申请日2018.01.18
公开(公告)日2018.07.31
IPC分类号B09C1/08; B09C1/02; C02F3/34; C02F101/30
摘要
本发明公开了一种燃料电池处理有机废水同步修复土壤重金属的系统和方法，该系统包括微生物燃料电池、数据采集调控装置和土壤电动力学修复装置。数据采集调控装置一端通过导线分别连接阳极单元和阴极单元、另一端通过导线分别连接阴电极和阳电极，数据采集调控装置用于采集微生物燃料电池产生的电压信号，以及调控所述土壤电动力学修复装置接收的电流大小。本发明利用微生物燃料电池处理有机废水，在处理废水的同时产生电能用于去除土壤中的重金属，本发明不会破坏土壤的结构，不影响土壤中有机质含量;同时数据采集调控装置的设置，有效提高了微生物燃料电池电能的利用效率和土壤中重金属的去除率。
权利要求书
1.一种燃料电池处理有机废水同步修复土壤重金属的系统，其特征在于，包括微生物燃料电池、数据采集调控装置和土壤电动力学修复装置;
所述微生物燃料电池设有阳极室和阴极室，所述阳极室和阴极室内分别设有阳极单元和阴极单元，所述阳极室内设有活性污泥，所述阴极室内设有电解液，所述阳极室和阴极室之间通过质子交换膜相间隔，所述阳极单元和阴极单元外端通过导线连接外电阻，所述阳极室设有废水入口和废水出口，所述阴极室设有通气口和出水口;
所述土壤电动力学修复装置设有阴极处理区和阳极处理区，所述阴极处理区和阳极处理区内为待修复的污染土壤，所述阴极处理区和阳极处理区内分别设有阴电极和阳电极，所述阴极处理区与阳极处理区之间通过阳离子选择性透过膜相间隔;
所述数据采集调控装置一端通过导线分别连接阳极单元和阴极单元、另一端通过导线分别连接阴电极和阳电极，所述数据采集调控装置用于采集微生物燃料电池产生的电压信号，以及调控所述土壤电动力学修复装置接收的电流大小。
2.根据权利要求1所述的燃料电池处理有机废水同步修复土壤重金属的系统，其特征在于：所述阳极单元包括导电材料和附着材料，所述附着材料附着在导电材料外表面，所述附着材料为碳纳米管或石墨烯。
3.根据权利要求1所述的燃料电池处理有机废水同步修复土壤重金属的系统，其特征在于：所述阴极单元包括导电材料和催化剂，所述催化剂附着在导电材料外表面，所述催化剂为MnO2。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池处理有机废水同步修复土壤重金属的系统，其特征在于：所述导电材料为碳纸、网状玻璃碳或石墨棒。
5.根据权利要求1所述的燃料电池处理有机废水同步修复土壤重金属的系统，其特征在于：所述数据采集调控装置包括数据采集卡、单片微控制器、充电控制电路、蓄电池和放电控制电路，所述数据采集卡通过导线分别连接阳极单元和阴极单元，所述数据采集卡用于采集微生物燃料电池产生的电压信号;所述充电控制电路一端连接微生物燃料电池电路，另一端连接蓄电池，所述充电控制电路用于将微生物燃料电池产生的电能储存至蓄电池中;所述放电控制电路一端分别于微生物燃料电池电路和蓄电池连接，另一端连接土壤电动力学修复装置，所述放电控制电路用于将微生物燃料电池产生的电能直接传输至土壤电动力学修复装置，以及将蓄电池存储的电能传输至土壤电动力学修复装置;所述单片微控制器一端连接蓄电池，另一端连接放电控制电路，所述单片微控制器用于调控土壤电动力学修复装置接收的电流大小。
6.根据权利要求1所述的燃料电池处理有机废水同步修复土壤重金属的系统，其特征在于：所述土壤电动力学修复装置顶端设有淋洗装置，所述淋洗装置包括淋洗液室和喷淋管，所述淋洗液室内设有与重金属络合的淋洗液，所述淋洗液室与喷淋管相通，所述喷淋管表面设有数个喷孔。
7.根据权利要求6所述的燃料电池处理有机废水同步修复土壤重金属的系统，其特征在于：所述淋洗液内含有重金属络合剂，所述重金属络合剂为乙二胺二琥珀酸、乙二胺四乙酸、柠檬酸、鼠李糖脂中的一种或几种。
8.利用权利要求1、2或3所述系统进行有机废水处理同步修复土壤重金属的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将有机废水通过废水入口导入阳极室，阳极室内的活性污泥将有机废水氧化并产生电子和质子;
2)阳极单元吸附电子，并将电子通过导线传递给阴极单元，质子通过质子交换膜传递到阴极室，在阴极室内电子与质子同时在氧气的参与下发生电极反应生成水，完成产电功能的全过程;
3)所述数据采集调控装置采集微生物燃料电池产生的电压信号，并进行数据处理和存储，以及调控电动力学土壤修复装置接收的电流大小，使电流密度不小于20mA/m2;
4)电动力学土壤修复装置中的阴电极和阳电极通过导线获得电流，并产生电场，使得土壤中的重金属在电场的作用下从阳电极向阴电极发生迁移，并透过阳离子选择性透过膜，在阴电极富集，定期将阴电极抽出回收重金属。
9.根据权利要求8所述的有机废水处理同步修复土壤重金属的方法，其特征在于：所述活性污泥为乙酸钠模拟废水驯化培养的消化污泥。
说明书
燃料电池处理有机废水同步修复土壤重金属的系统和方法
技术领域
本发明属于微生物电化学领域，具体涉及一种燃料电池处理有机废水同步修复土壤重金属的系统和方法。
背景技术
目前我国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，对人们的生产生活造成了严重的影响。近年来，不断发生的“血铅”、“镉米”和“砷毒”事件，使得土壤重金属污染受到了广泛关注。根据《全国土壤污染状况调查公报》(2014)，全国土壤总的超标率为16.1%，污染类型以重金属为主，重金属污染物的超标点位数占全部超标点位的82.8%，其中镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍8种重金属污染物点位超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%。因此开发一种环境友好、投入成本低、操作简便的污染土壤治理技术，对实现修复重金属污染土壤具有重要意义。
微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物作为催化剂，直接将有机物的化学能转化为电能的装置。阳极上附着的微生物将有机质氧化，并将电子传递给阳极，电子通过外电路传递至阴极，并最终与氧气、质子反应生成水。在这个过程中，有机质被降解，其中的化学能转化为电能。市政的污水、人畜粪便等有机质都可作为MFC燃料。将MFC应用到修复重金属污染土壤，在处理有机废水的同时获得的电能用于去除土壤中的重金属，是缓解当前能源危机和解决土壤以及水环境问题的有效途径。
经检索，中国专利申请号为201410747630.5，申请公布日为2015.05.20的专利申请文件公开了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，该发明利用微生物燃料电池去除重金属的特点，在土壤中建立微生物燃料电池，对土壤中的重金属进行去除富集。其不足之处是土壤中的有机质在阳极被降解后，易造成土壤肥力下降，不利于土壤后续耕种，土壤环境中有机质组分和含量的不同对MFC产电性能也会产生显著影响，土壤中存在的重金属也会对产电菌产生毒害作用。此外，产电过程中需维持阳极的严格厌氧环境，操作维护繁琐。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种燃料电池处理有机废水同步修复土壤重金属的系统和方法。
为了实现上述目的，本发明的第一个技术方案是：
一种燃料电池处理有机废水同步修复土壤重金属的系统，包括微生物燃料电池、数据采集调控装置和土壤电动力学修复装置;
所述微生物燃料电池设有阳极室和阴极室，所述阳极室和阴极室内分别设有阳极单元和阴极单元，所述阳极室内设有活性污泥，所述阴极室内设有电解液，所述阳极室和阴极室之间通过质子交换膜相间隔，所述阳极单元和阴极单元外端通过导线连接外电阻，所述阳极室设有废水入口和废水出口，所述阴极室设有通气口和出水口;
所述土壤电动力学修复装置设有阴极处理区和阳极处理区，所述阴极处理区和阳极处理区内为待修复的污染土壤，所述阴极处理区和阳极处理区内分别设有阴电极和阳电极，所述阴极处理区与阳极处理区之间通过阳离子选择性透过膜相间隔;
所述数据采集调控装置一端通过导线分别连接阳极单元和阴极单元、另一端通过导线分别连接阴极单元和阳极单元，所述数据采集调控装置用于采集微生物燃料电池产生的电压信号，以及调控所述土壤电动力学修复装置接收的电流大小。
进一步地;所述阳极单元包括导电材料和附着材料，所述附着材料附着在导电材料外表面，所述附着材料为碳纳米管或石墨烯。
进一步地;所述阴极单元包括导电材料和催化剂，所述催化剂附着在导电材料外表面，所述催化剂为MnO2。
进一步地;所述导电材料为碳纸、网状玻璃碳或石墨棒。
进一步地;所述数据采集调控装置包括数据采集卡、单片微控制器、充电控制电路、蓄电池和放电控制电路，所述数据采集卡通过导线分别连接阳极单元和阴极单元，所述数据采集卡用于采集微生物燃料电池产生的电压信号;所述充电控制电路一端连接微生物燃料电池电路，另一端连接蓄电池，所述充电控制电路用于将微生物燃料电池产生的电能储存至蓄电池中;所述放电控制电路一端分别于微生物燃料电池电路和蓄电池连接，另一端连接土壤电动力学修复装置，所述放电控制电路用于将微生物燃料电池产生的电能直接传输至土壤电动力学修复装置，以及将蓄电池存储的电能传输至土壤电动力学修复装置;所述单片微控制器一端连接蓄电池，另一端连接放电控制电路，所述单片微控制器用于调控土壤电动力学修复装置接收的电流大小。
进一步地;所述土壤电动力学修复装置顶端设有淋洗装置，所述淋洗装置包括淋洗液室和喷淋管，所述淋洗液室内设有与重金属络合的淋洗液，所述淋洗液室与喷淋管相通，所述喷淋管表面设有数个喷孔。
进一步地;所述淋洗液内含有重金属络合剂，所述重金属络合剂为乙二胺二琥珀酸、乙二胺四乙酸、柠檬酸、鼠李糖脂中的一种或几种。
本发明的第二个技术方案是：一种燃料电池处理有机废水同步修复土壤重金属的方法，包括如下步骤：
1)将有机废水通过废水入口导入阳极室，阳极室内的活性污泥将有机废水氧化并产生电子和质子;
2)阳极单元吸附电子，并将电子通过导线传递给阴极单元，质子通过质子交换膜传递到阴极室，在阴极室内电子与质子同时在氧气的参与下发生电极反应生成水，完成产电功能的全过程;
3)所述数据采集调控装置采集微生物燃料电池产生的电压信号，并进行数据处理和存储，以及调控电动力学土壤修复装置接收的电流大小，使电流密度不小于20mA/m2;
4)电动力学土壤修复装置中的阴电极和阳电极通过导线获得电流，并产生电场，使得土壤中的重金属在电场的作用下从阳电极向阴电极发生迁移，并透过阳离子选择性透过膜，在阴电极富集，定期将阴电极抽出回收重金属。
进一步地;所述活性污泥为乙酸钠模拟废水驯化培养的消化污泥。
本发明的有益效果：
1、本发明利用微生物燃料电池处理有机废水，在处理废水的同时产生电能用于去除土壤中的重金属，而且发电过程中不会产生任何污染环境的有害气体，去除土壤中重金属的过程中土壤的结构不会被破坏，有机质含量没有降低，保证了土壤的肥力，有利于后期农作物的耕种，为修复土壤重金属以及有机废水的降解提供了一种高效益、清洁环保的处理工艺。
2、本发明的阳极单元外表面附着碳纳米管或石墨烯，增大了比表面积，提供了更多的接触位点，有助于物质传递和菌体附着，提升了胞外电子产电效率;阴极单元外表面附着MnO2催化剂，加快了电子转移速率，促进阴极还原反应，提高产电性能。
3、利用淋洗装置对待修复土壤进行淋洗，利用重金属络合剂与重金属反应，将重金属由稳定的不溶态转化成可溶的配合物，促使重金属在污染土壤中的迁移，因此提高了重金属的去除效率。
4、通过数据采集调控装置对微生物燃料电池产生的电能进行检测并最大效率的利用，通过增加蓄电池供电电路，可使微生物燃料电池产生的电能稳定的输出至土壤电动力学修复装置中，避免了微生物燃料电池产电周期中电能不足时，不能在土壤中产生促使重金属迁移的有效电场而造成的电能浪费，而当蓄电池满荷时，则由微生物燃料电池单独向土壤电动力学修复装置供电，因此进一步避免了电能的浪费，当微生物燃料电池再次产电不足时则切换至蓄电池供电，因此在避免电能浪费的同时也保证了在土壤中产生有效的电场。