專利名稱：透水性電化學(xué)微生物反應(yīng)墻及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種透水性電化學(xué)微生物反應(yīng)墻，尤其是一種無須添加任何化學(xué)藥劑， 即能有效分解有機(jī)污染物，以避免污染地下水的透水性電化學(xué)微生物反應(yīng)墻。
背景技術(shù)：
所謂的反應(yīng)墻，是防止污染物隨地下水流布的措施之一，其設(shè)置于加油站、煉油廠、甚至部份石化工業(yè)廠區(qū)，以避免受有機(jī)污染物污染的地下水?dāng)U散，其使用方式是在污染地下水的下游垂直方向設(shè)置此種裝置。傳統(tǒng)的反應(yīng)墻為一透水式反應(yīng)墻，其原理在于當(dāng)污染物流經(jīng)該透水性反應(yīng)墻時(shí)， 會被該透水性反應(yīng)墻所阻擋，再藉由物理方式(如沉淀等)、化學(xué)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?dāng)U散。然而，以物理方式進(jìn)行大多有成效不彰的問題，因?yàn)槲廴疚锏男再|(zhì)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(fèi)人力、物力來清除所留下的污染物。若以化學(xué)氧化機(jī)制降解有機(jī)污染物時(shí)，會有反應(yīng)劑消耗殆盡而必須更換的問題。若以生物機(jī)制降解，則會有必須供給足量電子接受者的問題，必須耗費(fèi)大量動(dòng)力才能足量供應(yīng)，同時(shí)容易造成質(zhì)傳不均的現(xiàn)象。所以必須時(shí)常不斷補(bǔ)充或外加氧化劑(微生物的電子供應(yīng)者)的問題，因此勢必會導(dǎo)致整治成本的增加。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于既有反應(yīng)墻皆有其問題存在，因此本發(fā)明人幾經(jīng)研究思考后，發(fā)現(xiàn)利用高表面積、高通透性的導(dǎo)電性纖維，架構(gòu)成一生物反應(yīng)墻，相關(guān)分解微生物由原位(現(xiàn)地)土壤微生物直接附著生長，只要施加適當(dāng)電壓，就能夠在不需額外加入微生物和傳統(tǒng)氧化劑的情況下，持續(xù)性地降解有機(jī)污染物，因此發(fā)明出此透水性電化學(xué)微生物反應(yīng)墻。本發(fā)明的目的在于提供一種無須添加任何化學(xué)藥劑，即能有效分解有機(jī)污染物， 以避免污染地下水的透水性電化學(xué)微生物反應(yīng)墻。為達(dá)上述目的，本發(fā)明的透水性電化學(xué)微生物反應(yīng)墻包括至少一導(dǎo)電性纖維層 (即生物陽極)及至少一陰極。導(dǎo)電性纖維層是被施加適當(dāng)電壓，且陰極設(shè)置于導(dǎo)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(dǎo)電性纖維層由導(dǎo)電性碳纖維、金屬纖維或其組合所組成。更佳的是，導(dǎo)電性碳纖維是導(dǎo)電性活性碳纖維。本發(fā)明又關(guān)于一種透水性電化學(xué)微生物反應(yīng)墻的使用方法，包括以下步驟提供一透水性電化學(xué)微生物反應(yīng)墻，其包括至少一導(dǎo)電性纖維層及至少一陰極；以及施加適當(dāng)電壓于透水性電化學(xué)微生物反應(yīng)墻。其中陰極作為整體電荷平衡使用。較佳的是，導(dǎo)電性纖維層由導(dǎo)電性碳纖維、金屬纖維或其組合所組成。更佳的是，導(dǎo)電性碳纖維是導(dǎo)電性活性碳纖維。本發(fā)明利用原位土壤微生物的自然附著于該透水式電化學(xué)微生物反應(yīng)墻上生長，而于實(shí)際操作時(shí)，僅需施加一適當(dāng)電壓于導(dǎo)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(xué)氧化劑，就能順利分解有機(jī)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(fā)明較佳實(shí)施例的透水式電化學(xué)微生物反應(yīng)墻的示意圖；圖2是圖1所示的透水式電化學(xué)微生物反應(yīng)墻實(shí)施狀態(tài)的俯視示意圖；圖3是圖2所示的實(shí)施狀態(tài)的部分放大示意圖；以及圖4是顯示實(shí)施例中苯濃度與生物電流的數(shù)據(jù)關(guān)系圖。主要組件符號說明10:導(dǎo)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(jī)污染物分解的化學(xué)反應(yīng)方向?qū)嵤┓绞秸垍⒖磮D1所示，本發(fā)明的一透水性電化學(xué)微生物反應(yīng)墻包括至少一導(dǎo)電性纖維層及至少一陰極。導(dǎo)電性纖維層被施加適當(dāng)電壓。導(dǎo)電性纖維層的材料只要具有導(dǎo)電性者即可，并無特別限制，且較佳是由導(dǎo)電性碳纖維、金屬纖維或其組合所組成的。于本實(shí)施例中，導(dǎo)電性碳纖維為導(dǎo)電性活性碳纖維，而導(dǎo)電性纖維層例如為導(dǎo)電性活性碳纖維層10， 透水性電化學(xué)微生物反應(yīng)墻具有一層導(dǎo)電性活性碳纖維層10與陰極20。其中，導(dǎo)電性活性碳纖維層10的厚度較佳約15公分以內(nèi)。陰極20材料可為其它金屬材質(zhì)的棒狀物或網(wǎng)狀物，其設(shè)置于導(dǎo)電性活性碳纖維層10的鄰邊，導(dǎo)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(dāng)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(xiàn)象。例如當(dāng)導(dǎo)電性活性碳纖維層10與陰極20安置于海邊時(shí)，由于海水導(dǎo)電性佳，故兩者間的安置距離可遠(yuǎn)至20公尺。本發(fā)明的導(dǎo)電性活性碳纖維層10直立安置在污染地下水流經(jīng)的下游區(qū)域(圖式中的A顯示地下水的流向)，且于其鄰近側(cè)邊設(shè)置有陰極20，相關(guān)的污染物分解菌由原位微生物直接附著于導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)出污染物分解菌生化反應(yīng)所產(chǎn)生的電子，就能維持此反應(yīng)墻正常運(yùn)作。舉例而言，若施以超過不適當(dāng)?shù)碾妷?，則會過份擷取微生物內(nèi)部電子，造成微生物死亡或相關(guān)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(dāng)電壓于電極的情況下，陽極持續(xù)接受微生物30分解有機(jī)物過程中的電子，經(jīng)由外部電路傳遞至陰極20，爾后在陰極20表面進(jìn)行還原反應(yīng)(如產(chǎn)生H2等)，平衡整體電荷，使污染地下水中的有機(jī)污染物進(jìn)入導(dǎo)電性活性碳纖維層10后(B示意有機(jī)污染物分解的化學(xué)反應(yīng)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(chǎn)生二氧化碳(CO2)。 實(shí)施例本發(fā)明提供以下實(shí)施例，以令于所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者能夠更了解本發(fā)明，并能據(jù)以實(shí)施本發(fā)明，但并非用以限制本發(fā)明的范圍，只要在本發(fā)明的原理下所做的任何修飾，皆仍屬于本發(fā)明的范疇。實(shí)施例一原位(現(xiàn)地)微生物的分解功效測試(以電極為電子接受者)本實(shí)施例以苯為標(biāo)的有機(jī)污染物(濃度約為350ppm)，污染土壤的復(fù)合微生物為植種菌源，在反應(yīng)瓶中，進(jìn)行降解及生物電流產(chǎn)生測試，施加電壓為0. 2V vs. Ag/AgCl后，實(shí)驗(yàn)過程中，能夠觀察到導(dǎo)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(guān)性如圖4所示。實(shí)驗(yàn)初期加入140ppm的苯后(圖4 箭頭a所示)，并無瞬間電流產(chǎn)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(dá)100 μ Α,最后在第300小時(shí)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(yīng)現(xiàn)象，而且電流產(chǎn)生的時(shí)間越來越快，整體實(shí)驗(yàn)結(jié)束后， 取電極上的生物膜進(jìn)行微生物驗(yàn)證，經(jīng)分子生物學(xué)相關(guān)檢測實(shí)驗(yàn)顯示若干產(chǎn)電微生物已被大量培養(yǎng)。各種證據(jù)顯示，苯并非直接被電極氧化，而是透過微生物氧化產(chǎn)生電流。同時(shí)根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，本發(fā)明的反應(yīng)墻內(nèi)微生物預(yù)計(jì)可以適應(yīng)約350ppm的苯濃度突增狀況，顯示本發(fā)明在應(yīng)用上的彈性。實(shí)施例二 透水性電化學(xué)微生物反應(yīng)墻的模擬土壤管柱驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)實(shí)施例二是于實(shí)驗(yàn)室中以土壤管柱進(jìn)行透水性電化學(xué)微生物反應(yīng)墻的模擬試驗(yàn)， 本實(shí)施例中的土壤管柱長45公分，內(nèi)徑3公分，其包括一層導(dǎo)電性活性碳纖維層(厚度 15公分)以及一鉬(Pt)陰極，其設(shè)置于該導(dǎo)電性活性碳纖維層的鄰側(cè)距離5公分處，實(shí)驗(yàn)過程以連續(xù)流方式進(jìn)行，水力停留時(shí)間2天以內(nèi)。進(jìn)流溶液中含有模擬污染物質(zhì)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(jìn)流與出流檢測其BTEX殘留量，結(jié)果顯示BTEX皆有99%以上的去除效率，顯示本反應(yīng)墻的優(yōu)越性。藉由以上兩個(gè)實(shí)施例，可知本發(fā)明的微生物反應(yīng)墻的優(yōu)越效果，因此只要在受有機(jī)物污染的地下水下游位置設(shè)置本發(fā)明的反應(yīng)墻，在施加適當(dāng)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(zhuǎn)變成為一透水式電化學(xué)微生物反應(yīng)墻。因此，本發(fā)明在操作時(shí)僅需施加適當(dāng)電壓于導(dǎo)電性活性碳纖維層，無須再添加任何化學(xué)藥劑，就能順利分解有機(jī)污染物。
權(quán)利要求
1.一種透水性電化學(xué)微生物反應(yīng)墻，包括 至少一導(dǎo)電性纖維層，且施加適當(dāng)電壓；以及至少一陰極，設(shè)置于所述導(dǎo)電性纖維層的鄰邊。
2.如權(quán)利要求1所述的透水性電化學(xué)微生物反應(yīng)墻，其中所述導(dǎo)電性纖維層由導(dǎo)電性碳纖維、金屬纖維或其組合所組成。
3.如權(quán)利要求2所述的透水性電化學(xué)微生物反應(yīng)墻，其中所述導(dǎo)電性碳纖維是導(dǎo)電性活性碳纖維。
4.一種透水性電化學(xué)微生物反應(yīng)墻的使用方法，包括以下步驟提供一透水性電化學(xué)微生物反應(yīng)墻，其包括至少一導(dǎo)電性纖維層及至少一陰極，且所述陰極設(shè)置于所述導(dǎo)電性纖維層的鄰邊；以及施加適當(dāng)電壓于所述透水性電化學(xué)微生物反應(yīng)墻。
5.如權(quán)利要求4所述的透水性電化學(xué)微生物反應(yīng)墻的使用方法，其中所述導(dǎo)電性纖維層由導(dǎo)電性碳纖維、金屬纖維或其組合所組成。
6.如權(quán)利要求5所述的透水性電化學(xué)微生物反應(yīng)墻的使用方法，其中所述導(dǎo)電性碳纖維是導(dǎo)電性活性碳纖維。
全文摘要
本發(fā)明的透水性電化學(xué)微生物反應(yīng)墻，其包括至少一導(dǎo)電性纖維層及至少一陰極。導(dǎo)電性纖維層是被施加適當(dāng)電壓。傳統(tǒng)化學(xué)型或生物型透水式反應(yīng)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(bǔ)充的問題。本發(fā)明采用高表面積導(dǎo)電性纖維層為菌體外電子接受者，有效解決傳統(tǒng)方法氧化劑必須不斷補(bǔ)充更換的問題。本發(fā)明為一透水式電化學(xué)微生物反應(yīng)墻，相關(guān)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(dāng)電壓導(dǎo)出微生物生化反應(yīng)所產(chǎn)生的電子，就可維持此反應(yīng)墻正常運(yùn)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(yōu)先權(quán)日2010年6月4日
發(fā)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(xué)