CN104174646A - 采用微生物燃料电池净化农药类难降解有机污染土壤的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用微生物燃料电池净化农药类难降解有机污染土壤的系统及方法，其中所述系统包括：分别位于待处理土壤层两侧的阳极层（4）和阴极层（5），位于所述阳极层中的阳极导电材料（3）和位于阴极层中的阴极导电材料（6），连接所述阳极导电材料和阴极导电材料的导线，以及连接于导线上的外接电阻（1）。本发明能够在不破坏土壤结构的情况下，实现农药类难降解有机污染在土壤中高效地降解。
Description
技术领域
本发明属于环境工程领域，尤其是一种基于微生物染料电池处理被农药污染的土壤的方法及系统。
背景技术
自然环境中的水体、土壤等介质具备污染物“净化”效能，可以降解部分有毒害污染物质，但仍有某些有机物基本不能被微生物降解，抑或是降解所需时间极长，已不能够控制其产生的环境风险，如有机氯农药、有机磷农药、氨基甲酸酯农药和除草剂等。上述物质具有持久残留性、生物富集性、半挥发性和高毒性等特点。由于其辛醇—水分配系数高，因而易于从水相分配到生物体内而在生物脂肪中积聚，并进一步经食物链富集、浓缩并传递，尤其在其迁移、转化过程当中，生物富集功能可能使其浓度大小提升数倍甚至上百倍，进而对人体和整个生态系统构成危害。
现有的修复技术可分为物理、化学修复，生物修复和化学淋洗这三类修复方法。物理/化学修复主要包括原位空气注射法、淋洗技术、浸提技术、萃取技术、化学氧化技术及电动力学修复技术等。这些方法不但费用高昂，难以应用于大规模污染土壤的处理，同时易破坏土壤结构，导致土壤承载力、生物活力降低及土壤肥力减退等状况的产生。例如，在化学淋洗过程中需要使用大量的淋洗剂，而药剂的成本也是影响化学淋洗技术成本的重要因素，淋洗液后处理不当容易造成二次污染。
生物修复分为植物修复、动物修复和微生物修复，其中主要以植物修复和微生物修复为主。这种方法除了在费用和操作方面具有优势之外，最大的特点就是不破坏土壤结构且没有二次污染的可能。
但是，现有的微生物修复技术难以适用于高浓度的OCPs污染场地的修复。
发明内容
发明目的：一个目的是提供一种采用微生物燃料电池净化农药类难降解有机污染土壤的方法，本发明进一步的目的是提供一种实现上述方法的系统。
技术方案：一种采用微生物燃料电池净化农药类难降解有机污染土壤的系统，包括：分别位于待处理土壤层两侧的阳极层和阴极层，位于所述阳极层中的阳极导电材料和位于阴极层中的阴极导电材料，连接所述阳极导电材料和阴极导电材料的导线，以及连接于导线上的外接电阻。
在进一步的实施例中，还包括位于系统下方的缓冲土层。所述阳极导电材料包括颗粒活性炭、不锈钢材质、碳布、石墨颗粒和石墨毡。所述阴极导电材料包括颗粒活性炭、不锈钢材质、碳布、石墨颗粒和石墨毡。所述导线为钛导线或铜导线。
一种采用微生物燃料电池净化农药类难降解有机污染土壤的方法，包括如下步骤：
步骤一、在待处理的土壤中接种厌氧污泥，添加处理液；
步骤二、建立上文所述的采用微生物燃料电池净化农药类难降解有机污染土壤的系统。
在进一步的实施例中，所述厌氧污泥和目标土壤的质量比为1：10。所述处理液的配比为：NH4Cl 310 mg/L； MgSO4·7H2O 200 mg/L；KCl 130 mg/L；CaCl2 15 mg/L；NaH2PO4 4970 mg/L； FeCl3·6H2O 1 mg/L；Na2HPO4 2750 mg/L ；MnSO4·H2O 28 mg/L；(NH4)2SO4 560 mg/L；CoC12·6H2O 0.24mg/L；Na2MO4·2H2O 0.04mg/L。
有益效果：本发明能够在不破坏土壤结构的情况下，实现农药类难降解有机污染在土壤中高效地降解。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明土壤中建立微生物燃料电池净化难降解有机污染物的系统从下至上分布有缓冲土层，阳极层4，待处理土壤层2，阴极层5。其中阳极层和阴极层中分别设置阳极导电材料3和阴极导电材料6，例如，埋钛丝网或碳布等增强导电性，分别由导线导出与外接电阻1连接。在土壤中建立的土壤MFC对有机物的去除有良好的促进作用，土壤中的有机物被接种厌氧污泥中的大量微生物降解。
目标土壤处于严格的厌氧环境中，附着微生物的厌氧消化过程，土壤中的有机物被去除。此时接种厌氧污泥中产电菌的活性促成电流的产生，促进了有机物尤其是难降解有机物的降解。活性炭层构成MFC 的阳极，顶层导电材料层构成MFC 的阴极，阳极富集的产电菌降解有机物产生质子和电子，电子被导出产电菌胞外，经电极和外接电路导至阴极，质子随反应器内溶液至阴极，在氧气的参与下，发生电极反应生成水，完成了产电功能的全过程。
为进一步提高系统去除难降解有机物的效能和产电效能，所述阳极层导电材料可以是颗粒活性炭、不锈钢材质、碳布、石墨颗粒、石墨毡等，阴极导电材料层的导电材料采用颗粒活性炭、不锈钢材质、碳布、石墨颗粒或石墨毡等。所述的连接导线，优选为钛导线，也可以选用同材质导线，并进行连接点的绝缘密封处理。待处理土壤层中，目标土壤均需要接种厌氧污泥。厌氧污泥和目标土壤的质量比为1：10。整个土层厚度10~15厘米，处理方法开始之前和进行中需要添加营养液。
本实施例的土壤MFC处理技术运行原理是这样的：
微生物燃料电池中产电菌的活性促成电流的产生，促进了有机物尤其是难降解有机污染物的降解。活性炭等导电材料构成MFC 的阳极，顶层导电材料层构成MFC 的空气阴极，阳极富集的产电菌降解有机物产生质子和电子，电子被导出产电菌胞外，经电极和外接电路导至阴极，质子扩散至阴极，在氧气的参与下，发生电极反应生成水，同时形成回路并产生电流。
回路中电流的产生强化了有机物电子的供给，促进了有机物的降解。整个系统的协同作用，加强了系统中的物质与能量流通，促进了其净化效能，也强化了产能效能。
案例一：
本实验装置装置材料采用玻璃圆柱，直径40mm（内径35mm）、高150mm，由下往上沿柱身分别为缓冲土层（高度为10mm）、土壤MFC活性炭阳极层（高度为15mm）、待处理土层（高度为100mm）、土壤MFC空气阴极活性炭层（高度为15mm）。土壤MFC的阴阳极电极材料均为活性炭（粒径为3-5mm，比表面积为500-900m2/g）。反应器总容积为140mL，土壤总质量为130g（干重），活性炭总质量为20g（干重）。
在处理之前和进行中需要添加营养液。营养液配比如下：
营养物质配比
| 成分 | 浓度(mg/L) | 成分 | 浓度(mg/L) |
| NH4Cl | 310 | MgSO4·7H2O | 200 |
| KCl | 130 | CaCl2 | 15 |
| NaH2PO4 | 4970 | FeCl3·6H2O | 1 |
| Na2HPO4 | 2750 | MnSO4·H2O | 28 |
| (NH4)2SO4 | 560 | CoC12·6H2O | 0.24 |
建立三组不同的实验装置，其中第一组为实验系，阴阳极内包埋长30mm宽10mm的碳布并连接钛导线引出连接恒定电阻10Ω形成闭合回路；第二组与第一组实验装置相同，而阴阳极导线不连接，形成开路对照系。第一组和第二组土壤中均匀混入12mL经培养的某城市污水处理厂浓缩厌氧污泥（MLSS为50g/L）用以接种微生物。第三组与第二组在构造上相同，但不添加厌氧污泥，形成开路不接种对照系。各组按土壤中HCB浓度为40mg/kg称取一定量的HCB，配置成1000mg/L的丙酮溶液混入总土量10%的土中，实验开始添加45mL溶有乙酸钠的的营养液，当土壤MFC电压低至100mV时添加10mL营养液，实验在30度的恒温箱中进行。处理56天后，第一，第二，第三组中平均HCB浓度分别由起始浓度的35.53 mg/kg，35.53 mg/kg，35.40 mg/kg下降至9.96mg/kg（干重），16.41mg/kg，21.01mg/kg，实验组比空白对照组HCB去除率高出32.22%。实验开始7天以后，电池两端获得持续的电压输出，电压为0.25±0.1V。
案例二：
土壤MFC不同的外接电阻值，会影响微生物燃料电池的产电性能，同时影响土壤MFC对HCB去除率。设计三组平行试验，试验装置与实例1相同。当外接电阻依次为1000Ω，510Ω和10Ω时，每组实验4个产电周期内的最大电流的平均值是分别为0.28mA，0.39mA，0.41mA。同时， HCB的去除率分别为61.18%，67.82%，71.15 %。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (8)
1.一种采用微生物燃料电池净化农药类难降解有机污染土壤的系统，其特征在于，包括：
分别位于待处理土壤层两侧的阳极层（4）和阴极层（5），位于所述阳极层中的阳极导电材料（3）和位于阴极层中的阴极导电材料（6），连接所述阳极导电材料和阴极导电材料的导线，以及连接于导线上的外接电阻（1）。
2.如权利要求1所述的采用微生物燃料电池净化农药类难降解有机污染土壤的系统，其特征在于，还包括位于系统下方的缓冲土层。
3.如权利要求1所述的采用微生物燃料电池净化农药类难降解有机污染土壤的系统，其特征在于，所述阳极导电材料包括颗粒活性炭、不锈钢材质、碳布、石墨颗粒和石墨毡。
4.如权利要求1所述的采用微生物燃料电池净化农药类难降解有机污染土壤的系统，其特征在于，所述阴极导电材料包括颗粒活性炭、不锈钢材质、碳布、石墨颗粒和石墨毡。
5.如权利要求1所述的采用微生物燃料电池净化农药类难降解有机污染土壤的系统，其特征在于，所述导线为钛导线或铜导线。
6. 一种采用微生物燃料电池净化农药类难降解有机污染土壤的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、在待处理的土壤中接种厌氧污泥，添加处理液；
步骤二、建立权利要求1所述的采用微生物燃料电池净化农药类难降解有机污染土壤的系统。
7.如权利要求6所述的采用微生物燃料电池净化农药类难降解有机污染土壤的方法，其特征在于，所述厌氧污泥和目标土壤的质量比为1：10。
8.如权利要求6所述的采用微生物燃料电池净化农药类难降解有机污染土壤的方法，其特征在于，所述处理液的配比为：
NH4Cl 310 mg/L；
MgSO4·7H2O 200 mg/L；
KCl 130 mg/L；
CaCl2 15 mg/L；
NaH2PO4 4970 mg/L；
FeCl3·6H2O 1 mg/L；
Na2HPO4 2750 mg/L ；
MnSO4·H2O 28 mg/L；
(NH4)2SO4 560 mg/L；
CoC12·6H2O 0.24mg/L；
Na2MO4·2H2O 0.04mg/L。
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