CN110681682A - 吸附型生物电极-可渗透反应井系统及其构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明具体涉及一种吸附型生物电极‑可渗透反应井系统的构建方法，包括步骤：S1，在渗透井壁底端设置过水孔，然后在渗透井壁内侧底端设置填充基质层，并在渗透井壁外侧包裹多孔阳极材料；S2，在待修复的土壤中构建土井，将S1所得置于土井中，确保多孔阳极材料全部位于土壤中；S3，用水将待修复的土壤淹没，并在待修复土壤上形成上覆水层，将阴极材料垂直置于上覆水层中，保证阴极材料被完全淹没；S4，将多孔阳极材料和阴极材料通过外电路连通，水循环泵的一端与待修复的土壤连接，水循环泵的另一端与填充基质层连接。相比于现有技术，本发明无需加入化学试剂而能加快苯并[a]芘从土壤中迁移并吸附于电极中的速度，增强生物降解效果。

Description

吸附型生物电极-可渗透反应井系统及其构建方法
技术领域
本发明属于土壤修复技术领域，尤其涉及一种吸附型生物电极-可渗透反应井系统及其构建方法。
背景技术
多环芳烃作为一类危险的持久性有机污染物，会对生态系统和人类构成巨大风险。目前共有16种多环芳烃被美国环境保护局列为优先污染物。其中，由五个苯环组成的苯并[a]芘是具有急性毒性和致癌性。一系列细胞遗传学分析都证明，苯并[a]芘对动物具有诱变毒性和强致癌性。苯并[a]芘疏水性很强，其辛醇-水分配系数为6.1，因此土壤成为苯并[a]芘的主要汇集源。土壤中的苯并[a]芘可以通过呼吸微粒或暴露的皮肤进入人体，从而可以诱发致癌性。去除土壤中的苯并[a]芘以减轻对人类的潜在风险显得至关重要。
可渗透性反应墙技术目前广泛用于修复受有机物、金属和放射性核素污染的土壤。有机污染物主要靠生物降解来去除。生物过程通常在反应堆上进行。但是，大多数土壤缺乏电子受体，导致可渗透性反应墙中天然微生物的生长缓慢、活性低。此外，部分有机污染物由于其高疏水性，很难被微生物利用。因此，营养物质、电子受体、其他增强物质生物利用度的化学物质，甚至一些预培养的微生物，都可能会被添加到传统的可渗透性反应墙中以加快微生物的生长于代谢。然而，定期补充化学物质很难控制，且加入的化学物质可能会造成二次污染，进而增加土壤生态系统的生态风险。
发明内容
本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种吸附型生物电极-可渗透反应井系统的构建方法，无需加入化学试剂而能加快苯并[a]芘从土壤中的迁移并吸附于电极中的速度，进一步增强苯并[a]芘的生物降解效果。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种吸附型生物电极-可渗透反应井系统的构建方法，包括以下步骤：
S1，先在渗透井壁底端设置过水孔，然后在渗透井壁内侧底端设置填充基质层，并在渗透井壁外侧包裹多孔阳极材料；
S2，在待修复的土壤中构建一土井，将步骤S1所得置于土井中，确保多孔阳极材料全部位于土壤中；
S3，用水将待修复的土壤淹没，并在待修复土壤上形成一上覆水层，将阴极材料垂直置于上覆水层中，保证阴极材料被完全淹没；
S4，将多孔阳极材料和阴极材料通过外电路连通，水循环泵的一端与待修复的土壤连接，水循环泵的另一端与填充基质层连接。
需要说明的是，将吸附型生物电极-可渗透反应井系统的多孔阳极材料埋于土壤中，阴极材料置于上覆水层中，多孔阳极材料和阴极材料通过外接电路连接。土壤中的有机污染物依靠土壤间隙水的流动，被迁移至多孔阳极材料表面并被吸附。阳极上的微生物可氧化天然有机物或有机污染物，产生电子和质子，电子被阳极上的产电菌捕获并通过外电路转移至阴极处，质子会随土壤中的水流迁移至阴极。到达阴极处的电子和质子，与水中的溶解氧发生化学反应，生成水。而且水循环泵为时间可调、可控、较低扬程、小流量的节能型泵，土壤中的水会通过渗透井壁，流至填充基质层中，填充基质层中的水由水循环泵循环至土壤中，以保证渗透井壁内外的水位差，维持持续的水流。本系统中，产电菌与降解菌共合作，加强难降解有机污染物的去除。
作为本发明所述的吸附型生物电极-可渗透反应井系统的构建方法的一种改进，所述阴极材料表面涂有Pt/C催化剂层，所述Pt/C催化剂层中Pt的含量为0.3～0.8mg/cm2。
作为本发明所述的吸附型生物电极-可渗透反应井系统的构建方法的一种改进，所述渗透井壁的材质为PVC。
作为本发明所述的吸附型生物电极-可渗透反应井系统的构建方法的一种改进，所述过水孔的孔径为0.1～0.4cm，相邻两个所述过水孔之间的间距为1.5～2.5cm。
作为本发明所述的吸附型生物电极-可渗透反应井系统的构建方法的一种改进，所述填充基质层由下至上依次包括强吸水性基质层和低粘性基质层，所述强吸水性基质层中颗粒的直径为1～2mm，所述低粘性基质层中颗粒的直径为0.1～0.3mm。强吸水性基质层包括但不限于硅藻土颗粒，低粘性基质层包括但不限于河砂。填充基质层主要用以防止空气中的氧气进入渗透井壁内，保证阳极处于厌氧环境。
作为本发明所述的吸附型生物电极-可渗透反应井系统的构建方法的一种改进，所述多孔阳极材料的高度与所述强吸水性基质层的高度一致。
作为本发明所述的吸附型生物电极-可渗透反应井系统的构建方法的一种改进，所述上覆水层的厚度大于或等于3cm。
作为本发明所述的吸附型生物电极-可渗透反应井系统的构建方法的一种改进，所述外电路包括导线以及电阻，所述多孔阳极材料和所述阴极材料之间用所述导线连接，且中间接入所述电阻。
作为本发明所述的吸附型生物电极-可渗透反应井系统的构建方法的一种改进，所述电阻的阻值为100～1000Ω。
本发明的另一个目的在于：提供一种吸附型生物电极-可渗透反应井系统，其特征在于：采用说明书前文任一段所述的构建方法构建而得。
相比于现有技术，本发明至少具有以下有益效果：
1)本发明的吸附型生物电极-可渗透反应井系统中阳极为多孔材料，使得水流顺利通过，并拦截有机污染物，能有效地将远距离土壤中的有机污染物转移至阳极处。
2)本发明的吸附型生物电极-可渗透反应井系统阳极附近由于有机物产生的质子，可在水的流动下迁移至阴极，与氧气结合生成水，避免了阳极微区域内土壤酸化，进一步改善微生物生长环境。
3)本发明的吸附型生物电极-可渗透反应井系统中阳极为微生物的生长代谢提供电子受体，无需外加化学类电子受体，避免了土壤的二次污染，降低了土壤生态系统的生态风险，并强化了有机污染物的降解。
4)本发明的吸附型生物电极-可渗透反应井系统制作简单，实施应用方便。
5)本发明的吸附型生物电极-可渗透反应井系统耗电少，并可产生一定的电能，满足绿色、可持续技术的原则。
附图说明
图1是吸附型生物电极-可渗透反应井系统的结构示意图。
图2是渗透井壁的结构示意图。
图3是填充基质层的结构示意图。
图4是有机污染物在填充基质层的浓度分布图。
图5是有机污染物在阳极中的浓度分布图。
图6是有机污染物在上覆水层中的浓度分布图。
图7是上覆水层的pH变化图。
图8是苯并[a]芘的去除效果图。
图9是吸附型生物电极-可渗透反应井系统的产电图。
其中：1-渗透井壁，2-填充基质层，3-上覆水层，4-多孔阳极材料，5-阴极材料，6-外接电路，7-水循环泵，8-土壤，11-过水孔，21-强吸水性基质层；22-低粘性基质层，61-导线，62-电阻。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图，对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
实施例1
如图1～3所示，一种吸附型生物电极-可渗透反应井系统的构建方法，包括以下步骤：
S1，先在渗透井壁底端设置过水孔，然后在渗透井壁外侧包裹多孔阳极材料，在渗透井壁内侧底端设置填充基质层；
S2，在待修复的土壤中构建一土井，将步骤S1所得置于土井中，确保多孔阳极材料全部位于土壤中；
S3，用水将待修复的土壤淹没，并在填充基质层上形成一上覆水层，将阴极材料垂直置于上覆水层中，保证阴极材料被完全淹没；
S4，将多孔阳极材料和阴极材料通过外电路连通，水循环泵的一端与待修复的土壤连接，水循环泵的另一端与填充基质层连接。
进一步地，阴极材料表面涂有Pt/C催化剂层，Pt/C催化剂层中Pt的含量为0.3～0.8mg/cm2。阴极材料包括但不限于石墨毡材料。
进一步地，渗透井壁的材质为PVC。
进一步地，过水孔的孔径为0.1～0.4cm，相邻两个过水孔之间的间距为1.5～2.5cm。
进一步地，填充基质层由下至上依次包括强吸水性基质层和低粘性基质层，强吸水性基质层中颗粒的直径为1～2mm，低粘性基质层中颗粒的直径为0.1～0.3mm。强吸水性基质层包括但不限于硅藻土颗粒，低粘性基质层包括但不限于河砂。填充基质层主要用以防止空气中的氧气进入渗透井壁内，保证阳极处于厌氧环境。
进一步地，多孔阳极材料的高度与强吸水性基质层的高度一致。
进一步地，上覆水层的厚度大于或等于3cm。
进一步地，外电路包括导线以及阻值为100～1000Ω的电阻，多孔阳极材料和阴极材料之间用导线连接，且中间接入电阻。
需要说明的是，将吸附型生物电极-可渗透反应井系统的多孔阳极材料埋于土壤中，阴极材料置于上覆水层中，多孔阳极材料和阴极材料通过外接电路连接。土壤中的有机污染物依靠土壤间隙水的流动，被迁移至多孔阳极材料表面并被吸附。阳极上的微生物可氧化天然有机物或有机污染物，产生电子和质子，电子被阳极上的产电菌捕获并通过外电路转移至阴极处，质子会随土壤中的水流迁移至阴极。到达阴极处的电子和质子，与水中的溶解氧发生化学反应，生成水。而且水循环泵为时间可调、可控、较低扬程、小流量的节能型泵，土壤中的水会通过渗透井壁，流至填充基质层中，填充基质层中的水由水循环泵循环至土壤中，以保证渗透井壁内外的水位差，维持持续的水流。本系统中，产电菌与降解菌共合作，加强难降解有机污染物的去除。
性能测试
将含有苯并[a]芘污染的土壤加入到反应器中，土壤高度为10cm，上覆水层高度为3cm，将通过实施例1所述的构建方法构建而得的吸附型生物电极-可渗透反应井系统安装于含有苯并[a]芘污染的土壤的反应器中，依次进行以下测试。
1)将阳极和阴极不连接的反应器作为对照组，通过定期采样，采用气相色谱-质谱测试苯并[a]芘的浓度，观察两组反应器中有机污染物在不同样点处的分布情况，结果如图4～6所示。
2)将阳极和阴极不连接的反应器作为对照组，每天用pH计在线原位测量两组反应器中上覆水层的pH值，结果如图7所示。
3)将阳极和阴极不连接的反应器作为对照组，计算两组反应器运行50天后苯并[a]芘的去除率，结果如图8所示。
4)记录外电路接入100Ω电阻的吸附型生物电极-可渗透反应井系统的反应器运行50天内电阻两端的输出电压变化，结果如图9所示。
结果分析
1)如图4～6所示，经过50天的运行，在吸附型生物电极-可渗透反应井系统的内部填充基质中均可检测到苯并[a]芘的存在，说明吸附型生物电极-可渗透反应井系统中远离阳极的有机污染物，在水流的作用下，迁移至阳极附近处，该系统可有效扩大修复范围，解决了增加其他手段以强化有机污染物迁移的问题。
2)如图7所示，经过50天的运行，吸附型生物电极-可渗透反应井系统中上覆水层的pH值要高于对照组上覆水层的pH值，说明系统中的质子可有效得迁移至阴极并被消耗，改善了阳极附近土壤中质子积累情况，可进一步改善微生物生长条件。
3)如图8所示，运行50天后，吸附型生物电极-可渗透反应井系统中苯并[a]芘的去除效果为35.15％，而对照组的总量去除率为27.01％，明显地，吸附型生物电极-可渗透反应井系统在苯并[a]芘去除方面，提高了近30.14％。
4)由图9曲线，通过计算，运行50天，吸附型生物电极-可渗透反应井系统可产生0.36kJ电能，而用于水循环的泵在50天内消耗电能约0.04kJ，由此可见，吸附型生物电极-可渗透反应井系统耗电少，并可产生一定的电能，满足绿色、可持续技术的原则。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种吸附型生物电极-可渗透反应井系统的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，先在渗透井壁底端设置过水孔，然后在渗透井壁内侧底端设置填充基质层，并在渗透井壁外侧包裹多孔阳极材料；
S2，在待修复的土壤中构建一土井，将步骤S1所得置于土井中，确保多孔阳极材料全部位于土壤中；
S3，用水将待修复的土壤淹没，并在待修复土壤上形成一上覆水层，将阴极材料垂直置于上覆水层中，保证阴极材料被完全淹没；
S4，将多孔阳极材料和阴极材料通过外电路连通，水循环泵的一端与待修复的土壤连接，水循环泵的另一端与填充基质层连接。
2.根据权利要求1所述的吸附型生物电极-可渗透反应井系统的构建方法，其特征在于：所述阴极材料表面涂有Pt/C催化剂层，所述Pt/C催化剂层中Pt的含量为0.3～0.8mg/cm2。
3.根据权利要求1所述的吸附型生物电极-可渗透反应井系统的构建方法，其特征在于：所述渗透井壁的材质为PVC。
4.根据权利要求1所述的吸附型生物电极-可渗透反应井系统的构建方法，其特征在于：所述过水孔的孔径为0.1～0.4cm，相邻两个所述过水孔之间的间距为1.5～2.5cm。
5.根据权利要求1所述的吸附型生物电极-可渗透反应井系统的构建方法，其特征在于：所述填充基质层由下至上依次包括强吸水性基质层和低粘性基质层，所述强吸水性基质层中颗粒的直径为1～2mm，所述低粘性基质层中颗粒的直径为0.1～0.3mm。
6.根据权利要求5所述的吸附型生物电极-可渗透反应井系统，其特征在于：所述多孔阳极材料的高度与所述强吸水性基质层的高度一致。
7.根据权利要求1所述的吸附型生物电极-可渗透反应井系统的构建方法，其特征在于：所述上覆水层的厚度大于或等于3cm。
8.根据权利要求1所述的吸附型生物电极-可渗透反应井系统的构建方法，其特征在于：所述外电路包括导线以及电阻，所述多孔阳极材料和所述阴极材料之间用所述导线连接，且中间接入所述电阻。
9.根据权利要求8所述的吸附型生物电极-可渗透反应井系统的构建方法，其特征在于：所述电阻的阻值为100～1000Ω。
10.一种吸附型生物电极-可渗透反应井系统，其特征在于：采用权利要求1～9任一项所述的构建方法构建而得。
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