CN103975788A - 一种用于土壤六价铬污染原位修复的微生物燃料电池盆栽及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于土壤六价铬污染原位修复的微生物燃料电池盆栽及方法，微生物燃料电池盆栽，包括花盆和种植于花盆中的植物，所述花盆的盆壁的结构从外到内依次为塑料网状膜层、石墨阴极层，玻璃纤维层和石墨阳极层；所述的石墨阴极层与石墨阳极层由导线连接至蓄电池，所述蓄电池连接光源；所述花盆内填充未污染土壤和活性污泥的混合物。本发明是一种利用微生物燃料电池(MFC)阴极还原的机理，对土壤进行原位修复的技术，MFC是一种将有机质能转化为电能的新技术，该MFC盆栽不仅可以通过阴极还原六价铬，还可以产生电能蓄电。

Description

一种用于土壤六价铬污染原位修复的微生物燃料电池盆栽及方法

技术领域

本发明涉及土壤微生物燃料电池技术，具体涉及一种用于土壤六价铬污染原位修复的微生物燃料电池盆栽。

背景技术

铬化合物会产生毒性作用，其中具有强氧化和透过体膜能力的六价铬毒性最强，是三价铬的100倍，对人体、生物和植被造成极大的毒害，导致皮肤癌，腺癌等疾病。

土壤中的铬污染更是由于其载体原因，导致其处理难度更大。现今的土壤六价铬污染可分为两类，下层轻度污染土壤，上层重度污染土壤。下层轻度污染土壤主要处理方法为生物修复，在污染土壤区域种植大量的适合当地环境的树木，草等进行生态修复，以改善土壤。

公开号为CN102652956A的中国发明专利申请文献公开了一种铬污染土壤原位淋洗处理方法，在需要淋洗处理的土壤区域周边安装多个地下水抽提井，通过地表洒水淋洗污染土壤，含六价铬的淋洗水进入地下水，通过地下水流场控制将含六价铬的地下水抽到地表进行水处理后再回用地表洒水淋洗。

公开号为CN102101123A的中国发明专利申请文献公开了一种重金属污染土壤原位修复方法，将亚微米或纳米铁、粉煤灰、含镁制剂和膨润土按照5～25∶40～50∶1～10∶15～50的重量比例均匀混合，得到重金属污染土壤修复药剂；在重金属污染土壤的表面施加1～4cm厚度的重金属污染土壤修复药剂后，将受污染土壤表层20cm厚的土壤与施加的修复药剂通过翻耕的方式混合均匀；经3～6个月，重金属污染土壤中的重金属镉、铬、汞、铅、砷、镍、锌、铜、锰和钒还原成低价固定化的重金属，失去其生物有效性。

而对于上层重度污染土壤则很难适用原位生态修复，现常规方法为将上层土壤整体移出进行萃取，直至土壤达到一般工业固体废物填埋的污染控制指标限制，然后送人填埋场处理，解毒液再进行另外处理。该方法需动用大量人力物力财力，需多重处理，工艺繁琐，且对当地环境产生大量影响。

例如，公开号为CN102941224A的中国发明专利申请文献公开了一种受污染土壤中六价铬的生物解毒方法，该方法是将受污染土壤通过土工膜封闭堆存，堆存土壤的初期湿度为60％-85％，封闭后不再补水，在该封闭系统中土壤会产生厌氧条件，产生沼气，微生物厌氧活动产生厌氧气氛，其中沼气中的硫化氢或沼气产生过程的有机酸会与土壤中的六价铬反应，将六价铬还原为三价铬，依靠污染物长期堆存后还原气体的均匀扩散与昼夜温差产生的水汽循环，使六价铬的全部还原并使土壤解毒。

发明内容

本发明提供了一种用于土壤六价铬污染原位修复的微生物燃料电池盆栽及方法，不仅可以通过阴极还原六价铬，还可以产生电能蓄电。

一种用于土壤六价铬污染原位修复的微生物燃料电池盆栽，包括花盆和种植于花盆中的植物，所述花盆的盆壁结构从外到内依次为塑料网状膜层、石墨阴极层，玻璃纤维层和石墨阳极层；所述石墨阴极层与石墨阳极层由导线连接至蓄电池，所述蓄电池连接光源；所述花盆内填充未污染土壤和活性污泥的混合物。

本发明是一种利用微生物燃料电池(MFC)阴极还原的机理，对土壤进行原位修复的技术，MFC是一种将有机质能转化为电能的新技术，该MFC盆栽不仅可以通过阴极还原六价铬，还可以产生电能蓄电。

作为优选，所述塑料网状膜层的材料为硬性的聚四氟乙烯；所述塑料网状膜层的孔径为1-10mm。进一步优选为5mm。

进一步优选，所述石墨阴极层可拆卸地设置在塑料网状膜层和玻璃纤维层之间。

盆栽外壁选用聚四氟乙烯材料的硬性外壳，可以减缓外壳在高含水土壤浸泡下的腐蚀速度，硬性外壳可以在石墨电极拿出后依旧保持盆栽形状。盆栽外壁的孔径控制为1-10mm，孔径过细，三价铬沉淀易堵塞孔径，孔径过粗导致外壳不稳，外部土壤易漏进盆栽阴极。

塑料硬性外壳防止盆栽被周围污染污染土壤挤压，网状膜相依靠的阴极取出后，整个反应器形状不变，然后可以把新电极放进去，便于修复过程中更换石墨阴极。

作为优选，所述花盆的直径为10-30cm。进一步优选为20cm。深度以适应所选植物的根系长度。直径过长对导致土壤有机质难以传递到阳极表面，直径过短导致盆栽阴极面太小，吸附六价铬效率较低，而且植物难以生长。

作为优选，所述花盆的底部为开放式。与底部其他污染土壤好接触，增强处理效果。

所述植物为根系发达的吸水性植物。可以加速清水流动至盆栽表面的速率。一般优选为香根草、地瓜等。

最优选地，采取上述各优选条件的组合，用于处理六价铬污染土壤时处理效果更好。

作为优选，电极材料选用做成矩形的板石墨，为提高性能，可选用相对昂贵的膨胀石墨或者在电极表面构造不规则纹路。

本发明还提供了一种利用所述微生物燃料电池盆栽进行土壤六价铬污染原位修复的方法，包括如下步骤：

花盆中种植吸水性植物，将若干个所述微生物燃料电池盆栽插入被六价铬污染的土壤中，在受污染土壤区域每天浇灌水，水量保证土壤湿透；

污染土壤中的六价铬和有机质随水流动相向微生物燃料电池盆栽靠拢，土壤中的六价铬在石墨阴极处被还原成三价铬，最后形成氢氧化铬沉淀在石墨阴极上，反应一段时间后，将石墨阴极取出，更换新的石墨阴极继续反应；取出的石墨阴极用酸洗净后再次利用；

反应过程中产生的电能储存在蓄电池中，在夜间为光源供电，作为夜间植物光源。

作为优选，相邻两个微生物燃料电池盆栽之间的间距为50-100cm。进一步优选为75cm。

作为优选，所述的石墨阴极更换周期为5～15d。

作为优选，花盆内未污染土壤和活性污泥的混合质量比为5：1～1：1。盆栽内的土壤选用未经污染的土壤与活性污泥混合，以提高土壤内的微生物含量，并且保证植物能够稳定生长。

作为优选，花盆内土壤每隔5～15d添加一次活性污泥。

作为优选，盆栽内浇的水选用碳酸水，碳酸水可以为植物提供大量二氧化碳，同时可以提高铬的流动性。

最优选地，采用上述优选条件的组合。

本发明的原理：

将多个MFC盆栽插入被污染土壤区域，每个盆栽彼此相距50-100cm，在盆栽中种植吸水性强，根系发达的植物，在受污染土壤区域每天浇灌大量碳酸水，水量保证土壤湿透，水在盆栽植物吸水作用下，不断向盆栽靠拢，土壤中的六价铬和有机质在水流动相作用下，亦同时向盆栽靠拢。植物在光合作用下，产生有机质并运输到根部，作为阳极电子供体，被阳极表面产电微生物降解，反应产生电子。

电子通过导线转移到外部石墨阴极，用来还原被吸附到盆栽附近的六价铬，形成三价铬，最后形成氢氧化铬沉淀在石墨阴极上。石墨电极外部有塑料硬性套柱，支撑盆栽不被外部土壤压迫，其中的石墨阴极可以直接取出。

反应经过一周后(具体反应时间视土壤铬含量而定，直至石墨电极表面有可见的青蓝物质)，将石墨阴极取出，更换新的石墨电极，使用后的石墨阴极在酸中浸泡，然后洗净再次利用。整个MFC体系产生的电能用于夜间植物光源，使得的植物能够日夜进行光合作用。由于阳极降解污染物和微生物的自我消耗，每隔一段时间向盆栽中未受污染的土壤添加活性污泥，为阳极反应提供足够的有机质和微生物。

本发明的有益效果：

1)本发明针对土壤表层高浓度六价铬去除，操作简单，无需管理，而且该方法是原位修复，不影响原生态环境。

2)本发明在土壤修复过程中无需任何耗能，且能通过MFC产生电能。

3)本发明是可作为一种景观盆栽，可用于美观受污染区域环境。

附图说明

图1装置内部示意图及运行原理图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种微生物燃料电池盆栽，包括花盆8、种植在花盆8中的植物1、蓄电池2和光源3。

花盆8的盆壁结构从外到内依次为塑料网状膜层4、石墨阴极层5，玻璃纤维层6和石墨阳极层7；塑料网薄膜层4塑料网状膜层4的材料为硬性的聚四氟乙烯；塑料网状膜层的孔径为1-10mm，石墨阴极层5在塑料网状膜层4和玻璃纤维层6之间为可拆卸连接，石墨阴极层能够从塑料网状膜层4和玻璃纤维层6之间抽出，石墨阳极层7粘结在玻璃纤维层6上。

石墨阴极层5与石墨阳极层7由导线连接蓄电池2，蓄电池2连接光源3，光源3在夜间为植物1提供光。

花盆8的直径为10-30cm，深度以适应所选植物的根系长度，花盆8的底部为可以采用封闭式，也可以采用开放式，本实施方式中采用开放式。原位处理污染土壤的方法如下：

将多个MFC盆栽插入被污染土壤区域，每个盆栽彼此相距50-100cm，在盆栽中种植吸水性强，根系发达的植物，在受污染土壤区域每天浇灌大量清水，清水量保证土壤湿透，清水在盆栽植物吸水作用下，不断向盆栽靠拢，土壤中的六价铬在清水流动相作用下，亦同时向盆栽靠拢。植物在光合作用下，产生有机质并运输到根部，作为阳极电子供体。电子通过导线转移到外部石墨阴极，用来还原被吸附到盆栽附近的六价铬，形成三价铬，最后形成氢氧化铬沉淀在石墨阴极上。反应经过一周后(具体反应时间视土壤铬含量而定，直至石墨电极表面有可见的青蓝物质)，将石墨阴极取出，更换新的石墨电极，使用后的石墨阴极在酸中浸泡，然后洗净再次利用。

该实施例中选用的植物为香根草，盆栽直径为30cm，盆栽间距为100cm，阳极采用表面粗糙的石墨板，阴极采用膨胀石墨。

该实施例中，污染土壤六价铬含量为1100mg/Kg，经过70天后六价铬含量降至310mg/kg，总铬降至330mg/kg，达到我国《土壤环境质量标准》GB15618—1995允许标准，经过140天，六价铬含量降至60mg/kg，总铬降至70mg/kg。

实施例2

该实施例中选用的植物为地瓜，盆栽直径为50cm，盆栽间距为50cm，阳极采用表面粗糙的石墨板，阴极采用表面刮擦后石墨板，其他同实施例1。

该实施例中，污染土壤六价铬含量为800mg/Kg，经过70天后六价铬含量降至207mg/kg，总铬降至250mg/kg，达到我国《土壤环境质量标准》GB15618—1995允许标准，经过140天，六价铬含量降至45mg/kg，总铬降至50mg/kg。

Claims (9)

1.一种用于土壤六价铬污染原位修复的微生物燃料电池盆栽，包括花盆和种植于花盆中的植物，其特征在于，所述花盆的盆壁结构从外到内依次为塑料网状膜层、石墨阴极层，玻璃纤维层和石墨阳极层；所述石墨阴极层与石墨阳极层由导线连接至蓄电池，所述蓄电池连接光源；所述花盆内填充未污染土壤和活性污泥的混合物。

2.根据权利要求1所述用于土壤六价铬污染原位修复的微生物燃料电池盆栽，其特征在于，所述塑料网状膜层的材料为硬性的聚四氟乙烯；所述塑料网状膜层的孔径为1-10mm。

3.根据权利要求2所述用于土壤六价铬污染原位修复的微生物燃料电池盆栽，其特征在于，所述石墨阴极层可拆卸地设置在塑料网状膜层和玻璃纤维层之间。

4.根据权利要求1所述用于土壤六价铬污染原位修复的微生物燃料电池盆栽，其特征在于，所述花盆的直径为10-30cm。

5.根据权利要求1所述用于土壤六价铬污染原位修复的微生物燃料电池盆栽，其特征在于，所述花盆的底部为开放式。

6.一种利用权利要求1～5所述微生物燃料电池盆栽进行土壤六价铬污染原位修复的方法，其特征在于，包括如下步骤：

花盆中种植吸水性植物，将若干个所述微生物燃料电池盆栽插入被六价铬污染的土壤中，在受污染土壤区域每天浇灌水，水量保证土壤湿透；

污染土壤中的六价铬和有机质随水流动相向微生物燃料电池盆栽靠拢，土壤中的六价铬在石墨阴极处被还原成三价铬，最后形成氢氧化铬沉淀在石墨阴极上，反应一段时间后，将石墨阴极取出，更换新的石墨阴极继续反应；取出的石墨阴极用酸洗净后再次利用；

反应过程中产生的电能储存在蓄电池中，在夜间为光源供电，作为夜间植物光源。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，相邻两个微生物燃料电池盆栽之间的间距为50-100cm。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的石墨阴极更换周期为5～15d。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，花盆内未污染土壤和活性污泥的混合质量比为5：1～1：1。