CN101841053B - 一种微生物燃料电池及其在去除自然沉积物中有机物的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种污染沉积物治理的修复技术，具体涉及一种微生物燃料电池及其在去除自然沉积物中的有机物的应用。本发明所述的微生物燃料电池包括MFC阴极、MFC阳极、导线和电阻，其中通过导线将阴极、阳极以及电阻串联起来形成一个回路；MFC阴极位于上层好氧的水相中，MFC阳极插于沉积物中。通过本发明所述的微生物燃料电池及其利用该微生物燃料电池去除自然沉积物中有机物的方法，沉积物中有机碳的去除率在20～30％左右，易氧化有机物去除率在25～35％左右。本发明具有结构简单，不需使用离子交换膜将阴阳两极隔开，电极不使用催化剂，不需要太多的维护、建造和运行成本低等优点。
Description
技术领域
本发明属于环境工程领域，具体涉及一种污染沉积物治理的修复技术，尤其涉及一种微生物燃料电池及其在去除自然沉积物中的有机物的应用。
背景技术
随着工农业生产的快速发展和人民群众生活水平的日益提高，大量的有毒有机污染物通过工业废水和生活污水的直接排放以及农用化学品的土壤渗漏、地表径流和大气沉降进入到水体中。这些由于有毒有机污染物脂溶分配系数大、溶解性小、易于和矿物质、有机质结合，使其长久蓄积于沉积物中。这些有毒有机污染物主要为多环芳烃(PAHs)、多氯联苯(PCBs)和有机氯农药(OCPs)，它们不但对水生生态系统带来长远危害，并且通过食物链的传递对人类健康造成严重影响。美国EPA在1998年的调查报告中指出，美国已发生2100起事件声称鱼类消费中的问题，多次证实污染来自底泥。在中国，也已发现并证实了水体底泥具有生物毒性，如太湖梅梁湾、乐安江段沉积物均显示出毒性。因此，污染沉积物的治理已刻不容缓，势在必行。
目前，根据污染沉积物治理的修复技术的作用机理不同，可分为物理修复、化学修复和生物修复3大类技术方法。物理修复虽然见效快，但是工程量大、耗财耗力，而且通过物理修复难以使沉积物达到要求的标准，不是最理想的沉积物修复方法；沉积物化学修复主要是在通过在已污染的沉积物表层加入化学试剂，使沉积物中的污染物得到转化(无害化)或固化，从而减少污染沉积物的环境影响的治理措施，这种方法的最大缺陷是对水生生态系统存在潜在的威胁，因此一般只用于应急措施；与物理和化学修复方法相比，生物修复方法具有节省费用、不破坏原有生态、去污效率高等优点，因此在过去30年中就已得到较快发展。
沉积物生物修复可以分为原位生物修复和异位生物修复。异位生物修复需要将受污染的沉积物搬运到其他场所再进行集中的生物修复，成本高昂；原位生物修复不需疏浚而直接对底泥进行处理，这样既可节省大量的疏浚费用，又能减少疏浚带来的环境干扰，因而是理想的污染沉积物治理方法。对于本发明所涉及的对象——有机污染物沉积物而言，让微生物在原地直接分解是比较理想的办法。虽然经过纯培养，发现有些微生物能较大程度分解PAHs、PCBs等有机物，但要制成在原位能活跃分解有机物的产品，目前的效果还不理想。原位处理需要投加具有高效降解作用的微生物和营养物，有时还需投加电子受体或供氧剂，但外加的微生物或其它物质易受水力条件及土著微生物等因素的强烈影响，难以达到预期的效果。
微生物燃料电池(MFC)是利用电化学技术将微生物代谢能转化为电能的一种装置。其最早由英国植物学家Potter于1911年提出，此后在空间科学研究领域取得较大研究进展，到20世纪90年代起，利用微生物发电的技术出现了较大突破，特别是Logan等研发的以市政及工业污水为底物的MFC，可以在对污水进行生物处理的同时获得电能，不仅会降低污水处理厂的运行费用，而且有望实现废物资源化。但现有技术对MFC的研究多注重从污水/废水中获取电能的技术研发，而对于其用于自然水体的修复方案未见报道。
发明内容
针对现有技术的不足和缺陷，本发明的技术目的在于提供一种用于去除自然沉积物中有机物的生物原位修复技术产品，使得利用该产品来原位修复自然沉积物中的有机污染物，可以相对于传统的原位生物修复技术而言，不需要投加电子受体或供氧剂，并可以在氧化有机物的同时产生一定的电能，使得所发明提供的该技术具有可移动、原位修复效率高、运行过程低能耗并能产生能源的特点，应用前景广泛。
为实现本发明的技术目的，本发明的技术方案如下：
一种微生物燃料电池，包括MFC阴极、MFC阳极、导线和电阻，其中通过导线将阴极、阳极以及电阻串联起来形成一个回路。
本发明所述的微生物燃料电池还包括电极支架，MFC阴极和MFC阳极分别置于电极支架的两端；
本发明所述的阴极材料可以是不锈钢、石墨或者活性炭；
本发明所述的阳极材料可以是不锈钢或石墨；
本发明所述的导线是铜线或铂线；
本发明所述的电阻为可调电阻器；
本发明所述的电阻的电阻值为10欧姆～1000欧姆。
本发明所述的微生物燃料电池在去除自然沉积物中有机物的应用。
具体的应用方法为：
A、电极安装
将MFC阴极和MFC阳极分别固定于电极支架的两端后，将两电极及支架置于自然沉积物中，并分别将MFC阴极置于沉积物上层好氧的水相中，将MFC阳极置于沉积物中；
B、电路连接
将MFC阴极和MFC阳极和电阻用导线串联在一起形成一个回路；
C、去除自然沉积物中的有机物
启动微生物燃料电池，使得电池的工作电压保持0.1～0.6V，工作周期20～60天。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的原理在于(见附图2)：MFC阴极位于上层好氧的水相中，MFC阳极插于沉积物中，阴极和阳极之间通过导线相连接，并接有电阻。沉积物中有机物在阳极区附近厌氧微生物的催化作用下被氧化，产生的电子通过细胞膜传递到阳极，再经过外电路到达阴极，氢离子通过水-沉积物界面传递到阴极，悬浮在含溶解氧相对高的水中阴极接受电子，完成氧气的还原作用。在此过程中电极作为微生物的电子受体来传递氧化有机物过程中产生的电子，从而加速了沉积物中有机物的去除；
(2)本发明与现有技术的不同及优势在于：相比较传统的沉积物原位生物修复，其不需要投加电子受体或供氧剂，而是以电极作为电子受体，并可以在氧化有机物的同时产生一定的电能。因此具有可移动、原位修复效率高、运行过程能耗低并能产生能源的特点，应用前景广泛；
(3)本发明所述的微生物燃料电池结构简单，不需使用离子交换膜将阴阳两极隔开，电极不使用催化剂，不需要太多的维护、建造和运行成本低；
(4)通过本发明所述的微生物燃料电池及其利用该微生物燃料电池去除自然沉积物中有机物的方法，沉积物中总有机质的去除率在20～30％左右，易氧化有机物去除率在25～35％左右，效果十分明显。
附图说明
图1本发明的结构示意图
其中，1-MFC阴极；2-MFC阳极；3-电极支架；4-电阻；5-导线。
图2自然沉积物-微生物燃料电池工作原理
图3自然沉积物-微生物燃料电池在不同外电阻下运行2个月后，沉积物不同层中(0-1cm，1-2cm，2-3em相对于阳极)LOI(A)和ROOM(B)的去除效果
图4有机质消耗和电流的关系
图5阴极结构对于自然沉积物-微生物燃料电池输出电压的影响
图6阳极结构对于自然沉积物-微生物燃料电池输出电压的影响
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例说明本发明所述的微生物燃料电池的具体结构以及工作原理。
参照附图1，用于自然沉积物中有机物去除的微生物燃料电池组成包括MFC阴极1、MFC阳极2，其中MFC阴极1和MFC阳极2分别置于支架3的两端，其中MFC阳极2插入沉积物中，MFC阴极1是位于上层水体中。使用时，将微生物燃料电池的MFC阴极1和MFC阳极2，通过导线5和电阻4相连接。由于水中溶解氧浓度由浅至深，在MFC阳极2附近形成厌氧区，沉积物中含有多种厌氧细菌，可以将沉积物中的有机物分解，生成氢离子和电子，电子从MFC阳极2经导线5流向阴极，氢离子通过水体传递到MFC阴极1。在MFC阴极1附近属于有氧环境，氧气能和电子、氢离子生成水，在此过程中形成电流，沉积物中的有机物不断被氧化去除。并且MFC阴极1和MFC阳极2之间连接有电阻4，调节负载电阻，用于优化反应器对于有机物的去除效果。
实施例2
本实施例说明外电阻对于微生物燃料电池去除沉积物中有机物的影响。
为了比较本发明中外电阻对于沉积物中有机物的去除影响，设计了10个1L反应器，取400mL的江苏境内太湖中的沉积物置于反应器中，然后再加入500mL水，按实施例1所述的安装方法将石墨阴极(有效面积64cm2)和石墨阳极(有效面积64cm2)置入其中，并设置10欧姆、100欧姆、400欧姆、800欧姆、1000欧姆五个不同的外电阻，其中2个反应器作为一组平行。当MFC接好电阻后，经过8天左右的生长驯化后，电压增长迅速，其运行60天，并按0-1cm，1-2cm，2-3cm(离阳极的距离)分层取出沉积物和处理前的沉积物进行比较。
沉积物中有机质含量(LOI)和易氧化有机物含量(ROOM)。沉积物中总有机质(LOI)含量比较。有机质含量用灼烧损耗量(LOI＝((W105-W550)/W105)×100％)来计算，其中W105表示沉积物在105度下烘干过夜后的重量，W550表示沉积物在105度烘干后，在550度煅烧四小时后的重量；ROOM采用重铬酸钾法测定)。
图3显示了外电阻对于微生物燃料电池去除沉积物中有机质和易氧化有机物的影响。可看出，在100欧姆的时候，离阳极最近的地方(0-1cm)，其LOI和ROOM的去除率最高，分别达到了22.6±3.00％和28.3±1.93％。图4显示了有机质消耗和电流的关系。通过线性回归分析发现，ROOM和电流的线性相关性(R2＝0.976)要高于LOI和电流的线性相关性(R2＝0.908)。
实施例3
本实施例说明阴极结构对于微生物燃料电池修复沉积物中有机物的影响。
为了比较本发明中阴极结构对于微生物燃料电池修复沉积物中有机物的影响。分别设计了两种阴极C1和C2，C1为80目不锈钢网(有效面积64cm2)，C2为不锈钢网(有效面积64cm2)内填充一定质量的颗粒活性炭，其对应阳极都为不锈钢网(有效面积172cm2)，并作平行样C1’和C2’，采用实施例2的反应器大小及其沉积物。图5显示了这两种阴极结构对于微生物燃料电池的输出电压影响。由结果可看出，采用C2结构的微生物燃料电池可产生的最大电压为350mV，而采用C1结构的最大电压为120mV，说明阴极结构的改进会提高氧还原的速率，从而增大外电路的输出电压，并由图4的关系可知，电压的增大会有效的增加沉积物中有机质的去除。
实施例4
本实施例说明阳极结构对于微生物燃料电池修复沉积物中有机物的影响。
为了比较本发明中阳极结构对于微生物燃料电池修复沉积物中有机物的影响。分别设计了两种阳极A1和A2，其材料都为不锈钢网，A1的比表面积为64cm2，A2的比表面积为172cm2，其对应阳极都采用实施例3所述的C2阴极，并作平行样A1’和A2’，采用实施例2的反应器大小及其沉积物进行运行。正如图6所示，阳极比表面积的改变对于微生物燃料电池初期(0-8d)的电压影响不大，随着反应的进一步运行，在反应的后期(15-30d)可看出，采用A2结构的微生物燃料电池电压下降缓慢，而采用A1结构的微生物燃料电池电压急剧下降到80mV，说明比表面积大的阳极可以更好的提高其与沉积物中有机物的接触，从而提高去除效果。
Claims (1)
1.一种微生物燃料电池在去除自然沉积物中有机物的应用，其中微生物燃料电池，包括MFC阴极、MFC阳极、导线和电阻，其中通过导线将阴极、阳极以及电阻串联起来形成一个回路；其特征在于所述的具体的应用方法为：
A、电极安装
将MFC阴极和MFC阳极分别固定于电极支架的两端后，将两电极及支架置于自然沉积物中，并分别将MFC阴极置于沉积物上层好氧的水相中，将MFC阳极置于沉积物中；
B、电路连接
将MFC阴极和MFC阳极和电阻用导线串联在一起形成一个回路；
C、去除自然沉积物中的有机物
启动微生物燃料电池，使得电池的工作电压保持0.1～0.6V，工作周期20～60天。
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