一種浮床植物耦合沉積物微生物燃料電池的水質(zhì)凈化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及燃料電池水質(zhì)凈化領(lǐng)域，具體的涉及一種浮床植物耦合沉積物微生物燃料電池的水質(zhì)凈化方法。
【背景技術(shù)】
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[0002]利用海底沉積物中的有機(jī)物進(jìn)行發(fā)電，被稱(chēng)為“無(wú)人看守海底發(fā)電機(jī)”，基于沉積物微生物燃料電池(SMFC)的水體污染修復(fù)技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)。在SMFC中，陽(yáng)極通常置于缺氧的水底沉積物，而陰極則懸于陽(yáng)極上方的含氧水中，陰陽(yáng)極之間以導(dǎo)線(xiàn)相連，并接一電阻構(gòu)成閉合回路。在厭氧微生物的催化作用下，沉積物中的有機(jī)物在陽(yáng)極區(qū)被氧化，產(chǎn)生的電子透過(guò)細(xì)胞膜傳遞到陽(yáng)極，再經(jīng)外電路轉(zhuǎn)移至陰極。另一方面，氧化過(guò)程中產(chǎn)生的氫離子則通過(guò)上覆水-沉積物界面?zhèn)鬟f到陰極區(qū)，上覆水中的溶解氧接受電子后與氫離子結(jié)合生成水，完成氧氣的還原過(guò)程。在SMFC中，陽(yáng)極作為電子受體接受微生物氧化有機(jī)物過(guò)程中產(chǎn)生的電子，因而可以加速沉積物中有機(jī)物的去除，同時(shí)產(chǎn)生電流。大部分沉積物微生物燃料電池的研究集中在海洋環(huán)境中，而淡水河流中的研究比較少。這是因?yàn)楹Ｋ哂斜鹊叩碾妼?dǎo)率。在20°C下，海水的電導(dǎo)率可達(dá)到50000 yS.cm-1，而淡水的電導(dǎo)率僅為500 μ S.cm-ι。由于電解質(zhì)的電導(dǎo)率是影響MFC內(nèi)阻的重要因素之一，電導(dǎo)率越高，內(nèi)阻越小，因而海水SMFC能夠產(chǎn)生比淡水SMFC更高的電量。
[0003]SMFC也可用于廢水的處理。有研究表明，構(gòu)建一種沉積物微生物燃料電池對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊水體中的氮進(jìn)行原位去除，并同時(shí)產(chǎn)生電能。結(jié)果顯示，在富含硝酸鹽和亞硝酸鹽的合成湖泊水中，SMFC所能達(dá)到的最大功率密度分別為42mW.πι-2和36mW.πι-2，同時(shí)硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的去除率分別達(dá)到62 %和77 %。在閉合狀態(tài)下，SMFC對(duì)氮的去除可達(dá)開(kāi)路狀態(tài)下的4倍。根據(jù)物質(zhì)守恒定律，在該SMFC系統(tǒng)中，大部分去除的硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮被還原成氮?dú)?。SMFC也可以有效地對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖水體進(jìn)行原位修復(fù)。有人構(gòu)建了兩個(gè)SMFC系統(tǒng)，一個(gè)連接外電阻構(gòu)成閉合回路(SMFC-1)，一個(gè)形成短路(SMFC-2)。兩個(gè)系統(tǒng)分別在不同的條件下運(yùn)行，考察它們對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中COD和TKN的原位去除效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在對(duì)陰極區(qū)曝氣和不曝氣兩種情況下，SMFC-2均表現(xiàn)出比SMFC-1更高的去除率。曝氣時(shí)，SMFC-1和SMFC-2 對(duì) COD 和 TKN 的去除率分別為 79.4%、92.6%和 84.4%、95.3%。
[0004]研究發(fā)現(xiàn)SMFC的輸出電流與陰極區(qū)的溶解氧濃度密切相關(guān)。上覆水中的溶解氧在陰極的還原速率是SMFC性能的限制因素之一。當(dāng)溶解氧濃度跌至低于5mg02.L-1時(shí)，電流會(huì)急劇下降。這意味著在野外運(yùn)行SMFC時(shí)，應(yīng)充分考慮溶解氧條件，建議維持在5mg02.L-1 以上。
[0005]對(duì)SMFC的研究最初主要集中在產(chǎn)電方面，直到2009年，開(kāi)始評(píng)估SMFC在產(chǎn)電的同時(shí)對(duì)沉積物中有機(jī)物質(zhì)的去除能力。有人以多孔石墨電極運(yùn)行SMFC，160天后，陽(yáng)極Icm范圍內(nèi)的總有機(jī)質(zhì)含量下降了 30%，而距離陽(yáng)極較遠(yuǎn)處及開(kāi)路狀態(tài)下有機(jī)質(zhì)含量幾乎沒(méi)變化。這說(shuō)明在閉合狀態(tài)下SMFC氧化沉積物有機(jī)物的能力得到提升。另外，沉積物中有機(jī)物的降解與電流的形成是相一致的，電流越大則表明有機(jī)物降解越多。雖然SMFC適用于對(duì)沉積物的修復(fù)，但其產(chǎn)電能力和污染物去除能力仍然受到電極間距大、陰極氧氣利用率低等限制。
[0006]在陽(yáng)極區(qū)種植蘆葦，形成植物-微生物燃料電池(P-MFC)，結(jié)果表明，該P(yáng)-MFC能達(dá)到的最大功率密度為67mW.m-2,歐姆內(nèi)阻為30 Ω，且種植一顆蘆葦?shù)腜-MFCl和兩顆蘆葦?shù)腜-MFC2所能達(dá)到的最大輸出電壓分別為217mV和253mV。自此之后，對(duì)植物-微生物燃料電池的研究開(kāi)始進(jìn)入人們視野。向微生物燃料電池中引入植物，主要是基于植物根系的分泌作用。在生長(zhǎng)階段，植物持續(xù)向生長(zhǎng)介質(zhì)中釋放各類(lèi)物質(zhì)，如水溶性低分子有機(jī)物質(zhì)、高分子有機(jī)物質(zhì)、失活細(xì)胞脫落物及其分解產(chǎn)物、氣體以及覆蓋在根系表面的黏液等。研究表明，植物通過(guò)光合作用固定的有機(jī)物，有28 %?59 %轉(zhuǎn)移到地下，其中4 %?70 %通過(guò)根系的分泌作用轉(zhuǎn)移到生長(zhǎng)介質(zhì)中。根系分泌物是植物根系微生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)迀移和調(diào)節(jié)的重要組成部分，通過(guò)改變根際的物理、化學(xué)及生物特性，改善和緩解植物在養(yǎng)分缺乏或金屬毒害條件下的生長(zhǎng)狀態(tài)。在P-MFC系統(tǒng)中，根系分泌物作為燃料在陽(yáng)極區(qū)被微生物催化分解。
[0007]與有機(jī)物分泌類(lèi)似，在光合作用下，植物亦會(huì)向根系輸送氧氣，這些氧氣除了滿(mǎn)足根部的有氧呼吸之外，還會(huì)在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中通過(guò)根軸徑向釋放到根際周?chē)橘|(zhì)中，稱(chēng)之為根系徑向泌氧(radial oxygen loss，R0L)。ROL在植物凈化污水的過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用:一方面，ROL的存在使得根區(qū)形成很多好氧、缺氧和厭氧微區(qū)，為根區(qū)的好氧、兼性厭氧以及厭氧微生物提供適宜的小生境，有利于污染物的吸收降解；另一方面，釋放的氧氣可以氧化根區(qū)的還原性物質(zhì)，促進(jìn)根系表面形成鐵錳氧化物膜，從而影響介質(zhì)中有毒物質(zhì)和重金屬元素的存在形態(tài)及生物有效性。P-SMFC是基于植物與底質(zhì)微生物之間的互惠共生作用，為微生物燃料電池提供燃料并持續(xù)產(chǎn)生電能，具有誘人的發(fā)展?jié)摿?。通過(guò)把生物陽(yáng)極置于植物根部具有大量電化學(xué)活性微生物的底質(zhì)中，結(jié)合根際微生物的還原功能，利用MFC技術(shù)，使根際底質(zhì)中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為電子、質(zhì)子和二氧化碳，不斷產(chǎn)生綠色電能，而不用收獲植物。植物-沉積物微生物燃料電池研究火熱，潛力巨大，研究與應(yīng)用范圍不斷拓展，但目前仍存在發(fā)展瓶頸。主要是影響因素多、開(kāi)發(fā)成本高、產(chǎn)電效率低，缺少持續(xù)性與穩(wěn)定性，離實(shí)際應(yīng)用還有一定距離。SMFC的產(chǎn)電能力與污染物去除效率還很有限，主要是因?yàn)?(I)電極間距大，導(dǎo)致SMFC具有較大的內(nèi)阻；(2)懸有陰極的上覆水中氧氣的溶解度較低；(3)隨著時(shí)間的推移，微生物和化學(xué)物質(zhì)在陰極表面沉積；(4)陽(yáng)極和陰極較難固定。
[0008]通過(guò)構(gòu)建MFC系統(tǒng)對(duì)水體進(jìn)行修復(fù)以及SMFC系統(tǒng)對(duì)底質(zhì)修復(fù)的研究越來(lái)越多；但在SMFC的基礎(chǔ)上加上植物，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)底質(zhì)的修復(fù)和對(duì)廢水的處理卻鮮有研究；特別是在沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)中引入浮床植物，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)電過(guò)程對(duì)沉積物污染及上覆水污染的原位修復(fù)，國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)報(bào)道。本發(fā)明以黑臭河涌底泥為底質(zhì)構(gòu)建SMFC，然后引入浮床植物，種植于上覆水體中，構(gòu)成浮床植物-沉積物微生物燃料電池(P-SMFC)。結(jié)合浮床植物的根系分泌特征，其根系分泌物為根際微生物提供養(yǎng)料；同時(shí)根系徑向泌氧使得根際區(qū)形成很多好氧區(qū)，植物根區(qū)分泌的氧氣可擴(kuò)散至SMFC陰極，增加陰極區(qū)溶解氧濃度，提高SMFC對(duì)沉積物污染及上覆水污染的修復(fù)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0009]本發(fā)明的目的是提供一種浮生植物耦合沉積物微生物燃料電池的水質(zhì)凈化方法，其產(chǎn)電能力強(qiáng)，懸有陰極的上覆水體中氧氣的溶解度大大提高，提高了 SMFC對(duì)沉積物污染及上覆水體污染的修復(fù)性能。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0011]—種浮床植物耦合沉積物微生物燃料電池的水質(zhì)凈化方法，將生態(tài)浮島與微生物燃料電池相結(jié)合，其中，生態(tài)浮島是將浮床植物利用浮體種植于以黑臭河涌底泥或城市污泥為底質(zhì)的受污染的上覆水中。
[0012]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述浮床植物主要包括風(fēng)車(chē)草、美人蕉、元寶草等，將其與浮體、種植藍(lán)首先構(gòu)成生態(tài)浮島，置于上覆水中。
[0013]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，微生物燃料電池由炭氈陽(yáng)極、石墨盤(pán)陰極及連接導(dǎo)線(xiàn)組成，并與一變阻箱連接形成閉合回路。
[0014]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述炭氈陽(yáng)極由兩片活性碳纖維氈和一片銅箔組成，將銅箔平鋪置于兩片碳?xì)种虚g，然后以納鞋底的方式將四根銅絲引向碳?xì)种醒耄瑢⒅赜龊蟮你~絲扭成一股，形成連接陽(yáng)極的導(dǎo)線(xiàn)。
[0015]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述上覆水為含有一定鹽度的水，河涌底泥為受污染黑臭河涌底泥并拌入一定量的沼渣。
[0016]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，連接陰極石墨盤(pán)的導(dǎo)線(xiàn)將從石墨盤(pán)中央穿出。
[0017]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述炭氈陽(yáng)極置于底泥表層