在土壤中建立的微生物燃料电池去除重金属的系统和方法.pdf

本发明涉及一种在土壤中建立的微生物燃料电池去除重金属的系统和方法，该系统自下至上分布有阴极单元(5)、阴极单元导电材料(6)、待处理的目标土壤(2)、阳极单元导电材料(3)、阳极单元(4)；外接电路电阻(1)的两端分别通过连接导线接阴极单元导电材料(6)和阳极单元导电材料(3)。本发明利用微生物燃料电池可以去除重金属的特点，在土壤中建立微生物燃料电池，能够有效的在不破坏土壤自身结构和特性的情况下对土壤中的重金属进行去除富集。不仅拓展了微生物燃料电池在去除、降解危害物质的使用范围，而且在去除、富集土壤重金属的同时，产生了电能，实现能源的回收利用和资源的最大化利用。

权利要求书
1.  一种在土壤中建立的微生物燃料电池去除重金属的系统，其特征在于该 系统自下至上分布有阴极单元(5)、阴极单元导电材料(6)、待处理的目标土壤 (2)、阳极单元导电材料(3)、阳极单元(4)；外接电路电阻(1)的两端分别 通过连接导线接阴极单元导电材料(6)和阳极单元导电材料(3)。
其中阴阳极材料中包埋钛丝网或碳布等增强导电性，分别由导线导出与外接 电路连接。

2.  按权利要求1所述的在土壤中建立的微生物燃料电池去除重金属的系统， 其特征在于所述阳极单元(4)、阴极单元(5)，其中的颗粒活性炭直径为3-5mm， 填充密度为0.45-0.55g/cm3。

3.  按权利要求1所述的一种在土壤中建立的微生物燃料电池去除重金属的 系统，其特征在于所述阳极单元导电材料(3)和阴极单元导电材料(6)的导电 材料采用颗粒活性炭、不锈钢材质、碳布、石墨颗粒或石墨毡。

4.  按权利要求1所述的一种在土壤中建立的微生物燃料电池去除重金属的 系统，其特征在于所述的连接导线为钛导线，或同材质导线，并进行连接点的绝 缘密封处理。

5.  按权利要求1所述的一种在土壤中建立的微生物燃料电池去除重金属的 系统，其特征在于所述的待处理的目标土壤(2)中，目标土壤需接种厌氧污泥。 厌氧污泥和目标土壤的质量比为1：10，最终待处理的目标土壤(2)需加入营 养液至土壤处于饱和水状态。

6.  按权利要求5所述的一种在土壤中建立的微生物燃料电池去除重金属的 系统，其特征在于所述的营养液中含有重金属螯合剂或表面活性剂，为乙二胺四 乙酸、柠檬酸、鼠李糖脂或皂角苷。

7.  一种如权利要求1所述的在土壤中建立的微生物燃料电池去除重金属的 系统去除重金属的方法，其特征在于在所述的待处理的目标土壤(2)处于饱和 水状态，处于严格的厌氧环境中，土壤中的有机质、营养液中的有机物质，附着 微生物的厌氧消化过程，营养物质被消耗；此时接种厌氧污泥中产电菌的活性促 成电流的产生，同时输出电压，使得土壤中的重金属在内部电场的作用下发生迁 移，且方向为从阳极单元(4)向阴极单元(5)移动，并在阴极单元(5)及土 壤顶层富集；颗粒活性炭和阳极导电材料(3)及阴极导电材料(6)分别构成 MFC的阳极单元(4)、阴极单元(5)，顶层导电材料层构成MFC的阴极，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，经电极和外 接电路导至阴极单元(5)，质子随反应器内溶液至阴极单元(5)，在氧气的参与 下，发生电极反应生成水，完成了产电功能的全过程。

说明书在土壤中建立的微生物燃料电池去除重金属的系统和方法
技术领域
本发明属于能源与土壤污染处理领域，具体涉及适用于重金属污染土壤的处 理并提高重金属去除能效的土壤MFC(Microbial Fuel Cell，微生物燃料电池) 处理方法。
背景技术
随着经济的不断发展，能源和环境问题日益突出。联合国环境署的报告表明， 整个地球的环境正在全面恶化，环境问题是一个全球性问题。土壤是人类赖以生 存的要素，也是及生态环境的重要组成部分，但土壤污染问题日趋恶化，土壤中 的重金属污染，如Cu，Cd，Cr等已成为全球性的研究热点。土壤是生产实物、 纤维及林产品不可替代或缺乏的自然资源，又是保持地球系统的生命活性，维护 整个人类社会和生物圈共同繁荣的基础。由于土壤质量衰退曾给人类文明和社会 发展留下了惨痛的教训。因此，保护土壤，特别是保护耕地土壤数量和质量，理 所当然成为一个国家的重要方针。
微生物燃料电池(MFC)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。它属于生物质能利用技术中的 生物化学转化技术，将生物质转化为电能。土壤中的微生物分布广、数量大、种 类多，是微生物生活的大本营，同时市政污水、人畜粪便等都可作为MFC燃料。 将MFC应用到修复重金属污染土壤，在处理土壤重金属的同时获得电能，是缓解 当前能源危机和解决土壤环境问题的有效途径，也是环境能源领域的热点研究课 题之一。
土壤中的重金属的形态通常有可交换态、碳酸盐结合态、铁猛氧化物结合态、 有机结合态和残渣态等几种形态，土壤中以水溶态和可交换态的重金属较易被处 理，而以有机态和残留态存在的重金属较难去除。在重金属土壤污染的处理中， 离子态重金属污染物首先必须解吸以后，才能迁移，因而在土壤MFC修复重金属 污染土壤时，增加重金属由吸附态向游离态的转化非常重要，可以向土壤中加入
络合剂、表面活性剂等。
土壤中的污染物在电场下发生运动，其主要运动机制有电迁移、电渗析、电 泳和自由扩散等，在这四种机制中，电迁移和电渗直接影响着电动修复的效果。 在土壤MFC产电的过程中，阳极由于微生物对有机物质的降解，产生大量的H+， 由于质子的迁移速率比质子的产生速率及在阴极的消耗速率低，使得阴阳极的 pH发生变了变化。
在土壤中构建MFC，将土壤下层厌氧环境经改性后作为MFC的阳极，将土壤 表层基质作为MFC的空气阴极，构建土壤MFC，通过土壤中种类及数量丰富的微 生物，通过外电路的连接，并通过产电微生物促进有机物质的降解，促进土壤重 金属向阴极迁移、富集，同时收集产生的电能。土壤MFC去除重金属方法，作为 一种复合功能的修复方法，不仅能够多途径地去除重金属，促进难降解有机污染 物的降解，而且能够回收所产生的电能，实现能源的回收利用和资源的最大化利 用，其研究具有非常显著的现实意义。
目前MFC应在重金属污染土壤中的研究国内外尚未见报道。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种在土壤中建立的微生物燃料电池去除 重金属的系统和方法，
技术方案：本发明的一种在土壤中建立的微生物燃料电池去除重金属的系 统该系统自下至上分布有阴极单元、阴极单元导电材料、待处理的目标土壤、阳 极单元导电材料、阳极单元；外接电路电阻的两端分别通过连接导线接阴极单元 导电材料和阳极单元导电材料。
其中阴阳极材料中包埋钛丝网或碳布等增强导电性，分别由导线导出与外接 电路连接。
所述阳极单元、阴极单元，其中的颗粒活性炭直径为3-5mm，填充密度为 0.45-0.55g/cm3。
所述阳极单元导电材料和阴极单元导电材料的导电材料采用颗粒活性炭、不 锈钢材质、碳布、石墨颗粒或石墨毡。
所述的连接导线为钛导线，或同材质导线，并进行连接点的绝缘密封处理。
所述的待处理的目标土壤中，目标土壤需接种厌氧污泥。厌氧污泥和目标土 壤的质量比为1：10，最终待处理的目标土壤需加入营养液至土壤处于饱和水状 态。
所述的营养液中含有重金属螯合剂或表面活性剂，为乙二胺四乙酸(EDTA)、 柠檬酸、鼠李糖脂或皂角苷。
本发明在土壤中建立的微生物燃料电池去除重金属的系统去除重金属的方 法是：在所述的待处理的目标土壤处于饱和水状态，处于严格的厌氧环境中，土 壤中的有机质、营养液中的有机物质，附着微生物的厌氧消化过程，营养物质被 消耗；此时接种厌氧污泥中产电菌的活性促成电流的产生，同时输出电压，使得 土壤中的重金属在内部电场的作用下发生迁移，且方向为从阳极单元向阴极单元 移动，并在阴极单元及土壤顶层富集；颗粒活性炭和阳极导电材料及阴极导电材 料分别构成MFC的阳极单元、阴极单元，顶层导电材料层构成MFC的阴极， 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，经电极 和外接电路导至阴极单元，质子随反应器内溶液至阴极单元，在氧气的参与下， 发生电极反应生成水，完成了产电功能的全过程。
有益效果：土壤中的重金属在EDTA、皂角苷、鼠李糖脂等淋洗剂的作用下， 使得重金属脱离土壤的吸附，这些重金属在土壤MFC内部电场的作用下发生迁 移，并在土壤顶层及阴极单元富集，对去除土壤重金属及改良土壤环境达到了良 好的效果，为修复土壤重金属污染的方法提供新的理论基础和新技术。
附图说明
图1是土壤微生物燃料电池系统结构示意图。
其中有：外接电路电阻1；待处理的目标土壤2；阳极单元导电材料3；阳 极单元4；阴极单元5；阴极单元导电材料6。
具体实施方式
在土壤中建立的微生物燃料电池去除重金属的系统由土壤加载MFC构成，土 壤MFC单元从下至上分布有缓冲土层，阳极层，待处理土壤层，阴极层。其中阴 阳极材料中包埋钛丝网或碳布等增强导电性，分别由导线导出与外接电路连接。
所述的阳极单元、阴极单元中的活性炭颗粒直径为3-5mm，填充密度为 0.45-0.55g/cm3。
所述阳极层导电材料可以是颗粒活性炭、不锈钢材质、碳布、石墨颗粒、石 墨毡等；顶层阴极导电材料层的导电材料采用颗粒活性炭、不锈钢材质、碳布、 石墨颗粒或石墨毡等。
所述的连接导线，优选钛导线，也可以选用同材质导线，并进行连接点的绝 缘密封处理。
待处理土壤层中，目标土壤均需要接种厌氧污泥。接种方式为将目标土壤与 厌氧污泥以1:10(质量比)进行混合，以保证土壤MFC的正常运转。整个处理 方法开始之前和进行中需要添加营养液。
在土壤中建立土壤MFC，目标土壤处于饱和水状态，处于严格的厌氧环境中， 土壤中的有机质、营养液中的有机物质，附着微生物的厌氧消化过程，营养物质 被消耗。此时接种厌氧污泥中产电菌的活性促成电流的产生，同时输出功率，使 得土壤中的重金属从阳极向阴极移动，并在阴极富集。活性炭层构成MFC的阳极， 顶层导电材料层构成MFC的阴极，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，经电极和外接电路导至阴极，质子随反应器内溶液 至阴极，在氧气的参与下，发生电极反应生成水，完成了产电功能的全过程。
为进一步提高系统的产电性能和去除重金属能力，所述的活性炭层的活性炭 颗粒直径为3-5mm，填充密度为0.45-0.55g/cm3。所述阳极层导电材料可以是 颗粒活性炭、不锈钢材质、碳布、石墨颗粒、石墨毡等，顶层阴极导电材料层的 导电材料采用颗粒活性炭、不锈钢材质、碳布、石墨颗粒或石墨毡等。所述的连 接导线，优选钛导线，也可以选用同材质导线，并进行连接点的绝缘密封处理。 待处理土壤层中，目标土壤均需要接种厌氧污泥；接种方式为将目标土壤与厌氧 污泥以1:10(质量比)进行混合。整个处理方法开始之前和进行中需要添加营 养液。
本实施例的土壤MFC处理技术运行原理如下，在阳极活性炭层通过基质以及 其上附着的生物膜对土壤中的有机质及营养物质进行分解，在该过程中产生了电 子和质子，电子经阳极、外电路到达阴极，而质子经上部绝缘沙砾层到达阴极， 阴极以氧气作为电子受体，同质子与氧气发生电极反应生成水，形成回路并产生 电流、电压。回路中电流、电压的产生使得带有电性的金属离子向阴极迁移，并 在阴极层富集，收集阴极层及表层土壤并进行集中处理。整个系统的协同作用， 不仅能够多途径地去除重金属，而且能够回收所产生的电能，实现能源的回收利 用和资源的最大化利用。