透水性电化学微生物反应墙及其使用方法

摘要

本发明的透水性电化学微生物反应墙，其包括至少一导电性纤维层及至少一阴极。导电性纤维层是被施加适当电压。传统化学型或生物型透水式反应墙皆有耗尽必须更换或外加氧化剂(微生物的电子接受者)必须不断补充的问题。本发明采用高表面积导电性纤维层为菌体外电子接受者，有效解决传统方法氧化剂必须不断补充更换的问题。本发明为一透水式电化学微生物反应墙，相关污染物分解菌由原位微生物直接附着于纤维表面生长，不需外加外来氧化剂，仅需施加适当电压导出微生物生化反应所产生的电子，就可维持此反应墙正常运作。

说明书

技术领域

本发明是一种透水性电化学微生物反应墙，尤其是一种无须添加 任何化学药剂，即能有效分解有机污染物，以避免污染地下水的透水 性电化学微生物反应墙。

背景技术

所谓的反应墙，是防止污染物随地下水流布的措施之一，其设置 于加油站、炼油厂、甚至部份石化工业厂区，以避免受有机污染物污 染的地下水扩散，其使用方式是在污染地下水的下游垂直方向设置此 种装置。

传统的反应墙为一透水式反应墙，其原理在于当污染物流经该透 水性反应墙时，会被该透水性反应墙所阻挡，再藉由物理方式(如沉 淀等)、化学方式(如氧化、还原等)或生物性方式(如生物性降解等) 除去污染物，以避免污染地下水扩散。

然而，以物理方式进行大多有成效不彰的问题，因为污染物的性 质不尽相同，所以并非所有污染物皆能利用同样的物理方式来去除， 而且会耗费人力、物力来清除所留下的污染物。若以化学氧化机制降 解有机污染物时，会有反应剂消耗殆尽而必须更换的问题。若以生物 机制降解，则会有必须供给足量电子接受者的问题，必须耗费大量动 力才能足量供应，同时容易造成质传不均的现象。所以必须时常不断 补充或外加氧化剂(微生物的电子供应者)的问题，因此势必会导致 整治成本的增加。

发明内容

有鉴于既有反应墙皆有其问题存在，因此本发明人几经研究思考 后，发现利用高表面积、高通透性的导电性纤维，架构成一生物反应 墙，相关分解微生物由原位(现地)土壤微生物直接附着生长，只要施加 适当电压，就能够在不需额外加入微生物和传统氧化剂的情况下，持 续性地降解有机污染物，因此发明出此透水性电化学微生物反应墙。

本发明的目的在于提供一种无须添加任何化学药剂，即能有效分 解有机污染物，以避免污染地下水的透水性电化学微生物反应墙。

为达上述目的，本发明的透水性电化学微生物反应墙包括至少一 导电性纤维层(即生物阳极)及至少一阴极。导电性纤维层是被施加 适当电压，且阴极设置于导电性纤维层的邻边。其中，阴极作为整体 电荷平衡使用。

较佳的是，导电性纤维层由导电性碳纤维、金属纤维或其组合所 组成。

更佳的是，导电性碳纤维是导电性活性碳纤维。

本发明又关于一种透水性电化学微生物反应墙的使用方法，包括 以下步骤：提供一透水性电化学微生物反应墙，其包括至少一导电性 纤维层及至少一阴极；以及施加适当电压于透水性电化学微生物反应 墙。其中阴极作为整体电荷平衡使用。

较佳的是，导电性纤维层由导电性碳纤维、金属纤维或其组合所 组成。

更佳的是，导电性碳纤维是导电性活性碳纤维。

本发明利用原位土壤微生物的自然附着于该透水式电化学微生物 反应墙上生长，而于实际操作时，仅需施加一适当电压于导电性纤维 上，作为微生物的电子接受者，无须再添加任何化学氧化剂，就能顺 利分解有机污染物，因此不仅可减少整治成本的支出，且可获得极佳 的地下水的污染防治效果。

附图说明

图1是本发明较佳实施例的透水式电化学微生物反应墙的示意图；

图2是图1所示的透水式电化学微生物反应墙实施状态的俯视示 意图；

图3是图2所示的实施状态的部分放大示意图；以及

图4是显示实施例中苯浓度与生物电流的数据关系图。

主要组件符号说明

10：导电性活性碳纤维层

20：阴极

30：微生物

A：地下水的流向

a～d：箭头

B：有机污染物分解的化学反应方向

实施方式

请参看图1所示，本发明的一透水性电化学微生物反应墙包括： 至少一导电性纤维层及至少一阴极。导电性纤维层被施加适当电压。 导电性纤维层的材料只要具有导电性者即可，并无特别限制，且较佳 是由导电性碳纤维、金属纤维或其组合所组成的。于本实施例中，导 电性碳纤维为导电性活性碳纤维，而导电性纤维层例如为导电性活性 碳纤维层10，透水性电化学微生物反应墙具有一层导电性活性碳纤维 层10与阴极20。其中，导电性活性碳纤维层10的厚度较佳约15公分 以内。阴极20材料可为其它金属材质的棒状物或网状物，其设置于导 电性活性碳纤维层10的邻边，导电性活性碳纤维层10(即阳极)与阴 极20的安置距离为一适当距离，较佳为不大于20公尺，最佳为不大 于1公尺，两极不可直接接触，以免造成短路现象。例如当导电性活 性碳纤维层10与阴极20安置于海边时，由于海水导电性佳，故两者 间的安置距离可远至20公尺。

本发明的导电性活性碳纤维层10直立安置在污染地下水流经的下 游区域(图式中的A显示地下水的流向)，且于其邻近侧边设置有阴极 20，相关的污染物分解菌由原位微生物直接附着于导电性活性碳纤维 层10的表面生长，无须外加氧化剂，仅需施加一适当电压，较佳为-10 至10伏特的电压(参考电极为Ag/AgCl)，最佳为-0.5至0.5伏特的电 压(参考电极为Ag/AgCl)即能导出污染物分解菌生化反应所产生的 电子，就能维持此反应墙正常运作。举例而言，若施以超过不适当的 电压，则会过份撷取微生物内部电子，造成微生物死亡或相关污染物 代谢分解速率的减缓。

再附加参看图2及图3所示，由于电极上污染物分解菌为土壤中 既存的微生物30。在施加适当电压于电极的情况下，阳极持续接受微 生物30分解有机物过程中的电子，经由外部电路传递至阴极20，尔后 在阴极20表面进行还原反应(如产生H₂等)，平衡整体电荷，使污染 地下水中的有机污染物进入导电性活性碳纤维层10后(B示意有机污 染物分解的化学反应方向)，在不需额外添加氧化物情况下，顺利被微 生物30分解而产生二氧化碳(CO₂)。

实施例

本发明提供以下实施例，以令于所属技术领域中具有通常知识者 能够更了解本发明，并能据以实施本发明，但并非用以限制本发明的 范围，只要在本发明的原理下所做的任何修饰，皆仍属于本发明的范 畴。

实施例一：原位(现地)微生物的分解功效测试(以电极为电子接受 者)

本实施例以苯为标的有机污染物(浓度约为350ppm)，污染土壤 的复合微生物为植种菌源，在反应瓶中，进行降解及生物电流产生测 试，施加电压为0.2V vs.Ag/AgCl后，实验过程中，能够观察到导电性 活性碳纤维表面逐渐包覆生物膜。

苯的存在与生物电流的相关性如图4所示。实验初期加入140ppm 的苯后(图4箭头a所示)，并无瞬间电流产生(显示苯并非直接被电 极氧化)，而后电流逐渐上升，最高值到达100μA，最后在第300小时 后降为0μA，尔后再加入苯后(箭头b、c、d(浓度各约350ppm))， 可以看到明显电流反应现象，而且电流产生的时间越来越快，整体实 验结束后，取电极上的生物膜进行微生物验证，经分子生物学相关检 测实验显示若干产电微生物已被大量培养。各种证据显示，苯并非直 接被电极氧化，而是透过微生物氧化产生电流。

同时根据上述实验，本发明的反应墙内微生物预计可以适应约350 ppm的苯浓度突增状况，显示本发明在应用上的弹性。

实施例二：透水性电化学微生物反应墙的模拟土壤管柱验证实验

实施例二是于实验室中以土壤管柱进行透水性电化学微生物反应 墙的模拟试验，本实施例中的土壤管柱长45公分，内径3公分，其包 括一层导电性活性碳纤维层(厚度15公分)以及一铂(Pt)阴极，其 设置于该导电性活性碳纤维层的邻侧距离5公分处，实验过程以连续 流方式进行，水力停留时间2天以内。进流溶液中含有模拟污染物质 为苯(benzene)、甲苯(toluene)、乙苯(ethylbenzene)、对二甲苯(xylene) (简称BTEX)，测试浓度分别为19524、15383、14981、7257ppb左 右，取其进流与出流检测其BTEX残留量，结果显示BTEX皆有99％ 以上的去除效率，显示本反应墙的优越性。

藉由以上两个实施例，可知本发明的微生物反应墙的优越效果， 因此只要在受有机物污染的地下水下游位置设置本发明的反应墙，在 施加适当电压的情况下(例如小于10V vs.Ag/AgCl)，利用原位土壤微 生物的自然附着生长，即可转变成为一透水式电化学微生物反应墙。 因此，本发明在操作时仅需施加适当电压于导电性活性碳纤维层，无 须再添加任何化学药剂，就能顺利分解有机污染物。