采用微生物燃料電池凈化農(nóng)藥類難降解有機(jī)污染土壤的方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采用微生物燃料電池凈化農(nóng)藥類難降解有機(jī)污染土壤的系統(tǒng)及方法，其中所述系統(tǒng)包括：分別位于待處理土壤層兩側(cè)的陽極層（4）和陰極層（5），位于所述陽極層中的陽極導(dǎo)電材料（3）和位于陰極層中的陰極導(dǎo)電材料（6），連接所述陽極導(dǎo)電材料和陰極導(dǎo)電材料的導(dǎo)線，以及連接于導(dǎo)線上的外接電阻（1）。本發(fā)明能夠在不破壞土壤結(jié)構(gòu)的情況下，實現(xiàn)農(nóng)藥類難降解有機(jī)污染在土壤中高效地降解。
【專利說明】采用微生物燃料電池凈化農(nóng)藥類難降解有機(jī)污染土壤的方法及系統(tǒng)
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明屬于環(huán)境工程領(lǐng)域，尤其是一種基于微生物染料電池處理被農(nóng)藥污染的土壤的方法及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0003]自然環(huán)境中的水體、土壤等介質(zhì)具備污染物“凈化”效能，可以降解部分有毒害污染物質(zhì)，但仍有某些有機(jī)物基本不能被微生物降解，抑或是降解所需時間極長，已不能夠控制其產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險，如有機(jī)氯農(nóng)藥、有機(jī)磷農(nóng)藥、氨基甲酸酯農(nóng)藥和除草劑等。上述物質(zhì)具有持久殘留性、生物富集性、半揮發(fā)性和高毒性等特點。由于其辛醇一水分配系數(shù)高，因而易于從水相分配到生物體內(nèi)而在生物脂肪中積聚，并進(jìn)一步經(jīng)食物鏈富集、濃縮并傳遞，尤其在其遷移、轉(zhuǎn)化過程當(dāng)中，生物富集功能可能使其濃度大小提升數(shù)倍甚至上百倍，進(jìn)而對人體和整個生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成危害。
[0004]現(xiàn)有的修復(fù)技術(shù)可分為物理、化學(xué)修復(fù)，生物修復(fù)和化學(xué)淋洗這三類修復(fù)方法。物理/化學(xué)修復(fù)主要包括原位空氣注射法、淋洗技術(shù)、浸提技術(shù)、萃取技術(shù)、化學(xué)氧化技術(shù)及電動力學(xué)修復(fù)技術(shù)等。這些方法不但費用高昂，難以應(yīng)用于大規(guī)模污染土壤的處理，同時易破壞土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤承載力、生物活力降低及土壤肥力減退等狀況的產(chǎn)生。例如，在化學(xué)淋洗過程中需要使用大量的淋洗劑，而藥劑的成本也是影響化學(xué)淋洗技術(shù)成本的重要因素，淋洗液后處理不當(dāng)容易造成二次污染。
[0005]生物修復(fù)分為植物修復(fù)、動物修復(fù)和微生物修復(fù)，其中主要以植物修復(fù)和微生物修復(fù)為主。這種方法除了在費用和操作方面具有優(yōu)勢之外，最大的特點就是不破壞土壤結(jié)構(gòu)且沒有二次污染的可能。
[0006]但是，現(xiàn)有的微生物修復(fù)技術(shù)難以適用于高濃度的OCPs污染場地的修復(fù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的:一個目的是提供一種采用微生物燃料電池凈化農(nóng)藥類難降解有機(jī)污染土壤的方法，本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一種實現(xiàn)上述方法的系統(tǒng)。
[0008]技術(shù)方案:一種采用微生物燃料電池凈化農(nóng)藥類難降解有機(jī)污染土壤的系統(tǒng)，包括:分別位于待處理土壤層兩側(cè)的陽極層和陰極層，位于所述陽極層中的陽極導(dǎo)電材料和位于陰極層中的陰極導(dǎo)電材料，連接所述陽極導(dǎo)電材料和陰極導(dǎo)電材料的導(dǎo)線，以及連接于導(dǎo)線上的外接電阻。
[0009]在進(jìn)一步的實施例中，還包括位于系統(tǒng)下方的緩沖土層。所述陽極導(dǎo)電材料包括顆?；钚蕴?、不銹鋼材質(zhì)、碳布、石墨顆粒和石墨氈。所述陰極導(dǎo)電材料包括顆?；钚蕴俊⒉讳P鋼材質(zhì)、碳布、石墨顆粒和石墨氈。所述導(dǎo)線為鈦導(dǎo)線或銅導(dǎo)線。
[0010]一種采用微生物燃料電池凈化農(nóng)藥類難降解有機(jī)污染土壤的方法，包括如下步驟:
步驟一、在待處理的土壤中接種厭氧污泥，添加處理液；
步驟二、建立上文所述的采用微生物燃料電池凈化農(nóng)藥類難降解有機(jī)污染土壤的系統(tǒng)。
[0011]在進(jìn)一步的實施例中，所述厭氧污泥和目標(biāo)土壤的質(zhì)量比為1:10。所述處理液的配比為:NH4C1 310 mg/L ； MgSO4*7H20 200 mg/L ；KC1 130 mg/L ；CaCl2 15 mg/L ；NaH2PO4 4970 mg/L ； FeCl3*6H20 I mg/L ；Na2HPO4 2750 mg/L ；MnS04*H20 28 mg/L ; (NH4)2SO4 560 mg/L ;CoC12.6H20 0.24mg/L ；Na2M04*2H20 0.04mg/L。
[0012]有益效果:本發(fā)明能夠在不破壞土壤結(jié)構(gòu)的情況下，實現(xiàn)農(nóng)藥類難降解有機(jī)污染在土壤中高效地降解。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0014]如圖1所示，本發(fā)明土壤中建立微生物燃料電池凈化難降解有機(jī)污染物的系統(tǒng)從下至上分布有緩沖土層，陽極層4，待處理土壤層2，陰極層5。其中陽極層和陰極層中分別設(shè)置陽極導(dǎo)電材料3和陰極導(dǎo)電材料6，例如，埋鈦絲網(wǎng)或碳布等增強(qiáng)導(dǎo)電性，分別由導(dǎo)線導(dǎo)出與外接電阻I連接。在土壤中建立的土壤MFC對有機(jī)物的去除有良好的促進(jìn)作用，土壤中的有機(jī)物被接種厭氧污泥中的大量微生物降解。
[0015]目標(biāo)土壤處于嚴(yán)格的厭氧環(huán)境中，附著微生物的厭氧消化過程，土壤中的有機(jī)物被去除。此時接種厭氧污泥中產(chǎn)電菌的活性促成電流的產(chǎn)生，促進(jìn)了有機(jī)物尤其是難降解有機(jī)物的降解?；钚蕴繉訕?gòu)成MFC的陽極，頂層導(dǎo)電材料層構(gòu)成MFC的陰極，陽極富集的產(chǎn)電菌降解有機(jī)物產(chǎn)生質(zhì)子和電子，電子被導(dǎo)出產(chǎn)電菌胞外，經(jīng)電極和外接電路導(dǎo)至陰極，質(zhì)子隨反應(yīng)器內(nèi)溶液至陰極，在氧氣的參與下，發(fā)生電極反應(yīng)生成水，完成了產(chǎn)電功能的全過程。
[0016]為進(jìn)一步提高系統(tǒng)去除難降解有機(jī)物的效能和產(chǎn)電效能，所述陽極層導(dǎo)電材料可以是顆粒活性炭、不銹鋼材質(zhì)、碳布、石墨顆粒、石墨氈等，陰極導(dǎo)電材料層的導(dǎo)電材料采用顆?；钚蕴?、不銹鋼材質(zhì)、碳布、石墨顆粒或石墨氈等。所述的連接導(dǎo)線，優(yōu)選為鈦導(dǎo)線，也可以選用同材質(zhì)導(dǎo)線，并進(jìn)行連接點的絕緣密封處理。待處理土壤層中，目標(biāo)土壤均需要接種厭氧污泥。厭氧污泥和目標(biāo)土壤的質(zhì)量比為1:10。整個土層厚度1(Γ15厘米，處理方法開始之前和進(jìn)行中需要添加營養(yǎng)液。
[0017]本實施例的土壤MFC處理技術(shù)運行原理是這樣的:
微生物燃料電池中產(chǎn)電菌的活性促成電流的產(chǎn)生，促進(jìn)了有機(jī)物尤其是難降解有機(jī)污染物的降解?；钚蕴康葘?dǎo)電材料構(gòu)成MFC的陽極，頂層導(dǎo)電材料層構(gòu)成MFC的空氣陰極，陽極富集的產(chǎn)電菌降解有機(jī)物產(chǎn)生質(zhì)子和電子，電子被導(dǎo)出產(chǎn)電菌胞外，經(jīng)電極和外接電路導(dǎo)至陰極，質(zhì)子擴(kuò)散至陰極，在氧氣的參與下，發(fā)生電極反應(yīng)生成水，同時形成回路并產(chǎn)生電流。
[0018]回路中電流的產(chǎn)生強(qiáng)化了有機(jī)物電子的供給，促進(jìn)了有機(jī)物的降解。整個系統(tǒng)的協(xié)同作用，加強(qiáng)了系統(tǒng)中的物質(zhì)與能量流通，促進(jìn)了其凈化效能，也強(qiáng)化了產(chǎn)能效能。
[0019]案例一:
本實驗裝置裝置材料采用玻璃圓柱，直徑40mm(內(nèi)徑35mm)、高150mm,由下往上沿柱身分別為緩沖土層(高度為10mm)、土壤MFC活性炭陽極層(高度為15mm)、待處理土層(高度為100mm)、土壤MFC空氣陰極活性炭層(高度為15mm)。土壤MFC的陰陽極電極材料均為活性炭(粒徑為3-5mm，比表面積為500-900m2/g)。反應(yīng)器總?cè)莘e為140mL，土壤總質(zhì)量為130g(干重)，活性炭總質(zhì)量為20g (干重)。
[0020]在處理之前和進(jìn)行中需要添加營養(yǎng)液。營養(yǎng)液配比如下:
營養(yǎng)物質(zhì)配比____
成分_濃度(mg/L)成分_濃度(mg/L)
NH4Cl310MgSO4.7Ha0 200
KCl130CaCla15

NaHaPO4 4970FeCl3.6Ha0 I

NaaHPO4 2750MnSO4.HaO 28

(NM)aSO4 |560|coCla.6Ha0 |θ.24
建立三組不同的實驗裝置，其中第一組為實驗系，陰陽極內(nèi)包埋長30mm寬1mm的碳布并連接鈦導(dǎo)線引出連接恒定電阻10Ω形成閉合回路；第二組與第一組實驗裝置相同，而陰陽極導(dǎo)線不連接，形成開路對照系。第一組和第二組土壤中均勻混入12mL經(jīng)培養(yǎng)的某城市污水處理廠濃縮厭氧污泥(MLSS為50g/L)用以接種微生物。第三組與第二組在構(gòu)造上相同，但不添加厭氧污泥，形成開路不接種對照系。各組按土壤中HCB濃度為40mg/kg稱取一定量的HCB，配置成1000mg/L的丙酮溶液混入總土量10%的土中，實驗開始添加45mL溶有乙酸鈉的的營養(yǎng)液，當(dāng)土壤MFC電壓低至10mV時添加1mL營養(yǎng)液，實驗在30度的恒溫箱中進(jìn)行。處理56天后，第一，第二，第三組中平均HCB濃度分別由起始濃度的35.53 mg/kg,
35.53 mg/kg, 35.40 mg/kg 下降至 9.96mg/kg (干重)，16.41mg/kg, 21.0lmg/kg,實驗組比空白對照組HCB去除率高出32.22%。實驗開始7天以后，電池兩端獲得持續(xù)的電壓輸出，電壓為 0.25±0.IV。
[0021]案例二:
土壤MFC不同的外接電阻值，會影響微生物燃料電池的產(chǎn)電性能，同時影響土壤MFC對HCB去除率。設(shè)計三組平行試驗，試驗裝置與實例I相同。當(dāng)外接電阻依次為1000 Ω，510Ω和10Ω時，每組實驗4個產(chǎn)電周期內(nèi)的最大電流的平均值是分別為0.28mA, 0.39mA,
0.41mA。同時，HCB 的去除率分別為 61.18%, 67.82%, 71.15 %。
[0022]以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0023]另外需要說明的是，在上述【具體實施方式】中所描述的各個具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進(jìn)行組合。為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對各種可能的組合方式不再另行說明。
[0024]此外，本發(fā)明的各種不同的實施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種采用微生物燃料電池凈化農(nóng)藥類難降解有機(jī)污染土壤的系統(tǒng)，其特征在于，包括: 分別位于待處理土壤層兩側(cè)的陽極層(4)和陰極層(5)，位于所述陽極層中的陽極導(dǎo)電材料(3)和位于陰極層中的陰極導(dǎo)電材料(6)，連接所述陽極導(dǎo)電材料和陰極導(dǎo)電材料的導(dǎo)線，以及連接于導(dǎo)線上的外接電阻(I)。
2.如權(quán)利要求1所述的采用微生物燃料電池凈化農(nóng)藥類難降解有機(jī)污染土壤的系統(tǒng)，其特征在于，還包括位于系統(tǒng)下方的緩沖土層。
3.如權(quán)利要求1所述的采用微生物燃料電池凈化農(nóng)藥類難降解有機(jī)污染土壤的系統(tǒng)，其特征在于，所述陽極導(dǎo)電材料包括顆?；钚蕴俊⒉讳P鋼材質(zhì)、碳布、石墨顆粒和石墨氈。
4.如權(quán)利要求1所述的采用微生物燃料電池凈化農(nóng)藥類難降解有機(jī)污染土壤的系統(tǒng)，其特征在于，所述陰極導(dǎo)電材料包括顆?；钚蕴?、不銹鋼材質(zhì)、碳布、石墨顆粒和石墨氈。
5.如權(quán)利要求1所述的采用微生物燃料電池凈化農(nóng)藥類難降解有機(jī)污染土壤的系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)線為鈦導(dǎo)線或銅導(dǎo)線。
6.一種采用微生物燃料電池凈化農(nóng)藥類難降解有機(jī)污染土壤的方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟一、在待處理的土壤中接種厭氧污泥，添加處理液； 步驟二、建立權(quán)利要求1所述的采用微生物燃料電池凈化農(nóng)藥類難降解有機(jī)污染土壤的系統(tǒng)。
7.如權(quán)利要求6所述的采用微生物燃料電池凈化農(nóng)藥類難降解有機(jī)污染土壤的方法，其特征在于，所述厭氧污泥和目標(biāo)土壤的質(zhì)量比為1:10。
8.如權(quán)利要求6所述的采用微生物燃料電池凈化農(nóng)藥類難降解有機(jī)污染土壤的方法，其特征在于，所述處理液的配比為: NH4Cl 310 mg/L ；
MgSO4.7Η20 200 mg/L ；
KCl 130 mg/L ；
CaCl2 15 mg/L ； NaH2PO4 4970 mg/L ； FeCl3*6H20 I mg/L ；
Na2HPO4 2750 mg/L ； MnS04*H20 28 mg/L ；
(NH4) 2S04 5 60 mg/L ；
CoC12.6H20 0.24mg/L ；
Na2MO4* 2H20 0.04mg/L。
【文檔編號】B09C1/08GK104174646SQ201410437003
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】李先寧, 宋海亮, 吳磊, 曹羨, 余春艷 申請人:東南大學(xué)