CN103611723A

CN103611723A - 微生物燃料电池强化堆肥修复石油污染土壤的方法和装置

Info

Publication number: CN103611723A
Application number: CN201310688179.XA
Authority: CN
Inventors: 卢宏玮; 杜鹏; 何理; 任丽霞
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2033-12-16
Also published as: CN103611723B

Abstract

一种微生物燃料电池强化堆肥修复石油污染土壤的方法和装置属于环境保护领域。将厨余垃圾破碎处理后与碎稻壳、真姬菌培养料、米糠按比例混合，自然发酵得到堆肥产物；将堆肥产物与受石油污染的土壤混合，放置在堆肥槽中，并布置微生物燃料电池，在自然环境条件下进行堆肥处理。堆肥槽的中央布设微生物燃料电池阳极，两侧壁布设阴极；阳极和阴极之间接入外接电阻，构成闭合回路。通过微生物燃料电池进行强化，能够加快石油污染物的降解，缩短污染土壤的处理时间，而且能够促进微生物对堆肥处理后期低浓度石油烃的降解，用堆肥产物接种污染土壤，不仅能够降解石油污染物中的烷烃类和多环芳烃，而且可以消除堆肥过程中产生的恶臭。

Description

微生物燃料电池强化堆肥修复石油污染土壤的方法和装置

技术领域

本发明属于环境保护领域，特别涉及一种微生物燃料电池强化堆肥修复石油污染土壤的方法和装置。

背景技术

石油是当今世界的主要能源，随着人类社会经济的繁荣和发展，世界各国对石油的需求也在不断增加。然而，由于技术和管理的缺陷，石油勘探与开采、储存、运输、炼制、加工及其使用的过程中石油及其石油制品的泄漏或溢出会造成严重的环境污染。石油进入土壤后会引起土壤理化性质的变化，堵塞土壤孔隙，改变土壤有机质的组成和机构，引起土壤有机质的碳氮比和碳磷比的变化，导致土壤微生物群落、微生物区系的变化，对农作物生长造成不良影响，特别是石油中的多环芳烃，不仅可以通过呼吸、皮肤接触等方式进入人和动物体内，影响其肝、肾等器官的正常功能，甚至引起癌变，而且能够长期蓄积在土壤中，并通过食物链危害人类及动物健康，同时，土壤中的石油类的不断转移，还会造成地下水的污染，使危害不断扩大。

石油土壤污染的自然修复过程周期长，效率低，为了降低石油土壤污染的危害，许多发达国家已经制定了相关土壤修复计划，探索有效的修复技术，如高效安全低成本地修复石油污染土壤已经成为环境领域的重要课题之一。

与其他修复技术相比，微生物修复技术具有成本低，不破坏植物生长所需要的土壤环境，污染物氧化安全，无二次污染，处理效果好，操作简单等特点，因此一直是近年来生物石油污染修复技术研究的重点。但由于石油污染土壤中的营养严重失调，本土微生物不足，所以，在微生物石油污染土壤修复过程中存在着污染物降解速率低，土壤修复周期长，多环芳烃类污染物难以降解等缺点。

堆肥化是一种受控的生物降解和转化过程，是利用土壤或废物中存在的细菌、酵母菌、真菌和放线菌等微生物将土壤或废物中的有机物转化为肥料的过程，在堆肥系统中含有种类繁多的微生物，不仅能降解的各种有机污染物，而且能够对废物进行资源还利用，是一种节能环保的微生物处理技术，但堆肥对低浓度的污染物处理效果较差，且堆肥处理过程中常常伴有恶臭产生。微生物燃料电池是利用微生物为催化剂，将有机物的化学能转化为电能的装置，微生物燃料电池不仅能够利用有机物产电，加速有机物的降解，并且对低浓度污染环境有很好的处理效果。因此，将微生物燃料电池应用于强化堆肥处理受石油烃污染土壤修复中，能够加速修复处理过程，提过修复效果。

发明内容

本发明提供一种微生物燃料电池强化堆肥修复石油污染土壤的方法和装置，利用厨余垃圾改善土壤性质，用菌丝生长良好真姬菇培养基料作为菌种接种微生物，制作中度发酵的堆肥产物，并将其与受石油污染土壤按照一定比例混合均匀，然后，将预处理过的土壤放入内置微生物燃料电池的堆肥装置中，进而修复受石油烃污染的土壤。

本发明提供的微生物燃料电池强化堆肥修复石油污染土壤的方法的具体步骤为：

（1）对待处理的污染场地进行场地调查，获取污染场地的面积，受污染土壤深度，污染物种类、物理化学性质数据，从而确定受污染土壤的体积和污染程度；

（2）将厨余垃圾破碎处理后与碎稻壳、真姬菌培养料、米糠按照（100～120）：（100～120）：（20～54）：（3～4）的质量比混合均匀，将混合物的含水量调至60%±2%，pH调至6.5～7.5之间，堆置成圆锥形，自然环境下发酵20-25天，得到中度熟化的堆肥产物；

（3）将堆肥产物按3.5%～4%的质量比与受石油污染的土壤混合，将混合均匀的土壤的含水量调至45%±2%，pH调至6.5～7.5之间；

（4）将预处理的土壤放置在堆肥槽中，并在土壤中布置微生物燃料电池；

（5）启动生物燃料电池，在自然环境条件下进行堆肥处理；

（6）监测土壤中石油烃的含量，将达到修复效果土壤回填。

所述步骤（2）中厨余垃圾为餐馆、家庭产生的包括剩菜、剩饭、菜叶、花瓣、果皮、茶渣在内的残留物，破碎后粒径不大于5mm；所述碎稻壳的粒径不大于10目。

所述步骤（2）中真姬菌培养料为菌丝生长良好的瓶装或袋装的培养料，培养料配方为常规配方。

本发明提供的微生物燃料电池强化堆肥修复石油污染土壤的装置，其结构为：该装置的外壁用塑料或不锈钢板制作，并且均匀分布有圆孔，装置中央布设微生物燃料电池阳极，两侧壁布设微生物燃料电池阴极；微生物燃料电池的阳极和阴极之间接入外接电阻，构成闭合回路；

所述微生物燃料电池的阳极为经异丙醇溶液浸泡24小时，空气中晾干后在450℃高温下热处理30min的碳毡或碳纤维布；

所述微生物燃料电池的阴极由外向内依次为保护层、扩散层、碳基层、阴极膜电极以及催化层；

其中，所述阴极膜电极的材料为碳布或碳毡；

所述碳基层为导电碳黑、60%聚四氟乙烯乳液（60%PTFE）、异丙醇的混合物，三种物质的质量比为70：（41～43）：（31～32），将混合物混合均匀后均匀涂于碳布或碳毡阴极上作为碳基层，涂抹量为1.588～1.604kg/m²，室温干燥两个小时后在程控式烘箱中370℃下加热30min；

所述扩散层为四层60%PTFE，涂抹量为0.025kg/m²，涂抹于碳基层上，每涂一层在烘箱中370℃下加热30min；

所述保护层为PTFE板，其上布设与外壁位置和大小相对应的圆孔；

所述催化层为超级电容器活性炭、导电碳黑、10%PTFE、异丙醇、蒸馏水的混合物，五种物质的比例为180：7：（498～503）：157：200，涂抹量为1.158～1.163kg/m²，涂抹后在370℃下加热30min。

所述装置的外壁均匀布置直径为0.3cm的圆孔，圆孔间距为0.5cm。

所述外接电阻为1000Ω。

本发明的优点是：

采用厨余垃圾为土壤改善剂，能够资源化利用对固体废物，减轻固体废物处理负担。用中度熟化的堆肥产物接种污染土壤，不仅能够降解石油污染物中的烷烃类和多环芳烃，而且可以消除堆肥过程中产生的恶臭。通过微生物燃料电池进行强化，能够有效加快石油污染物的降解，缩短污染土壤的处理时间，而且能够促进微生物对堆肥处理后期低浓度石油烃的降解，采用超级电容器活性炭代替铂碳作为催化剂大大降低阴极制作成本。

附图说明

图1为本发明提供的微生物燃料电池强化堆肥修复石油污染土壤的装置的结构示意图；

图2为微生物燃料电池阴极的结构示意图。

图中标号：

1-阳极；2-阴极；3-催化层；4-碳基层；5-保护层；6-阴极膜电极；7-扩散层；8-外接电阻；9-圆孔；10-预处理后的土壤；11-外壁

具体实施方式

本发明提供了一种微生物燃料电池强化堆肥修复石油污染土壤的方法和装置，下面结合附图和具体实施方式对发明做进一步说明。

如图1和图2所示，微生物燃料电池强化的堆肥修复石油污染土壤的装置的结构为：该装置的外壁11用塑料或不锈钢板制作，并且均匀分布有直径为0.3cm圆孔9，圆孔间距为0.5cm；装置中央布设微生物燃料电池的阳极1，两侧壁布设微生物燃料电池的阴极2；微生物燃料电池的阳极1和阴极2之间接入1000Ω的外接电阻8，构成闭合回路。

微生物燃料电池的阳极1为在450℃下处理30min的碳毡或碳纤维布。

微生物燃料电池的阴极2由外向内依次为保护层5、扩散层7、碳基层4、阴极膜电极6以及催化层3；

其中，阴极膜电极6的材料为碳布或碳毡；

碳基层4为导电碳黑、60%PTFE、异丙醇的混合物，三种物质的质量比为70：（41～43）：（31～32），将混合物混合均匀后均匀涂于碳布或碳毡阴极上作为碳基层，涂抹量为1.588～1.604kg/m²，室温干燥两个小时后在程控式烘箱中370℃下加热30min；

扩散层7为四层60%PTFE，涂抹量为0.025kg/m²，涂抹于碳基层4上，每涂一层在烘箱中370℃下加热30min；

保护层5为PTFE板，其上布设与外壁11位置和大小相对应的圆孔；

催化层3为超级电容器活性炭、导电碳黑、10%PTFE、异丙醇、蒸馏水的混合物，五种物质的比例为180：7：（498～503）：157：200，涂抹量为1.158～1.163kg/m²，涂抹后在370℃下加热30min。

一种微生物燃料电池强化堆肥修复石油污染土壤的方法，其具体步骤如下：

（3）将堆肥产物按3.8%的质量比与受石油污染的土壤混合，将混合均匀的土壤的含水量调至45%±2%，pH调至6.5～7.5之间；

（5）启动生物燃料电池，在自然环境条件下进行堆肥处理；

（6）监测土壤中石油烃的含量，将达到修复效果土壤回填。

实施例1：

本实验采用的堆肥装置尺寸为2000mm×1000mm×500mm，其外壁用10mm厚的不锈钢板焊接而成，两侧壁布均匀有直径3mm的圆孔，孔间距为5mm。微生物燃料电池阳极采用5mm厚碳毡，尺寸为1500mm×500mm，使用前先在异丙醇溶液中浸泡24小时，空气中晾干后在程控式烘箱中450℃高温下热处理30min，按照附图设置于堆肥装置中，阴极下边距离堆肥装置底部越100mm，阳极上边距离土壤表面越200mm。微生物燃料电池阴极采用5mm碳毡，尺寸为2000mm×1000m，用Vulcan XC-72导电炭黑、60%TPFE、异丙醇按照70：42：31的质量比混合均匀涂抹在阴极碳毡上作为碳基层，涂抹量为1.6kg/m²，室温干燥两个小时后在程控式烘箱中370℃下加热30min。在碳基层上均匀涂抹四层60%PTFE作为扩散层，涂抹量为0.025kg/m²，每涂一层在烘箱中370℃下加热30min。将SY-AI超级电容器活性炭、Vulcan XC-72导电炭黑、10%PTFE、异丙醇、蒸馏水按质量比180：7：500：157：200的质量比混合，均匀涂抹于碳毡阴极的另一侧作为催化层。用3mm厚的PTFE板作为保护层，尺寸为2000mm×1000mm，PTFE板上布有0.3mm圆孔，空间距离为0.5mm。用环氧树脂将制作好的阴极部分与保护层粘结密封在一起垫在堆肥槽两侧作为空气阴极部分。用铜线将两侧阴极链接，在两极之间接入1000Ω的电阻，在15～30℃室温条件下堆肥处理。

从餐馆取120kg厨余垃圾，将其破碎为直径不大于5mm后，与120kg破碎后粒径不大于10目的碎谷壳、54kg生长良好的真姬菇培养料、4kg米糠均匀混合，调节混合物的含水量至45%±1%，pH调至6.5～7.5之间，堆置成锥形，在自然环境下发酵20-25天，得到中度熟化的发酵产物。从某炼油厂取2000kg受石油污染的表层土壤，土壤质地分级为粘土，土壤中总石油烃浓度为1523ppm。将污染土壤与中度熟化的发酵产物按照3.8%的质量比混合，混合物的总石油烃的浓度为2348ppm，混合后堆放在堆肥装置中。本实验分两组进行，一组启动微生物燃料电池，另一座不启动微生物燃料电池，定期测定电阻两端电压，待电压降低至5mV时修复结束。处理30天后，经分析可知启动微生物燃料电池的总石油烃的去除率为53.8%，与不启动微生物电池的装置对比总石油烃的去除效率提高14.3%，处理60天后，总石油烃的去除率为86.6%，效率提高23.5%，对电阻两端电压监测结果表明，15天左右，电池两端获得稳定的电压输出，稳定电压为0.45±0.03V，当电阻两端电压降至5mV时，土壤中总石油烃降解率达到95.8%。堆肥处理过程中对装置周边进行气味监测，结果表明处理过程并无恶臭产生。

实施例2

土壤的含水率不仅影响堆肥处理效果，而且影响微生物燃料电池的强化性能。为了考察不同含水率对本发明处理效果的影响，设计四组平行试验，每组设计三个平行试验，试验装置与实例1相同，预处理后的土壤含水率分别调至35%、42%、49%、56%，定期测定电阻两端的电压。经过60天处理，分析得总石油烃的去除率先随土壤含水率的增加而增加，当含水率大于49%后，去除率趋于稳定。对微生物燃料电池电阻两端的电压监测结果表明，微生物燃料电池输出电量，随着土壤含水率的提高逐渐增加。

Claims

1.微生物燃料电池强化堆肥修复石油污染土壤的方法，其特征在于，具体步骤为：

（5）启动生物燃料电池，在自然环境条件下进行堆肥处理；

（6）监测土壤中石油烃的含量，将达到修复效果土壤回填。

2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池强化堆肥修复石油污染土壤的方法，其特征在于，所述步骤（2）中厨余垃圾为餐馆、家庭产生的包括剩菜、剩饭、菜叶、花瓣、果皮、茶渣在内的残留物，破碎后粒径不大于5mm；所述碎稻壳的粒径不大于10目。

3.根据权利要求1所述的微生物燃料电池强化堆肥修复石油污染土壤的方法，其特征在于，所述步骤（2）中真姬菌培养料为菌丝生长良好的瓶装或袋装的培养料，培养料配方为常规配方。

4.微生物燃料电池强化堆肥修复石油污染土壤的装置，其特征在于，该装置的外壁用塑料或不锈钢板制作，并且均匀分布有圆孔，装置中央布设微生物燃料电池阳极，两侧壁布设微生物燃料电池阴极；微生物燃料电池的阳极和阴极之间接入外接电阻，构成闭合回路；

所述微生物燃料电池的阳极为经异丙醇溶液浸泡24小时，空气晾干后在450℃高温下热处理30min的碳毡或碳纤维布；

其中，所述阴极膜电极的材料为碳布或碳毡；

所述碳基层为导电碳黑、60%PTFE、异丙醇的混合物，三种物质的质量比为70：（41～43）：（31～32），将混合物混合均匀后均匀涂于碳布或碳毡阴极上作为碳基层，涂抹量为1.588～1.604kg/m²；

所述扩散层为四层60%PTFE，涂抹量为0.025kg/m²，涂抹于碳基层上；

所述催化层为超级电容器活性炭、导电碳黑、10%PTFE、异丙醇、蒸馏水的混合物，五种物质的比例为180：7：（498～503）：157：200，涂抹量为1.158～1.163kg/m²。

5.根据权利要求4所述的微生物燃料电池强化堆肥修复石油污染土壤的装置，其特征在于，所述装置的外壁均匀布置直径为0.3cm的圆孔，圆孔间距为0.5cm。

6.根据权利要求4所述的微生物燃料电池强化堆肥修复石油污染土壤的装置，其特征在于，所述外接电阻为1000Ω。