CN104829076A - 一种受污染水体中黑臭底泥资源化处理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微生物燃料电池及废弃生物处理技术领域，具体涉及一种受污染水体中黑臭底泥资源化处理的方法。以黑臭底泥、EM菌作为阳极底物，以河水或pH=7的磷酸盐缓冲液作为阴极电解液，石墨板或碳纤维布作为电极材料；外电路由铜导线和可变电阻连接而成；构建沉积型微生物燃料电池。该处理方法使受污染水体中的底泥黑臭问题得到了解决，产电能力方面也具有很大的提升空间。

Description

一种受污染水体中黑臭底泥资源化处理的方法
技术领域
本发明属于微生物燃料电池及废弃生物处理技术领域，具体涉及一种受污染水体中黑臭底泥资源化处理的方法。
背景技术
现在社会每年的能量需求十分巨大，而这些能量大部分来自于化石燃料的燃烧，主体为煤、石油和天然气，这些均是不可再生资源。目前，在这些资源中有很大一部分是用来发电，事实上这些资源发电的效率不到50%。如果人类继续大量使用这类燃料，在不久的将来随着这些燃料的储备不足，人类将面临严峻的能源短缺问题。因而，开发新能源是一件亟待解决的问题。
随着城市的发展，人们生活和生产产生的污染物越来越多，大量的污染物被排入城市水体，从而导致水体污染急剧增加，生态平衡遭到破坏，水体发黑发臭，城市水体出现大量黑臭底泥，破坏城市景观且其产生的气味严重影响人们的生活质量。黑臭底泥淤积，还致使鱼类等水生物死亡，破坏水体自净能力和生态系统的稳定。目前，黑臭底泥处理主要采取底泥清淤、底泥固化、引水冲淤，黑臭底泥处置主要为脱水填埋。这些方法处理成本高，同时占地面积大，随着全球范围内对城市环境保护问题的日益重视，这些治理方法也面临巨大的挑战。
在国内城市黑臭底泥治理部分已完工的项目中，其河床有的用混凝土浇铸而成，有的用石头、鹅卵石铺垫，此法虽可减少河水及土壤中的污染物渗入河体，但混凝土、石头以及鹅卵石无吸附污染物的能力、也不适宜于生物生长，削弱了水体的自净能力。大量污水涌向外河，加剧了水资源的污染，增加了饮用水的治污成本。而引水冲污等方式更是花费巨大，成本高昂，且不能从根本上解决内河污染问题。
近年来，以生物电化学为理论基础的微生物燃料电池得到国内外研究者的热切关注。该技术具有净化污水并获取生物电能的双重功能，这是污水污泥治理技术理念的重大革新，必将赢取更多关注。微生物燃料电池是利用厌氧或兼性微生物的催化作用，在氧化有机物、无机物的过程中提取电子并将其转移至电极上，实现化学能向电能转化的新技术，可以把未经处理的污水转变成干净用水和电源。
如果对内河黑臭底泥采取变废为宝的措施，以添加有益微生物菌群的黑臭底泥为底物的燃料电池将具有十分重要的实际意义和可行性。一是内河水质改善；二是内河的底泥黑臭问题得以解决；三是微生物燃料电池产电能力方面具有很大的提升空间，待技术成熟，其产生的电量可用于城市供电，缓解城市用电紧张等问题。因此以黑臭底泥为底物的生物燃料电池是一项“一举三得”的技术手段。生物燃料电池自身潜在的优点使人们对它的发展前景看好，如果能充分利用内河黑臭底泥，将大大缓解内河污染带来的城市发展问题，带来巨大的经济效益。
发明内容
    本发明的目的在于针对现有的受污染水体中黑臭污泥未得到有效处置，提供一种受污染水体中黑臭底泥资源化处理的方法。通过在黑臭污泥中添加有益菌群构建沉积型微生物燃料电池，使得黑臭底泥变废为宝，具有产电的前景，具备巨大的经济效益。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种受污染水体中黑臭底泥资源化处理的方法：以黑臭底泥、EM菌作为阳极底物，以河水或pH=7的磷酸盐缓冲液作为阴极电解液，石墨板或碳纤维布作为电极材料；外电路由铜导线和可变电阻连接而成；构建沉积型微生物燃料电池。阳极微生物菌群在吸附降解黑臭底泥中的有机物和臭味物质的同时产生电子，电子通过导线传输到阴极，阴极中的溶解氧接受电子产生水；EM菌的作用是对黑臭底泥进行除臭以及降解底泥中的有机物。
所述的受污染水体中黑臭底泥资源化处理的方法：在黑臭底泥中添加EM菌，EM菌投入后与底泥充分混合，EM菌的投加量为阳极底物体积的0.5% ~ 2.5%。
所述的EM菌为EM菌原液。
阳极底物与阴极电解液的体积比为1:1 ~ 2:1。
阴极石墨极板悬浮于阴极电解液与空气交界面处。
所述的外电路电阻为300Ω - 1000Ω。
所述的沉积型微生物燃料电池：外电阻为500Ω时，在外电路的电压降到50 mV时，完成阳极黑臭底泥的处理，同时完成一个产电周期。
石墨电极可用碳布进行替换。
该微生物燃料电池的工作原理为阳极微生物菌群在吸附降解黑臭底泥中的有机物和臭味物质的同时产生电子，电子通过导线传输到阴极。具体反应式为：
阴极：6O2+24e-+24H+→12H2O；
阳极：C6H12O6+6H2O→6CO2+24e-+24H+；
所述的石墨电极与铜导线之间通过钛丝穿孔连接，阳极极板埋入黑臭底泥中，阴极极板悬浮于阴极液与空气交界处。本发明中所涉及的EM菌除去对底泥进行除臭的作用外，还可以与产电菌共同作用降解黑臭底泥中的有机物。EM菌作为一种复合微生物制剂，含有10个属80多种微生物，通过发酵合成，复合发酵使废弃污物、污泥中可生物降解的有机物和臭味物质等基本消除。
本发明的有益效果在于：
1）本发明在实现黑臭污泥中有机物去除与除臭的同时进行产电，具有成本低廉、过程环保、反应条件温和易实现等特点，克服了原有对内河治理“治标不治本”且成本高的缺陷；
2）本发明构建的微生物燃料电池将黑臭底泥中化学能转化为电能，产电能力方面具有很大的提升空间，待技术成熟，其产生的电量可用于城市供电，缓解城市用电紧张等问题。
附图说明
图1是本发明的沉积型微生物燃料电池结构示意图；其中，1、河水或pH=7的磷酸盐缓冲液；2、阳极底物；3、阴极极板；4、阳极极板；5、外电阻；6、电表及数字采集装置；7、燃料电池反应器；
图2为微生物燃料电池运行时的极化曲线图。
具体实施方式
本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。
实施例1
构建沉积型微生物燃料电池：如图1所示，试验组，阳极为取自福州市某内河的黑臭底泥800mL，加入EM菌原液4mL，充分混合后，埋入石墨板作为阳极极板，静置待污泥沉淀后缓缓倒入pH=7的磷酸盐缓冲液800mL，待液面平稳将阴极极板悬浮于水面与空气交界面。其中磷酸盐缓冲液作为阴极电解液，石墨板规格为100mm×100mm，石墨板与导线用钛丝相连，试验在室温中进行。对照组阳极中不添加EM菌，其他试验条件与试验组完全相同。
经过短短3天运行后，试验结果如下所示：
表1
如图2所示，微生物燃料电池运行稳定，电压可以超过数百毫伏，通过图形可以计算出理论开路电压可达790.57mV，且通过试验可以观察到加入EM菌后对产电量无负面影响。经过进一步试验可以得知若将阴极缓冲液换为河水，产电量会进一步提升，由此更可以有力的说明本装置在实际应用中成本有望进一步降低，实用价值高。
实施例2
构建沉积型微生物燃料电池：试验组，阳极为取自福州市某内河的黑臭底泥800mL，加入EM菌原液20mL，充分混合后，埋入石墨板作为阳极极板，静置待污泥沉淀后缓缓倒入河水800mL，待液面平稳将阴极极板悬浮于水面与空气交界面。其中磷酸盐缓冲液作为阴极电解液，石墨板规格为100mm×100mm，石墨板与导线用钛丝相连，试验在室温中进行。对照组阳极中不添加EM菌，其他试验条件与试验组完全相同。
经过短短3天运行后，试验结果如下所示：
表2
微生物燃料电池运行稳定，电压可以超过数百毫伏，通过图形可以计算出理论开路电压可达790.57mV，且通过试验可以观察到加入EM菌后对产电量无负面影响。经过进一步试验可以得知若将阴极缓冲液换为河水，产电量会进一步提升，由此更可以有力的说明本装置在实际应用中成本有望进一步降低，实用价值高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种受污染水体中黑臭底泥资源化处理的方法，其特征在于：以黑臭底泥、EM菌作为阳极底物，以河水或pH=7的磷酸盐缓冲液作为阴极电解液，石墨板或碳纤维布作为电极材料；外电路由铜导线和可变电阻连接而成；构建沉积型微生物燃料电池。
2.根据权利要求1所述的受污染水体中黑臭底泥资源化处理的方法，其特征在于：在黑臭底泥中添加EM菌，EM菌投入后与底泥充分混合，EM菌的投加量为阳极底物体积的0.5% ~ 2.5%。
3.根据权利要求1所述的受污染水体中黑臭底泥资源化处理的方法，其特征在于：所述的EM菌为EM菌原液。
4.根据权利要求1所述的受污染水体中黑臭底泥资源化处理的方法，其特征在于：阳极底物与阴极电解液的体积比为1:1 ~ 2:1。
5.根据权利要求1所述的受污染水体中黑臭底泥资源化处理的方法，其特征在于：阴极石墨极板悬浮于阴极电解液与空气交界面处。
6.根据权利要求1所述的受污染水体中黑臭底泥资源化处理的方法，其特征在于：所述的外电路电阻为300Ω - 1000Ω。
7.根据权利要求1所述的受污染水体中黑臭底泥资源化处理的方法，其特征在于：所述的外电路电阻为500Ω时，在外电路的电压降到50 mV时，完成阳极黑臭底泥的处理，同时完成一个产电周期。
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