专利名称：一种沉积物微生物电化学装置及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种沉积物微生物电化学装置，特别涉及一种带有螺旋搅拌和刮泥功 能的沉积物微生物电化学装置，属于环境工程领域。
背景技术：
随着经济的发展、社会的进步和人口的不断增长，人类对能源的需求越来越大，全 球性的能源危机日趋突出。同时，矿物燃料的大幅度消耗导致了日益严重的环境污染，威胁 着人类的生存环境。为了解决上述两个困扰国计民生和国民经济可持续发展的大问题，人 们渴望开发一种既可解决环境污染，又能提供清洁能源的技术。而微生物燃料电池技术，因 其具有绿色、节能、环保等特点正可满足这样的要求，成为当今科技界最热门的研究课题之
ο微生物燃料电池是利用电化学技术将微生物代谢能转化为电能的一种装置。微生 物燃料电池不仅可从易生化降解的有机物中获取电能，还可从一些难降解的有机物中获取 电能。进一步的研究发现，微生物燃料电池也可利用沉积物中的有机物来产电，其作用机理 为将阴极置于上层好氧的水相中，阳极材料放置于沉积物中，阴极和阳极之间通过导线相 连接，并接有电阻。沉积物中有机物在阳极区附近被沉积物中土著微生物氧化分解，产生的 电子到阳极，再经过外电路到达阴极，质子通过水-沉积物界面传递到阴极，并与氧气反应 生成水，从而完成整个化学氧化还原反应。上述这种类型的微生物电化学装置可为水体上传感器提供电源，也可用于沉积物 中有机物的修复。发明人在研究现有技术的微生物电化学装置时发现，以石墨作为沉积 物微生物电化学装置的电极，通过一段时间的运行后发现，在离阳极比较近的区域(0 1 cm)，沉积物中总有机质含量以及易氧化有机物的含量下降快，并发现微生物电化学装置作 用后的沉积物，其氧化还原电位发生正移，可抑制沉积物中产甲烷和硫还原的过程。相比已 有的底泥原位生物修复方法，不需要投加电子受体、供氧剂或微生物，而是利用底泥中土著 微生物，通过外加电极来增加其微生物活性，加速底泥中有机质的降解。但在远离阳极的区 域(>3 cm)总有机质的去除率不高，说明沉积物中有机物向阳极的传递是影响此类沉积物 微生物电化学装置性能的重要因素，成为其发展应用的一个重要瓶颈。
发明内容
针对现有技术的不足和缺陷，本发明的技术目的在于克服现有技术所存在的沉积 物中有机物传质问题，以及阳极使用时间长，效率低下的缺点，提供一种新型的沉积物微生 物电化学装置，使得该沉积物微生物电化学装置能够提高阳极区的有机物传质，提高阳极 电极效率，进一步扩大沉积物微生物电化学装置对于沉积物的修复作用。为实现本发明的技术目的，本发明的技术方案如下
一、一种沉积物微生物电化学装置，主要由阴极、阳极、导线、电阻，以及带有螺旋叶片、 支撑杆和刮泥板的搅拌轴组成；其中通过导线将位于水相中的阴极、位于沉积物中的阳极以及电阻串联起来形成一个回路，电阻介于阴极和阳极之间；搅拌轴纵向贯穿水相和沉积 物，其位于沉积物的一端之上设置有螺旋叶片并分布围绕于搅拌轴周围，并在其未被螺旋 叶片占用的空隙处垂直设置有至少两根支撑杆，支撑杆的另一端连接刮泥板，使得刮泥板 纵向与搅拌轴平行；搅拌轴位于水相中的一端纵向从阴极穿出而定位于整个装置的中心 处。本发明所述的沉积物微生物电化学装置还包括支架，支架包覆于阳极外围并将阳 极固定；支架为圆柱形。本发明所述的阴极的电极材料是不锈钢、或者碳毡；由于阴极被搅拌轴贯穿，因此 为圆环形。本发明所述的阳极的电极材料是碳毡；且为圆柱形。本发明所述的搅拌轴、刮泥板、支撑杆和螺旋叶片的材料是聚氯乙烯、或者硬度为 60 95的塑料材料。二、本发明所述的沉积物微生物电化学装置的应用。具体的应用方法为
A、电极安装
将阳极固定于支架的内壁后，将带有螺旋叶片、支撑杆和刮泥板的搅拌轴置于支架中， 调节支撑杆以改变刮泥板的长度，以使得刮泥板可接触到阳极；将此固定好的电极、搅拌轴 和支架置于沉积物中；然后将阴极置于沉积物上层水相中，搅拌轴从阴极中穿出从而将阴 极定位；
B、电路连接
将阴极、阳极和电阻用导线串联在一起形成一个回路，且电阻介于阴极和阳极之间；
C、沉积物微生物电化学装置的运行
沉积物微生物电化学装置启动在20天后，每隔14天时间，旋转搅拌轴60转/分钟，以 提高阳极区有机物的传质。本发明的有益效果在于
(1)本发明与现有技术的不同及优势在于既可防止长时间运行，阳极被富含低有机物 的沉积物所覆盖，又可借助螺旋推进的方式，使得沉积物混合均勻，并不断的将富含高有机 物的沉积物与阳极所接触；
(2)本发明所述的沉积物微生物电化学装置结构简单，不需要太多的维护，建造和运行 成本低；
(3)通过本发明所述的带有螺旋搅拌和刮泥功能的沉积物微生物电化学装置，可显著 提高产电能力和沉积物修复作用。
图1本发明的结构示意图
其中，1-阴极；2-搅拌轴；3-电阻；4-导线；5-阳极；6-刮泥板；7-支撑杆；8-螺旋叶 片；9-支架。图2阴极为碳毡时，电压随时间的变化。图3阴极为不锈钢时，电压随时间的变化。
具体实施例方式下面通过具体的实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。实施例1
本实施例说明本发明所述的沉积物微生物电化学装置的具体结构、应用方法以及工作原理。参照附图1，沉积物微生物电化学装置，主要由阴极1、阳极5、导线3、电阻4，以及 带有螺旋叶片8、支撑杆7和刮泥板6的搅拌轴2组成；其中通过导线3将位于水相中的阴 极1、位于沉积物中的阳极5以及电阻4串联起来形成一个回路，电阻4介于阴极1和阳极 5之间；搅拌轴2纵向贯穿水相和沉积物，其位于沉积物的一端之上设置有螺旋叶片8并分 布围绕于搅拌轴2周围，并在其未被螺旋叶片8占用的空隙处垂直设置有至少两根支撑杆 7，支撑杆7的另一端连接刮泥板6，使得刮泥板6纵向与搅拌轴2平行；搅拌轴2位于水相 中的一端纵向从阴极1穿出而定位于整个装置的中心处。该装置还包括支架9，支架9包覆于阳极5外围并将阳极5固定；支架9为圆柱形 时，阳极5也为圆柱形。而由于阴极1被搅拌轴2贯穿，因此阴极1为圆环形。安装本发明的装置时，将阳极5固定于支架9的内壁后，将带有螺旋叶片8和刮泥 板6的搅拌轴2置于支架9中，适当调节刮泥板6的长度，以使得刮泥板可接触到阳极；然 后将阴极1置于沉积物上层好氧的水相中，将阳极5及支架9置于沉积物中，搅拌轴2从阴 极1上的圆孔中穿出。使用时，将沉积物微生物电化学装置的阴极1和阳极5，通过导线3 和电阻4相连接，电阻4介于阳极5和阴极1之间。阳极5附近的厌氧菌，以阳极5作为电 子受体，不断的将其附近沉积物中的有机物氧化，传递电子和质子到阴极1从而形成电流。 随着反应时间的进行，离阳极0 1 cm处的有机物含量不断的减少，沉积物微生物电化学 装置的效率开始下降。因此隔14天，转动搅拌轴2，带动刮泥板6，会把阳极5上附着的一 些低有机物含量的沉积物给刮下来，在搅拌轴2带的螺旋叶片8的作用下，中间富含高有机 物含量的沉积物会向两侧的阳极5靠拢，从而提高沉积物微生物电化学装置的效率，加速 沉积物中有机物的降解。实施例2
本实施例说明该沉积物微生物电化学装置去除沉积物中有机物的作用实验。取700 g的江苏境内太湖中的沉积物置于反应器中，按实施例1所述的安装方法 将碳毡阳极(有效面积100 cm2)装入到软玻璃作成的支架中并固定，插入到沉积物中。将带 有螺旋叶片和刮泥板的搅拌轴插入到阳极中部，然后再加入500 mL水，把碳毡阴极(有效面 积60 cm2)漂浮在水面上，当沉积物微生物电化学装置接好电阻后，电压开始缓慢增长，20 天后，旋转搅拌轴(60转/分)搅动沉积物，然后停止，每隔14天重复进行搅拌，此过程中获 得的最大电压为300 mV (见图2)。运行60天后，取出沉积物微生物电化学装置作用后的 沉积物，分析沉积物中有机质含量(L0I)。有机质含量用灼烧损耗量(LOI= (Wltl5-W55tl)/ W1J X 100%)来计算，其中Wltl5表示沉 积物在105度下烘干过夜后的重量，W550表示沉积物在105度烘干后，在550度煅烧四小时 后的重量。最终LOI去除率达到了 31. 6 %，并且其对沉积物中有机物的作用范围从电极附 近(0 1 cm)扩大到整个阳极区。
实施例3
本实施例说明该沉积物微生物电化学装置去除沉积物中有机物的作用实验。取700 g的江苏境内太湖中的沉积物置于反应器中，按实施例1所述的安装方法 将碳毡阳极(有效面积100 cm2)装入到软玻璃作成的支架中并固定，插入到沉积物中。将带 有螺旋叶片和刮泥板的搅拌轴插入到阳极中部，然后再加入500 mL水，把不锈钢(304)阴 极(有效面积60 cm2)漂浮在水面上，当沉积物微生物电化学装置接好电阻后，电压开始缓 慢增长，20天后，旋转搅拌轴(60转/分)搅动沉积物5分钟，然后停止，每隔14天重复进 行搅拌，此过程中获得的最大电压为205 mV (见图3)。运行60天后，取出沉积物微生物电 化学装置作用后的沉积物，按照实施例2的方法，分析沉积物中有机质含量(L0I )，最终LOI 去除率达到了 26.6%，并且其对沉积物中有机物的作用范围从电极附近(0 1 cm)扩大到 整个阳极区。
权利要求
一种沉积物微生物电化学装置，主要由阴极(1)、阳极(5)、导线(4)、电阻(3)，以及带有螺旋叶片(8)、支撑杆(7)和刮泥板(6)的搅拌轴(2)组成；其中通过导线(4)将位于水相中的阴极(1)、位于沉积物中的阳极(5)以及电阻(3)串联起来形成一个回路，电阻(3)介于阴极(1)和阳极(5)之间；搅拌轴(2)纵向贯穿水相和沉积物，其位于沉积物的一端之上设置有螺旋叶片(8)并分布围绕于搅拌轴(2)周围，并在其未被螺旋叶片(8)占用的空隙处垂直设置有至少两根支撑杆(7)，支撑杆(7)的另一端连接刮泥板(6)，使得刮泥板(6)纵向与搅拌轴(2)平行；搅拌轴(2)位于水相中的一端纵向从阴极(1)穿出而定位于整个装置的中心处。
2.根据权利要求1所述的沉积物微生物电化学装置，其特征在于还包括支架(9)，支架 (9)包覆于阳极(5)外围并将阳极(5)固定。
3.根据权利要求2所述的沉积物微生物电化学装置，其特征在于所述的支架(9)为圆 柱形。
4.根据权利要求1所述的沉积物微生物电化学装置，其特征在于所述的阴极(1)的电 极材料是不锈钢或者碳毡。
5.根据权利要求4所述的沉积物微生物电化学装置，其特征在于所述的阴极(1)为圆 环形。
6.根据权利要求1所述的沉积物微生物电化学装置，其特征在于所述的阳极(5)的电 极材料是碳毡。
7.根据权利要求6所述的沉积物微生物电化学装置，其特征在于所述的阳极(5)为圆 柱形。
8.根据权利要求1所述的沉积物微生物电化学装置，其特征在于所述的搅拌轴(2)、刮 泥板(6)、支撑杆(7)和螺旋叶片(8)的材料是聚氯乙烯、或者硬度为60 95的塑料材料。
9.根据权利要求1所述的沉积物微生物电化学装置的应用，其特征在于应用方法为A、电极安装将阳极固定于支架的内壁后，将带有螺旋叶片、支撑杆和刮泥板的搅拌轴置于支架中， 调节支撑杆以改变刮泥板的长度，以使得刮泥板可接触到阳极；将此固定好的电极、搅拌轴 和支架置于沉积物中；然后将阴极置于沉积物上层水相中，搅拌轴从阴极中穿出从而将阴 极定位。B、电路连接将阴极、阳极和电阻用导线串联在一起形成一个回路，且电阻介于阴极和阳极之间；C、沉积物微生物电化学装置的运行沉积物微生物电化学装置启动在20天后，每隔14天时间，旋转搅拌轴60转/分钟，以 提高阳极区有机物的传质。
全文摘要
本发明涉及一种沉积物微生物电化学装置，属于环境工程领域。本装置主要由阴极、阳极、导线、电阻，以及带有螺旋叶片、支撑杆和刮泥板的搅拌轴组成；其中通过导线将位于水相中的阴极、位于沉积物中的阳极以及电阻串联起来形成一个回路，电阻介于阴极和阳极之间。本发明在运行一段时间后，转动搅拌轴，更换与电极接触的沉积物，从而提高沉积物微生物电化学装置的效率，加大其对于沉积物的修复作用。通过本发明所述的沉积物微生物电化学装置，可显著提高阳极区沉积物中有机物的传质。本发明结构简单，不需要太多的维护、建造，具备良好的经济效益及应用前景。
文档编号C02F3/34GK101962232SQ201010518598
公开日2011年2月2日 申请日期2010年10月26日 优先权日2010年10月26日
发明者宋天顺, 江和龙 申请人:中国科学院南京地理与湖泊研究所