CN110606543B - 净化湖泊底泥与湖泊水体中有机污染物的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种净化湖泊底泥与湖泊水体中有机污染物的系统及其方法，系统由沉积物微生物燃料电池(SMFC)部分和生物膜电极(BER)部分组成。所述方法中，利用SMFC部分降解去除湖泊底泥湖泊底泥中的难降解有机污染物，利用BER部分降解去除湖泊水体中难降解有机污染物。本发明方法充分利用湖泊底泥中大量存在的腐殖酸作为共基质促进SMFC阳极对底泥中的难降解有机污染物的降解能力，同时SMFC产生的电子为BER部分利用，强化BER对湖泊水体中难降解有机污染物的降解效果。为缓解当前能源危机和解决环境问题提供了一种有效的途径，具有不可估量的应用和发展潜力。

Description

净化湖泊底泥与湖泊水体中有机污染物的系统及方法
技术领域
本发明涉及环境工程领域，具体涉及一种同时净化湖泊底泥与湖泊水体中难降解有机污染物的系统及其方法。
背景技术
生物膜电极法(BER)是一种电化学耦合微生物的水处理方法。生物膜电极法将微生物固定在电极上，形成生物膜，并在微小直流电的作用下使污染物在电化学和微生物的双重作用下得以降解。1992年，R.B.Mellor等在Nature杂志上首次提出了“生物膜电极”的概念，他们将反硝化酶固定在阴极表面，制成生物膜电极，电极为固定化酶有效地提供还原能力，在阴极产生氢原子并被固定化反硝酶利用，从而完成反硝化作用。之后十几年国内外专家从反硝化的角度对BER做了大量的研究，直至近年来，生物膜电极法用于有机污染物，尤其是难降解有机物的去除，逐渐引起广泛的关注。经过BER的处理，难降解有机物的复杂结构得以破坏产生分子结构相对简单物质，可生化性得以显著提高。然而，该方法在处理过程中依然需要外界提供的电能，这限制了生物电化学的大规模应用。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种同时净化湖泊底泥与湖泊水体中难降解有机污染物的系统及其方法，该装置解决了现有技术中仍然需要外界提供的电能的问题，同时解决了生物电化学无法大规模应用的问题。
技术方案：本发明的净化湖泊底泥与湖泊水体中有机污染物的系统，包括沉积物微生物燃料电池(SMFC)、以及与其阴极和阳极电连接并组成回路的生物膜电极(BER)，即所述SMFC部分阳极由导线与BER部分一端相连，同时SMFC部分阴极由导线与BER部分另一端相连。
所述沉积物微生物燃料电池能够降解去除湖泊底泥中难降解的有机污染物，包括由阳极导电材料和附着在其上的微生物组成的阳极电极和由阴极导电材料组成的阴极电极。
所述生物膜电极能够降解去除湖泊水体中难降解有机污染物，包括活性炭刷以及附着在其上的微生物。
所述SMFC部分阳极中厌氧菌在有电子参与的情况下，降解湖泊底泥中的难降解有机污染物，SMFC部分在系统中降解湖泊底泥中的难降解有机污染物同时产生电子通过内部电路传递给BER部分，BER部分则通过内部电路接受电子提高降解湖泊水体中的难降解有机污染物的效率。
所述阳极导电材料为不锈钢、颗粒活性炭、碳布、石墨颗粒和石墨毡中的一种或几种。
所述阴极导电材料为不锈钢、碳布和石墨毡中的一种或几种。
所述阴极导电材料表面作催化剂修饰处理。所述催化剂为铂以及铁锰氧化物、离子复合物或钴化合物或其他能够替代铂的催化剂。
所述活性炭刷与阴极和阳极通过导线内部电路连接；所述内部电路所用导线为钛导线；所述导线的连接点进行绝缘密封处理。
BER作为SMFC的外阻而存在，代替了原有的外阻，在保证电路形成回路的同时避免了电子在传统外阻上的损耗。同时，将BER部分置于SMFC的内部，避免了电子在两个部分之前传递中的损耗。
含有难降解的所述有机污染物的湖泊底泥和湖泊水体的体积比为1:1-6。优选1：2。
一种净化湖泊底泥与湖泊水体中有机污染物的方法，包括以下步骤：
(1)在不添加外源共基质的情况下，沉积物微生物燃料电池的阳极中产电菌利用湖泊底泥中原有的腐殖酸类有机物产生电子，一部分电子被阳极中的厌氧微生物用于降解湖泊底泥中的难降解有机污染物，另一部分电子通过内部电路传递至生物膜电极；
(2)生物膜电极得到沉积物微生物燃料电池的阳极产生的部分电子，强化了其对湖泊水体中难降解有机污染物的降解效果。同时，由于BER部分消耗了SMFC部分产生的电子，并避免了电子的累积对沉积物微生物燃料电池阳极微生物活性的抑制，促进了沉积物微生物燃料电池的降解效率。
沉积物微生物燃料电池(SMFC)是利用酶或者微生物作为阳极催化剂，通过其代谢作用将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。MFC不仅可以降解沉积物中简单有机物，也可以降解混合有机底物和难降解有机物，并获取电能。正因为其在净化沉积物中有机物的同时能够产生电能的特性，将SMFC与BER利用内部连接构成耦合系统，能够同时净化沉积物和水体中的难降解有机污染物。
有益效果：1、本发明系统在不需要消耗外界提供的诸如电能，臭氧等强氧化剂，共基质等额外物质的情况下，从提高SMFC单元同步降解湖泊底泥中难降解有机污染物和产电性能以及利用SMFC产生的电能的角度出发，将BER部分置于SMFC部分内部，以电能的产生与需求为纽带，实现系统中的反应过程和反应类型的有效耦合：利用系统中BER部分和CWMFC部分对目标难降解有机物的转化和去除的耦合，使该系统在反应过程上实现两个部分在物质上的有效耦合，实现难降解有机物去除和产能的双重强化；2、在物质流上，湖泊底泥中的难降解有机污染物在SMFC部分阳极被降解，湖泊水体中难降解有机污染物BER部分被降解；3、从能量流的角度，SMFC部分阳极产电菌产生的电子提供给BER部分，形成能量的内循环，免除了BER部分外加电源的需求，降低了处理成本；4、同时，由于BER部分消耗了SMFC部分产生的电子，避免了电子的累计对SMFC阳极微生物活性的抑制，促进了SMFC部分的降解效率；5、本发明实现湖泊底泥和湖泊水体中的难降解有机污染物同时高效降解以及电能的有效利用；6、本发明方法充分利用湖泊底泥中大量存在的腐殖酸作为共基质，从而实现同时高效去除湖泊底泥和水体中难降解有机污染物的目的；7、使为缓解当前能源危机和解决环境问题提供了一种有效的途径，具有不可估量的应用和发展潜力。
附图说明
图1是本发明用于净化难降解有机污染物的污水处理系统结构示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明一实施例所述的净化湖泊底泥与湖泊水体中有机污染物的系统，系统由沉积物微生物燃料电池(SMFC)部分和生物膜电极(BER)部分组成。SMFC部分在系统中降解湖泊底泥中的难降解有机污染物，BER部分则降解湖泊水体中的难降解有机污染物。
SMFC单元是由沉积物、阳极和阴极构成的MFC系统，从下至上分布有粗砂砾层、底层污染底泥1、SMFC部分阳极2、上层污染底泥3和SMFC部分阴极7。
在本发明中，SMFC可以是序批式或者连续式进水。SMFC部分阳极2由阳极导电材料和附着在其上的微生物构成构成，SMFC部分阴极7由阴极导电材料构成。阴极导电材料一部分浸没在污染水体6中，一部分暴露于空气中，形成空气阴极。SMFC部分阳极2的导电填料可以是不锈钢材质、颗粒活性炭、碳布、石墨颗粒和石墨毡等，SMFC部分阴极7的导电材料层可以是不锈钢材质、碳布、和石墨毡等，其阴极导电材料表面可以进行铂以及铁锰氧化物、离子复合物或钴化合物等替代铂的催化剂进行阴极材料表面修饰处理。
SMFC部分阳极2通过系统内部电路4与BER部分5相连，BER部分5相当于MFC部分的外阻，同时SMFC部分阴极7通过系统内部电路4与BER部分5相连。连接BER部分5与SMFC部分的导线优选钛导线，也可以选用进行过连接点的绝缘密封处理的同材质导线。
本发明运行原理为：
SMFC部分中，活性炭等导电材料构成阳极，顶层导电材料层构成CWMFC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，经内部电路传递至BER部分5，质子在SMFC内部扩散至阴极，与经BER部分5传递到阴极的电子结合形成回路并产生电流。由于BER部分5消耗了SMFC部分产生的电子，避免了电子的累计对SMFC部分阳极微生物活性的抑制，促进了SMFC部分对湖泊底泥中难降解有机污染物的去除效率。同时，电子在从BER部分传递的过程中一部分被BER中的微生物利用促进了其对湖泊水体中有机物尤其是难降解有机污染物的降解，免除了BER单元外加电源的需求，降低了处理成本，实现降解和产能的双重强化。
实施例1
同时净化湖泊底泥与湖泊水体中难降解有机污染物的系统处理有机物，包括以下步骤：
(1)系统电化学反应器的启动
采用污泥污水处理厂的二沉池中的回流污泥，按污染土壤与污泥体积比30:1的比例将污泥接种于系统MFC部分的阳极和BER部分，24h补充一次营养物质，静置7-10天，等系统产电电流大于0.2mA时，完成初步启动。基本营养液成分(1L溶液)如下:400mg葡萄糖，330mg NaCl，134mg NH4Cl，33mg NaH2PO4，18mg Na2HPO4，340mg NaHCO3，15mg MgSO4·7H2O，2mg ZnSO4·7H2O，2.2mg MnSO4·H2O，1mg FeSO4，0.24mg CoCl2·6H2O，15mg CaCl2和1.17mg(NH4)6Mo7O24·4H2O。
(2)反应器同步去除湖泊底泥与湖泊水体中的难降解有机污染物
反应器正常运行时，反应器中电流密度达到0.50mA/cm2。污染底泥中的难降解有机污染物为多环芳烃，浓度为300mg/L。污染水体中的难降解有机污染物为苯酚，浓度为400mg/L。水力停留时间为10天，多环芳烃去除率达75％，苯酚去除率达90％。

Claims (10)

1.一种净化湖泊底泥与湖泊水体中有机污染物的系统，其特征在于：包括沉积物微生物燃料电池、以及与其阴极和阳极电连接并组成回路的生物膜电极，沉积物微生物燃料电池的阴极通过系统内部电路与生物膜电极相连，生物膜电极相当于沉积物微生物燃料电池的外阻;-所述沉积物微生物燃料电池能够降解去除湖泊底泥中难降解的有机污染物，包括由阳极导电材料和附着在其上的微生物组成的阳极电极和由阴极导电材料组成的阴极电极；其中阴极导电材料一部分暴露于空气中形成空气阴极；-所述生物膜电极能够降解去除湖泊水体中难降解有机污染物，包括活性炭刷以及附着在其上的微生物。
2.根据权利要求1所述的净化湖泊底泥与湖泊水体中有机污染物的系统，其特征在于：所述阳极导电材料为不锈钢、颗粒活性炭、碳布、石墨颗粒和石墨毡中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的净化湖泊底泥与湖泊水体中有机污染物的系统，其特征在于：所述阴极导电材料为不锈钢、碳布和石墨毡中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的净化湖泊底泥与湖泊水体中有机污染物的系统，其特征在于：所述阴极导电材料表面作催化剂修饰处理。
5.根据权利要求4所述的净化湖泊底泥与湖泊水体中有机污染物的系统，其特征在于：所述催化剂为铂以及铁锰氧化物、离子复合物或钴化合物。
6.根据权利要求1所述的净化湖泊底泥与湖泊水体中有机污染物的系统，其特征在于：所述活性炭刷与阴极和阳极通过导线内部电路连接。
7.根据权利要求6所述的净化湖泊底泥与湖泊水体中有机污染物的系统，其特征在于：所述内部电路所用导线为钛导线。
8.根据权利要求7所述的净化湖泊底泥与湖泊水体中有机污染物的系统，其特征在于：所述导线的连接点进行绝缘密封处理。
9.根据权利要求1所述的净化湖泊底泥与湖泊水体中有机污染物的系统，其特征在于：含有难降解有机污染物的湖泊底泥和湖泊水体的体积比为1：1-6。
10.一种净化湖泊底泥与湖泊水体中有机污染物的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）在不添加外源共基质的情况下，沉积物微生物燃料电池的阳极中产电菌利用湖泊底泥中原有的腐殖酸类有机物产生电子，一部分电子被阳极中的厌氧微生物用于降解湖泊底泥中的难降解有机污染物，另一部分电子通过内部电路传递至生物膜电极；（2）生物膜电极得到沉积物微生物燃料电池的阳极产生的部分电子，强化了其对湖泊水体中难降解有机污染物的降解效果，避免了电子的累积对沉积物微生物燃料电池阳极微生物活性的抑制，促进了沉积物微生物燃料电池的降解效率。
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