一種電動力-燃料電池耦合裝置及污染土壤的修復(fù)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種污染物的凈化裝置和處理方法，特別地涉及一種電動力-微生物 電池耦合裝置及污染土壤的修復(fù)方法，屬于環(huán)境保護和污染防治與治理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，隨著我國工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，人們生活水平在日益提高的同時，也造成 了十分嚴(yán)重的土壤污染。而土壤污染又反過來對農(nóng)產(chǎn)品、地下水、生態(tài)環(huán)境及人體健康等產(chǎn) 生了很大的威脅。
[0003] 因此，加強對污染土壤的治理已經(jīng)刻不容緩，尋找一種快捷、低能耗、效率高的污 染土壤的修復(fù)方法具有十分重要的現(xiàn)實意義。
[0004] 目前，傳統(tǒng)污染土壤的修復(fù)技術(shù)主要有化學(xué)法、物理法和生物修復(fù)法等。其中化學(xué) 和物理法成本較高，且容易對土壤的理化性質(zhì)造成嚴(yán)重的不利影響。生物修復(fù)法具有成本 較低，操作簡單、無二次污染等優(yōu)點，因此具有非常好的應(yīng)用前景。
[0005] 而對于深層或淹水的污染土壤、污泥或沉積物而言，由于缺乏充足的氧氣，缺氧或 厭氧降解是土壤有機物降解的一個重要的途徑。然而在缺氧或厭氧條件下，微生物降解有 機污染物需要有硝酸鹽、硫酸鹽等電子受體，因此電子受體的缺乏會導(dǎo)致微生物降解速率 降低甚至停止。添加外源電子受體可以促進微生物厭氧降解，但是這些電子受體不是持續(xù) 的。在微生物電池的陰極，氧氣因其在環(huán)境中方便易得并且產(chǎn)物干凈環(huán)保，是一種理想的陰 極電子受體。然而如果用曝氣的方法提供氧氣作為電子受體，具有能耗高，氧氣的溶解度低 的缺點。同時氧氣很快就會被消耗。因此，該方法需要持續(xù)的人力、物力和能源向土壤或沉 積物曝氣，大大增加修復(fù)成本。
[0006] 微生物電池系統(tǒng)是近十年來比較熱門的技術(shù)，它主要利用電化學(xué)活性微生物作為 催化劑，將有機物的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。微生物電池可以在厭氧條件下源源不斷地在 陰極處為微生物提供最終電子受體，從而促進污染物在缺乏氧氣、硝酸鹽、硫酸鹽等電子受 體的條件下得到降解。自然界廣泛存在具有通過代謝功能將產(chǎn)生的電子傳遞到電極的電化 學(xué)微生物。
[0007] 因此，微生物燃料電池可在土壤、污泥、沉積物、污水、人畜糞便等多種環(huán)境中利 用。
[0008] 近幾年，微生物電池，尤其是沉積物微生物電池因其較好的產(chǎn)電性能和污染物去 除效率越來越得到人們的關(guān)注。科學(xué)家對其進行了廣泛深入的研究，研發(fā)出了多種微生物 電池修復(fù)方法和相應(yīng)裝置。
[0009] CN102386431A公開了一種土壤微生物燃料電池及修復(fù)石油烴污染土壤的方法。所 述土壤微生物燃料電池由U型管和包裹于其外表面的膜電極構(gòu)成，U型管為中空管且管壁均 布圓孔，膜電極自內(nèi)向外包括擴散層、碳基層、陰極、催化層、玻璃纖維膜和陽極并纏繞組成 層狀結(jié)構(gòu)，U型管兩側(cè)的陽極和陰極通過導(dǎo)線自身連接，陽極與陰極之間通過導(dǎo)線與外接電 阻連接構(gòu)成電池，U型管與膜電極之間粘接密封，U型管埋入污染土壤中的直管部分高度與 污染土層厚度相同。
[0010] CN102368559A公開了一種堿性微生物燃料電池。所述微生物燃料電池包括容器狀 的電池殼體、陽極和空氣陰極;所述陽極為活性炭纖維刷、碳布或碳紙，空氣陰極為兩面分 別涂覆聚四氟乙烯擴散層和顆粒活性炭催化層的碳布集電體，且空氣陰極以擴散層面向空 氣、催化層面向溶液置于容器兩側(cè);該燃料電池的電解液分為啟動時的電解液和產(chǎn)電運行 時的電解液，其中產(chǎn)電運行時的電解液又分為有機物基質(zhì)和有機廢水兩種主要成分。本發(fā) 明陰極催化材料是采用活性炭，不含任何金屬催化劑，大大降低成本。在堿性條件下運行， 陰極氧還原性能得到提高，可提高有機物的能量轉(zhuǎn)化效率。在高濃度有機物的條件下，電池 能穩(wěn)定運行，且有機物利用率高。
[0011] CN202025824U公開了一種有機物污染土壤原位修復(fù)的土壤微生物燃料電池裝置。 所述實用新型裝置包括膜陰極和陽極，膜陰極和陽極之間通過導(dǎo)線連接。膜陰極外邊緣設(shè) 有隔水板，這樣可以形成一個空腔，提供足夠的浮力，使得膜陰極可漂浮在水面上，其兩面 分別充分與大氣和水相接觸，其陽極埋于土壤中，可以方便地安裝在淹水土壤中，就地利用 淹水土壤中的有機污染物為燃料，進行氧化降解，生成c〇 2和水等無害物質(zhì)，實現(xiàn)土壤的原 位修復(fù)。
[0012] CN102500610A公開了一種成本低廉、實用有效、綠色環(huán)保的利用產(chǎn)電微生物和植 物光合作用聯(lián)用的植物-土壤微生物燃料電池系統(tǒng)。它包括陽極電極、陰極電極以及連接陽 極電極和陰極電極的外電路，還包括植物，所述的陽極電極置于植物根部周圍的土壤內(nèi)，所 述的陰極電極置于土壤表面。本發(fā)明主要以植物光合作用生產(chǎn)并釋放到根部的有機質(zhì)為燃 料，避免了產(chǎn)電微生物以污水中有機質(zhì)為燃料時，有機質(zhì)對產(chǎn)電微生物的抑制作用，從而導(dǎo) 致產(chǎn)電效率低的問題。同時本發(fā)明以植物作為燃料供應(yīng)者，實現(xiàn)植物固碳-分泌有機質(zhì)-產(chǎn) 電的能源的循環(huán)利用，實現(xiàn)了燃料的綠色供給。
[0013] 如上所述，雖然人們研發(fā)了多種微生物電池修復(fù)污染土壤的方法，但均存在一些 缺點，例如：1、在微生物燃料電池的陰極介質(zhì)中，氧氣在中性條件下發(fā)生還原反應(yīng)的動力學(xué) 系數(shù)較低，從而限制了其作為陰極最終電子受體的使用，制約著整個反應(yīng)的反應(yīng)速度;2、微 生物燃料電池內(nèi)阻較大，降低了輸出功率，阻礙微生物燃料電池的降解效率;3、一個陽極對 應(yīng)一個陰極，由于陽極表面積有限，土壤中污染物的微生物降解受到限制;4、對于修復(fù)大面 積污染土壤，修復(fù)成本較高。
[0014] 凡此種種，導(dǎo)致了上述方法的應(yīng)用范圍和應(yīng)用價值均受到了一定的限制，無法大 范圍推廣。
[0015] 基于這些原因，目前在污染土壤治理領(lǐng)域，對于新型、成本低廉、效果良好、高去除 效果的污染土壤修復(fù)裝置和方法仍存有強烈需求，也是目前土壤修復(fù)領(lǐng)域的一個研究重點 和熱點，而這也正是本發(fā)明得以完成的動力所在和基礎(chǔ)所倚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 鑒于上述技術(shù)的缺陷與不足，本發(fā)明人從實際應(yīng)用出發(fā)，對微生物燃料電池修復(fù) 污染土壤的方法進行了大量的深入研究，在付出了創(chuàng)造性勞動后，從而完成了本發(fā)明。
[0017] 具體而言，本發(fā)明主要涉及如下幾個方面。
[0018] 第一個方面，本發(fā)明提供了一種電動力-微生物燃料電池耦合裝置，所述裝置包括 直流電源;所述直流電源的負(fù)極與電動力陰極（以下簡稱為ΕΚ陰極)相連;所述直流電源的 正極與任選存在的電極切換系統(tǒng)相連;所述電極切換系統(tǒng)與電動力陽極（以下簡稱為ΕΚ陽 極)相連，且所述ΕΚ陽極設(shè)置在呈中空圓筒狀的微生物燃料電池陰極（以下簡稱為MFC陰極） 的中心;所述MFC陰極與外電阻相連;在所述MFC陰極與所述EK陰極之間，設(shè)置多根微生物燃 料電池陽極（以下簡稱為MFC陽極）；所述多根MFC陽極之間通過導(dǎo)線順次連接，并與所述外 電阻串聯(lián)連接。
[0019] 在本發(fā)明的所述電動力-微生物燃料電池耦合裝置中，所述電極切換系統(tǒng)屬于公 知的裝置，可通過多種商業(yè)渠道而獲得，在此不再進行詳細描述。
[0020] 其中，該電極切換系統(tǒng)是任選存在的，也即存在或者不存在，當(dāng)不存在時，則所述 直流電源的正極直接與所述EK陽極相連。
[0021] 在本發(fā)明的所述電動力-微生物燃料電池耦合裝置中，所述EK陽極可為本領(lǐng)域中 的常規(guī)陽極，例如可為石墨棒，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進行合適的選擇與確定，在