專利名稱：一種沉積物微生物電化學(xué)裝置及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種沉積物微生物電化學(xué)裝置，特別涉及一種帶有螺旋攪拌和刮泥功 能的沉積物微生物電化學(xué)裝置，屬于環(huán)境工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟的發(fā)展、社會的進步和人口的不斷增長，人類對能源的需求越來越大，全 球性的能源危機日趨突出。同時，礦物燃料的大幅度消耗導(dǎo)致了日益嚴(yán)重的環(huán)境污染，威脅 著人類的生存環(huán)境。為了解決上述兩個困擾國計民生和國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的大問題，人 們渴望開發(fā)一種既可解決環(huán)境污染，又能提供清潔能源的技術(shù)。而微生物燃料電池技術(shù)，因 其具有綠色、節(jié)能、環(huán)保等特點正可滿足這樣的要求，成為當(dāng)今科技界最熱門的研究課題之
ο微生物燃料電池是利用電化學(xué)技術(shù)將微生物代謝能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。微生 物燃料電池不僅可從易生化降解的有機物中獲取電能，還可從一些難降解的有機物中獲取 電能。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，微生物燃料電池也可利用沉積物中的有機物來產(chǎn)電，其作用機理 為將陰極置于上層好氧的水相中，陽極材料放置于沉積物中，陰極和陽極之間通過導(dǎo)線相 連接，并接有電阻。沉積物中有機物在陽極區(qū)附近被沉積物中土著微生物氧化分解，產(chǎn)生的 電子到陽極，再經(jīng)過外電路到達(dá)陰極，質(zhì)子通過水-沉積物界面?zhèn)鬟f到陰極，并與氧氣反應(yīng) 生成水，從而完成整個化學(xué)氧化還原反應(yīng)。上述這種類型的微生物電化學(xué)裝置可為水體上傳感器提供電源，也可用于沉積物 中有機物的修復(fù)。發(fā)明人在研究現(xiàn)有技術(shù)的微生物電化學(xué)裝置時發(fā)現(xiàn)，以石墨作為沉積 物微生物電化學(xué)裝置的電極，通過一段時間的運行后發(fā)現(xiàn)，在離陽極比較近的區(qū)域(0 1 cm)，沉積物中總有機質(zhì)含量以及易氧化有機物的含量下降快，并發(fā)現(xiàn)微生物電化學(xué)裝置作 用后的沉積物，其氧化還原電位發(fā)生正移，可抑制沉積物中產(chǎn)甲烷和硫還原的過程。相比已 有的底泥原位生物修復(fù)方法，不需要投加電子受體、供氧劑或微生物，而是利用底泥中土著 微生物，通過外加電極來增加其微生物活性，加速底泥中有機質(zhì)的降解。但在遠(yuǎn)離陽極的區(qū) 域(>3 cm)總有機質(zhì)的去除率不高，說明沉積物中有機物向陽極的傳遞是影響此類沉積物 微生物電化學(xué)裝置性能的重要因素，成為其發(fā)展應(yīng)用的一個重要瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，本發(fā)明的技術(shù)目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的沉積 物中有機物傳質(zhì)問題，以及陽極使用時間長，效率低下的缺點，提供一種新型的沉積物微生 物電化學(xué)裝置，使得該沉積物微生物電化學(xué)裝置能夠提高陽極區(qū)的有機物傳質(zhì)，提高陽極 電極效率，進一步擴大沉積物微生物電化學(xué)裝置對于沉積物的修復(fù)作用。為實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一、一種沉積物微生物電化學(xué)裝置，主要由陰極、陽極、導(dǎo)線、電阻，以及帶有螺旋葉片、 支撐桿和刮泥板的攪拌軸組成；其中通過導(dǎo)線將位于水相中的陰極、位于沉積物中的陽極以及電阻串聯(lián)起來形成一個回路，電阻介于陰極和陽極之間；攪拌軸縱向貫穿水相和沉積 物，其位于沉積物的一端之上設(shè)置有螺旋葉片并分布圍繞于攪拌軸周圍，并在其未被螺旋 葉片占用的空隙處垂直設(shè)置有至少兩根支撐桿，支撐桿的另一端連接刮泥板，使得刮泥板 縱向與攪拌軸平行；攪拌軸位于水相中的一端縱向從陰極穿出而定位于整個裝置的中心 處。本發(fā)明所述的沉積物微生物電化學(xué)裝置還包括支架，支架包覆于陽極外圍并將陽 極固定；支架為圓柱形。本發(fā)明所述的陰極的電極材料是不銹鋼、或者碳?xì)?；由于陰極被攪拌軸貫穿，因此 為圓環(huán)形。本發(fā)明所述的陽極的電極材料是碳?xì)?；且為圓柱形。本發(fā)明所述的攪拌軸、刮泥板、支撐桿和螺旋葉片的材料是聚氯乙烯、或者硬度為 60 95的塑料材料。二、本發(fā)明所述的沉積物微生物電化學(xué)裝置的應(yīng)用。具體的應(yīng)用方法為
A、電極安裝
將陽極固定于支架的內(nèi)壁后，將帶有螺旋葉片、支撐桿和刮泥板的攪拌軸置于支架中， 調(diào)節(jié)支撐桿以改變刮泥板的長度，以使得刮泥板可接觸到陽極；將此固定好的電極、攪拌軸 和支架置于沉積物中；然后將陰極置于沉積物上層水相中，攪拌軸從陰極中穿出從而將陰 極定位；
B、電路連接
將陰極、陽極和電阻用導(dǎo)線串聯(lián)在一起形成一個回路，且電阻介于陰極和陽極之間；
C、沉積物微生物電化學(xué)裝置的運行
沉積物微生物電化學(xué)裝置啟動在20天后，每隔14天時間，旋轉(zhuǎn)攪拌軸60轉(zhuǎn)/分鐘，以 提高陽極區(qū)有機物的傳質(zhì)。本發(fā)明的有益效果在于
(1)本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的不同及優(yōu)勢在于既可防止長時間運行，陽極被富含低有機物 的沉積物所覆蓋，又可借助螺旋推進的方式，使得沉積物混合均勻，并不斷的將富含高有機 物的沉積物與陽極所接觸；
(2)本發(fā)明所述的沉積物微生物電化學(xué)裝置結(jié)構(gòu)簡單，不需要太多的維護，建造和運行 成本低；
(3)通過本發(fā)明所述的帶有螺旋攪拌和刮泥功能的沉積物微生物電化學(xué)裝置，可顯著 提高產(chǎn)電能力和沉積物修復(fù)作用。


圖1本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖
其中，1-陰極；2-攪拌軸；3-電阻；4-導(dǎo)線；5-陽極；6-刮泥板；7-支撐桿；8-螺旋葉 片；9-支架。圖2陰極為碳?xì)謺r，電壓隨時間的變化。圖3陰極為不銹鋼時，電壓隨時間的變化。
具體實施例方式下面通過具體的實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的說明。實施例1
本實施例說明本發(fā)明所述的沉積物微生物電化學(xué)裝置的具體結(jié)構(gòu)、應(yīng)用方法以及工作原理。參照附圖1，沉積物微生物電化學(xué)裝置，主要由陰極1、陽極5、導(dǎo)線3、電阻4，以及 帶有螺旋葉片8、支撐桿7和刮泥板6的攪拌軸2組成；其中通過導(dǎo)線3將位于水相中的陰 極1、位于沉積物中的陽極5以及電阻4串聯(lián)起來形成一個回路，電阻4介于陰極1和陽極 5之間；攪拌軸2縱向貫穿水相和沉積物，其位于沉積物的一端之上設(shè)置有螺旋葉片8并分 布圍繞于攪拌軸2周圍，并在其未被螺旋葉片8占用的空隙處垂直設(shè)置有至少兩根支撐桿 7，支撐桿7的另一端連接刮泥板6，使得刮泥板6縱向與攪拌軸2平行；攪拌軸2位于水相 中的一端縱向從陰極1穿出而定位于整個裝置的中心處。該裝置還包括支架9，支架9包覆于陽極5外圍并將陽極5固定；支架9為圓柱形 時，陽極5也為圓柱形。而由于陰極1被攪拌軸2貫穿，因此陰極1為圓環(huán)形。安裝本發(fā)明的裝置時，將陽極5固定于支架9的內(nèi)壁后，將帶有螺旋葉片8和刮泥 板6的攪拌軸2置于支架9中，適當(dāng)調(diào)節(jié)刮泥板6的長度，以使得刮泥板可接觸到陽極；然 后將陰極1置于沉積物上層好氧的水相中，將陽極5及支架9置于沉積物中，攪拌軸2從陰 極1上的圓孔中穿出。使用時，將沉積物微生物電化學(xué)裝置的陰極1和陽極5，通過導(dǎo)線3 和電阻4相連接，電阻4介于陽極5和陰極1之間。陽極5附近的厭氧菌，以陽極5作為電 子受體，不斷的將其附近沉積物中的有機物氧化，傳遞電子和質(zhì)子到陰極1從而形成電流。 隨著反應(yīng)時間的進行，離陽極0 1 cm處的有機物含量不斷的減少，沉積物微生物電化學(xué) 裝置的效率開始下降。因此隔14天，轉(zhuǎn)動攪拌軸2，帶動刮泥板6，會把陽極5上附著的一 些低有機物含量的沉積物給刮下來，在攪拌軸2帶的螺旋葉片8的作用下，中間富含高有機 物含量的沉積物會向兩側(cè)的陽極5靠攏，從而提高沉積物微生物電化學(xué)裝置的效率，加速 沉積物中有機物的降解。實施例2
本實施例說明該沉積物微生物電化學(xué)裝置去除沉積物中有機物的作用實驗。取700 g的江蘇境內(nèi)太湖中的沉積物置于反應(yīng)器中，按實施例1所述的安裝方法 將碳?xì)株枠O(有效面積100 cm2)裝入到軟玻璃作成的支架中并固定，插入到沉積物中。將帶 有螺旋葉片和刮泥板的攪拌軸插入到陽極中部，然后再加入500 mL水，把碳?xì)株帢O(有效面 積60 cm2)漂浮在水面上，當(dāng)沉積物微生物電化學(xué)裝置接好電阻后，電壓開始緩慢增長，20 天后，旋轉(zhuǎn)攪拌軸(60轉(zhuǎn)/分)攪動沉積物，然后停止，每隔14天重復(fù)進行攪拌，此過程中獲 得的最大電壓為300 mV (見圖2)。運行60天后，取出沉積物微生物電化學(xué)裝置作用后的 沉積物，分析沉積物中有機質(zhì)含量(L0I)。有機質(zhì)含量用灼燒損耗量(LOI= (Wltl5-W55tl)/ W1J X 100%)來計算，其中Wltl5表示沉 積物在105度下烘干過夜后的重量，W550表示沉積物在105度烘干后，在550度煅燒四小時 后的重量。最終LOI去除率達(dá)到了 31. 6 %，并且其對沉積物中有機物的作用范圍從電極附 近(0 1 cm)擴大到整個陽極區(qū)。
實施例3
本實施例說明該沉積物微生物電化學(xué)裝置去除沉積物中有機物的作用實驗。取700 g的江蘇境內(nèi)太湖中的沉積物置于反應(yīng)器中，按實施例1所述的安裝方法 將碳?xì)株枠O(有效面積100 cm2)裝入到軟玻璃作成的支架中并固定，插入到沉積物中。將帶 有螺旋葉片和刮泥板的攪拌軸插入到陽極中部，然后再加入500 mL水，把不銹鋼(304)陰 極(有效面積60 cm2)漂浮在水面上，當(dāng)沉積物微生物電化學(xué)裝置接好電阻后，電壓開始緩 慢增長，20天后，旋轉(zhuǎn)攪拌軸(60轉(zhuǎn)/分)攪動沉積物5分鐘，然后停止，每隔14天重復(fù)進 行攪拌，此過程中獲得的最大電壓為205 mV (見圖3)。運行60天后，取出沉積物微生物電 化學(xué)裝置作用后的沉積物，按照實施例2的方法，分析沉積物中有機質(zhì)含量(L0I )，最終LOI 去除率達(dá)到了 26.6%，并且其對沉積物中有機物的作用范圍從電極附近(0 1 cm)擴大到 整個陽極區(qū)。
權(quán)利要求
一種沉積物微生物電化學(xué)裝置，主要由陰極(1)、陽極(5)、導(dǎo)線(4)、電阻(3)，以及帶有螺旋葉片(8)、支撐桿(7)和刮泥板(6)的攪拌軸(2)組成；其中通過導(dǎo)線(4)將位于水相中的陰極(1)、位于沉積物中的陽極(5)以及電阻(3)串聯(lián)起來形成一個回路，電阻(3)介于陰極(1)和陽極(5)之間；攪拌軸(2)縱向貫穿水相和沉積物，其位于沉積物的一端之上設(shè)置有螺旋葉片(8)并分布圍繞于攪拌軸(2)周圍，并在其未被螺旋葉片(8)占用的空隙處垂直設(shè)置有至少兩根支撐桿(7)，支撐桿(7)的另一端連接刮泥板(6)，使得刮泥板(6)縱向與攪拌軸(2)平行；攪拌軸(2)位于水相中的一端縱向從陰極(1)穿出而定位于整個裝置的中心處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沉積物微生物電化學(xué)裝置，其特征在于還包括支架(9)，支架 (9)包覆于陽極(5)外圍并將陽極(5)固定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的沉積物微生物電化學(xué)裝置，其特征在于所述的支架(9)為圓 柱形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沉積物微生物電化學(xué)裝置，其特征在于所述的陰極(1)的電 極材料是不銹鋼或者碳?xì)帧?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的沉積物微生物電化學(xué)裝置，其特征在于所述的陰極(1)為圓 環(huán)形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沉積物微生物電化學(xué)裝置，其特征在于所述的陽極(5)的電 極材料是碳?xì)帧?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的沉積物微生物電化學(xué)裝置，其特征在于所述的陽極(5)為圓 柱形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沉積物微生物電化學(xué)裝置，其特征在于所述的攪拌軸(2)、刮 泥板(6)、支撐桿(7)和螺旋葉片(8)的材料是聚氯乙烯、或者硬度為60 95的塑料材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沉積物微生物電化學(xué)裝置的應(yīng)用，其特征在于應(yīng)用方法為A、電極安裝將陽極固定于支架的內(nèi)壁后，將帶有螺旋葉片、支撐桿和刮泥板的攪拌軸置于支架中， 調(diào)節(jié)支撐桿以改變刮泥板的長度，以使得刮泥板可接觸到陽極；將此固定好的電極、攪拌軸 和支架置于沉積物中；然后將陰極置于沉積物上層水相中，攪拌軸從陰極中穿出從而將陰 極定位。B、電路連接將陰極、陽極和電阻用導(dǎo)線串聯(lián)在一起形成一個回路，且電阻介于陰極和陽極之間；C、沉積物微生物電化學(xué)裝置的運行沉積物微生物電化學(xué)裝置啟動在20天后，每隔14天時間，旋轉(zhuǎn)攪拌軸60轉(zhuǎn)/分鐘，以 提高陽極區(qū)有機物的傳質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種沉積物微生物電化學(xué)裝置，屬于環(huán)境工程領(lǐng)域。本裝置主要由陰極、陽極、導(dǎo)線、電阻，以及帶有螺旋葉片、支撐桿和刮泥板的攪拌軸組成；其中通過導(dǎo)線將位于水相中的陰極、位于沉積物中的陽極以及電阻串聯(lián)起來形成一個回路，電阻介于陰極和陽極之間。本發(fā)明在運行一段時間后，轉(zhuǎn)動攪拌軸，更換與電極接觸的沉積物，從而提高沉積物微生物電化學(xué)裝置的效率，加大其對于沉積物的修復(fù)作用。通過本發(fā)明所述的沉積物微生物電化學(xué)裝置，可顯著提高陽極區(qū)沉積物中有機物的傳質(zhì)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，不需要太多的維護、建造，具備良好的經(jīng)濟效益及應(yīng)用前景。
文檔編號C02F3/34GK101962232SQ201010518598
公開日2011年2月2日 申請日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者宋天順, 江和龍 申請人:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所