实际应用可能会遇到问题。因此寻求经济高效、无二次污染且易实施的处理高氯酸盐的技术显得十分必要。

微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)是一种利用产电微生物降解废水中有机物同时产生电能的生物电化学反应器。微生物燃料电池反应条件温和，经济高效，可集污染治理和能源再生于一体。目前利用MFC处理难降解的高氯酸盐研究较少，另外纳米零价铁(Fe⁰)作为常用的金属还原剂在处理高氯酸盐方面也显现出一定的作用，利用MFC与Fe⁰的联合作用处理高氯酸盐，能够实现高氯酸根高效的去除。

发明内容

本发明的目的在于克服电化学方法处理高氯酸盐存在金属表面污染，钝化和单纯使用Fe⁰处理高氯酸盐效率低的不足，提供一种利用微生物燃料电池处理高氯酸盐的方法。该方法利用微生物燃料电池产生电能克服Fe⁰将ClO₄^-还原成Cl^-的能量壁垒，是一种经济高效环保的高氯酸根去除技术。

本发明的技术方案为：

一种利用微生物燃料电池处理高氯酸盐的方法，该方法所依托的装置包括微生物燃料电池和外部电路系统；所述外部电路系统包括导线14、可变电阻15、数据采集卡16和电脑17；微生物燃料电池通过导线14与可变电阻15、数据采集卡16和电脑17连接。所述的微生物燃料电池包括反应器壳体1、有机玻璃板2、碳刷阳极3、导电阴极4、质子交换膜5、钛丝6、硅胶垫片7、胶圈8、螺栓9、螺母10、进出水孔11、阳极室12、阴极室13、零价纳米铁颗粒18和碳毡19。反应器壳体1为有机玻璃箱体，壳体上部开有进出水孔，左右两个反应器壳体1通过质子交换膜5、胶圈8连接，构成阳极室12与阴极室13，阳极室12左侧有一块有机玻璃板2，阴极室13右侧有一块有机玻璃板2；碳刷阳极3插在有机玻璃板2中心位置，刷头在左侧的阳极室12中，刷毛上附着厌氧产电微生物，阴极室13内嵌入导电阴极4，阴极上负载Fe⁰颗粒18，导电阴极4可以是碳布、碳毡或不锈钢网材料；钛丝6与导电阴极4相连，插在阴极室13上部。

利用上述微生物燃料电池处理高氯酸盐的方法，该方法主要利用微生物燃料电池和负载Fe⁰颗粒的阴极材料联合作用去除高氯酸盐，包括以下步骤：

第一步，组装标准单室微生物燃料电池，在碳刷上培养生物膜

以碳刷作为阳极，组装标准单室微生物燃料电池，将其与外电路系统连通，外电路负载1000欧姆电阻，接入数据采集系统；在阳极室内充入含有菌源的生活污水和活性污泥混合的污水上清液，进行菌源接种，菌源接种后形成产电微生物并附着在碳刷上，培养碳刷上的产电微生物，碳刷上附着一层产电生物膜；产电微生物稳定的分解有机物产生质子和电子，电子通过外电路传输至阴极，氧气作为电子受体，能够持续分解有机物和产生电能。

第二步，制备负载Fe⁰颗粒的碳毡阴极

1)将碳毡在沸腾的去离子水中处理后，用无水乙醇浸泡，再用去离子水清洗，在室温下自然干燥，密封备用；

2)配置铁悬浮液

将体积比为1：0.4～0.6：0.2～0.3的CMC溶液、Nafion溶液和异丙醇溶液混合为混合液，加入Fe⁰颗粒超声振荡后形成铁悬浮液；所述的Fe⁰的加入量为每1ml混合液加入80～100mgFe⁰颗粒。