从水中去除爆炸物和其他共存污染物的系统及相关方法技术方案

本发明专利技术涉及使用金属生物膜

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】从水中去除爆炸物和其他共存污染物的系统及相关方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求享有
2020
年
11
月
17
日提交的美国临时专利申请号
63/115,017
的权益，并通过引用并入该临时申请的公开内容
。


[0003]本专利技术涉及用于从水或废水中去除爆炸物和其他共存污染物的系统和方法
。

技术介绍

[0004]弹药
(
特别是遗留弹药和钝感烈性炸药
(IHE))
通常含有多种硝化有机化合物：硝胺类
[R2N
‑
NO2，如
1,3,5
‑
三硝基
‑
1,3,5
‑
三嗪烷
(RDX
或
hexagon)、1,3,5,7
‑
四硝基
‑
1,3,5,7
‑
四氮杂环辛烷
(HMX
或奥克托今
(octogen))
和六硝基六氮杂异伍兹烷
(HNIW
或
CL
‑
20)]、
硝基芳烃类
[R
‑
NO2，如
2,4,6
‑
三硝基甲苯
(TNT)、
二硝基甲苯
(DNT)、
重氮二硝基苯酚
(DDNP)
和
2,4
‑<br/>二硝基苯甲醚
(DNAN)]和硝酸酯类
[R
‑
O
‑
NO2，如季戊四醇四硝酸酯
(PETN)、
硝酸甘油
(NG)
和乙二醇二硝酸酯
(EGDN)]。
这些高能物
(energetic)(
在此也称为“爆炸化合物”)
广泛用于各种弹药
。
例如，皮卡汀尼兵工厂炸药
21(Picatinny Arsenal Explosive 21
，
PAX
‑
21)
由
RDX
和
2,4
‑
二硝基苯甲醚
(DNAN)
组成
。
弹药废水通常含有高达
200
‑
500mg/L
的
RDX
和
HMX。
此外，由于含爆炸物废物的处置不当，这些爆炸物被引入弹药区周围的土壤和水中
。
受污染地下水中的爆炸物浓度在每升数千微克范围内
。
[0005]这些爆炸化合物对广泛的生物体
(
包括藻类
、
鱼类和人
)
具有不利影响
。
例如，特拉华州卫生和社会服务
(DSS)
报道了动物研究表明
HMX
对神经系统和肝脏具有不利影响
。
美国环境保护署
(USEPA)
已将
RDX、HMX、TNT、2,4
‑
DNT
和其他硝化爆炸物列为优先污染物
。
此外，美国环境保护署
(EPA)
的风险评估表明，饮用水浓度中
0.3
μ
g/L
和
30
μ
g/L
的
RDX
分别代表
10
‑6和
10
‑4的癌症风险水平
。RDX
在水性介质中的推荐浓度限值为
300
μ
g/L
，
RDX
的终生健康咨询指导水平为饮用水中2μ
g/L。EPA
还建议成人饮用水中
HMX
的浓度低于
0.4mg/L。
[0006]在弹药废水和受爆炸物污染的地下水中，高能物
(energetics)
通常发生在与含氧阴离子
(
如
ClO4‑
、NO3‑
和
CrO
42
‑
)
混合时
。
弹药废水可以含有约
190mg/L(
～
2mmol/L)
的
ClO4‑
，因为爆炸物通常与高氯酸根
(ClO4‑
)
组合以降低对意外爆炸的敏感性
。
高氯酸铵
(NH4ClO4‑
)
形式的
ClO4‑
被广泛用作用于火箭
、
导弹和烟花的固体推进剂中的氧化剂和高能物助推剂
(booster)。
已知
ClO4‑
通过干扰碘的摄入而对甲状腺及其激素分泌具有不利影响
(
国家研究委员会
2005)。ClO4‑
导致甲状腺功能破坏，并潜在地导致甲状腺激素的产生减少，尤其是在婴儿和幼儿中
。
美国环保署已经确立了饮用水健康咨询的官方参考为
15
μ
g/L
，高氯酸酯及其盐类的自来水筛查水平为
14
μ
g/L。
[0007]弹药废水通常含有多于
100mg/L NO3‑
(&gt;2mmol/L)。NO3‑
是导致公众的癌症和年龄六个月以下婴儿的高铁血红蛋白血症的公共卫生风险物
。EPA
设定的
NO3‑
的最大污染物水平
(MCL)
为
10mg
‑
N/L
，以防止婴儿的高铁血红蛋白血症
。
世界卫生组织已将许多工业用或人用的准入水平定为低于
50mg/L NO3‑
，其大约为
11mg
‑
N/L。
[0008]多种物理
、
化学和生物技术已被应用于弹药废水的处理，包括使用活性炭吸附
、
碱水解
、
光催化
、
光电催化
、
电化学氧化
、
芬顿氧化
、
零价铁
(ZVI)
还原
、
钯
(Pd)
催化还原
、
微生物还原和植物修复
。
然而，大多数这些技术由于它们在以下方面的局限性而在实际应用中并不成功：
1)
使爆炸物矿化
(
即爆炸物完全转化为
CO2，有害中间体的积累最少
)
；
2)
同时去除所有目标污染物
(
例如各种爆炸物加上各种含氧阴离子
)
；和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.
一种用于建立用于去除弹药相关污染物的金属生物膜的系统，其包含：气体转移膜；氢气源；包含形成生物膜的微生物群体的接种物；包含至少一种硝酸盐和至少一种高氯酸盐的生长介质，其中所述生长介质供给形成生物膜的微生物群体以建立锚定在气体转移膜上的生物膜，并且所述生物膜包含还原高氯酸盐的细菌；和包含至少一种可溶性自催化金属前体并具有碱性
pH
的催化剂前体介质，其中所述催化剂前体介质供给生物膜，所述生物膜将可溶性自催化金属前体转化为自催化金属纳米颗粒，其嵌入生物膜基质中以产生锚定在气体转移膜上的金属生物膜
。2.
一种建立用于去除弹药相关污染物的生物金属复合催化剂的方法，所述方法包括：提供水性系统，其中所述水性系统包含气体转移膜和氢气源；以及用接种物接种气体转移膜以建立锚定在气体转移膜上的生物膜；向接种的水性系统提供生长介质，所述生长介质包含至少一种硝酸盐和至少一种高氯酸盐，其中生长介质在气体转移膜上建立生物膜；以及向水性系统提供催化剂前体介质，其包含至少一种可溶性自催化金属前体并具有碱性
pH
，其中所述催化剂前体介质供给生物膜，所述生物膜将可溶性自催化金属前体转化为自催化金属纳米颗粒，其嵌入生物膜基质中以产生锚定在气体转移膜上的金属生物膜
。3.
一种去除液体中弹药相关污染物的方法，其包括：提供水性系统，其中所述水性系统包含气体转移膜和氢气源；以及用接种物接种气体转移膜以建立锚定在气体转移膜上的生物膜；向接种的水性系统提供生长介质，所述生长介质包含至少一种硝酸盐和至少一种高氯酸盐，其中生长介质在气体转移膜上建立生物膜；向水性系统提供催化剂前体介质，其包含至少一种可溶性自催化金属前体并具有碱性
pH
，其中所述催化剂前体介质供给生物膜，所述生物膜将可溶性自催化金属前体转化为自催化金属纳米颗粒，其嵌入生物膜基质中以产生锚定在气体转移膜上的金属生物膜；以及向金属生物膜提供含有弹药相关污染物的液体，其中所述金属生物膜还原弹药相关污染物
。4.
根据权利要求3所述的方法，其进一步包括将含有弹药相关污染物的液体的
pH
调节至中性
pH。5.
根据权利要求3所述的方法，其中含有弹药相关污染物的液体的
pH
为中性
pH。6.
根据权利要求1所述的系统
、
或根据权利要求2或3所述的方法，其中所述至少一种可溶性自催化金属前体选自铂族金属
。7.
根据权利要求4所述的系统或方法，其中所述催化剂前体介质中所述至少一种可溶性自催化金属前体的浓度为
2mM。8.
根据权利要求1或4所述的系统
、
或根据权利要求2‑4中任一项所述的方法，其中所述催化剂前体介质中所述至少一种可溶性自催化金属前体的浓度为
0.1
‑
5mM。9.
根据权利要求1所述的系统
、
或根据权利要求2或3所述的方法，其中所述接种物包含能够还原含氧阴离子的利用
H2的自养生物
、
能够还原贵金属的利用
H2的自养生物和能够降
解有机物的异养生物
。10.
根据权利要求9所述的系统或方法，其中所述接种物包含来自
β
‑
变形菌纲
(Betaproteobacteria)、
α
‑
变形菌纲
(Alphaproteobacteria)
和腐螺旋菌纲
(Saprospirae)
的细菌
。11.
根据权利要求
10
所述的系统或方法，其中所述接种物进一步包含来自选自以下的至少一个纲的细菌：梭菌纲
(Clostridia)、
黄杆菌纲
(Flavobacteria)、
拟杆菌纲
(Bacteroidia)
和甲烷杆菌纲
(Methanobacteria)。12.
根据权利要求1所述的系统
、
或根据权利要求2或3所述的方法，其中所述接种物包含来自红环菌属
(Rhodocyclus)、
根瘤菌目
(Rhizobiales)
和噬几丁质菌科
(Chitinophagaceae)
的成员
。13.
根据权利要求
12
所述的系统或方法，其中所述接种物进一步包含固氮螺菌属
(Azospira)、
红环菌科
(Rhodocyclaceae)、
鳞片单胞菌属
(Dysgonomonas)
和拟杆菌目
(Bacteroidales)
的成员
。14.
根据权利要求1所述的系统
、
或根据权利要求2或3所述的方法，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：B，
申请(专利权)人：亚利桑那州立大学董事会，
类型：发明
国别省市：