一种浮床植物耦合沉积物微生物燃料电池的水质净化方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及燃料电池水质净化领域，具体的涉及一种浮床植物耦合沉积物微生物燃料电池的水质净化方法。
【背景技术】
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[0002]利用海底沉积物中的有机物进行发电，被称为“无人看守海底发电机”，基于沉积物微生物燃料电池(SMFC)的水体污染修复技术逐渐发展起来。在SMFC中，阳极通常置于缺氧的水底沉积物，而阴极则悬于阳极上方的含氧水中，阴阳极之间以导线相连，并接一电阻构成闭合回路。在厌氧微生物的催化作用下，沉积物中的有机物在阳极区被氧化，产生的电子透过细胞膜传递到阳极，再经外电路转移至阴极。另一方面，氧化过程中产生的氢离子则通过上覆水-沉积物界面传递到阴极区，上覆水中的溶解氧接受电子后与氢离子结合生成水，完成氧气的还原过程。在SMFC中，阳极作为电子受体接受微生物氧化有机物过程中产生的电子，因而可以加速沉积物中有机物的去除，同时产生电流。大部分沉积物微生物燃料电池的研究集中在海洋环境中，而淡水河流中的研究比较少。这是因为海水具有比淡水高的电导率。在20°C下，海水的电导率可达到50000 yS.cm-1，而淡水的电导率仅为500 μ S.cm-ι。由于电解质的电导率是影响MFC内阻的重要因素之一，电导率越高，内阻越小，因而海水SMFC能够产生比淡水SMFC更高的电量。
[0003]SMFC也可用于废水的处理。有研究表明，构建一种沉积物微生物燃料电池对富营养化湖泊水体中的氮进行原位去除，并同时产生电能。结果显示，在富含硝酸盐和亚硝酸盐的合成湖泊水中，SMFC所能达到的最大功率密度分别为42mW.πι-2和36mW.πι-2，同时硝态氮和亚硝态氮的去除率分别达到62 %和77 %。在闭合状态下，SMFC对氮的去除可达开路状态下的4倍。根据物质守恒定律，在该SMFC系统中，大部分去除的硝态氮和亚硝态氮被还原成氮气。SMFC也可以有效地对水产养殖水体进行原位修复。有人构建了两个SMFC系统，一个连接外电阻构成闭合回路(SMFC-1)，一个形成短路(SMFC-2)。两个系统分别在不同的条件下运行，考察它们对水产养殖水体中COD和TKN的原位去除效果。结果发现，在对阴极区曝气和不曝气两种情况下，SMFC-2均表现出比SMFC-1更高的去除率。曝气时，SMFC-1和SMFC-2 对 COD 和 TKN 的去除率分别为 79.4%、92.6%和 84.4%、95.3%。
[0004]研究发现SMFC的输出电流与阴极区的溶解氧浓度密切相关。上覆水中的溶解氧在阴极的还原速率是SMFC性能的限制因素之一。当溶解氧浓度跌至低于5mg02.L-1时，电流会急剧下降。这意味着在野外运行SMFC时，应充分考虑溶解氧条件，建议维持在5mg02.L-1 以上。
[0005]对SMFC的研究最初主要集中在产电方面，直到2009年，开始评估SMFC在产电的同时对沉积物中有机物质的去除能力。有人以多孔石墨电极运行SMFC，160天后，阳极Icm范围内的总有机质含量下降了 30%，而距离阳极较远处及开路状态下有机质含量几乎没变化。这说明在闭合状态下SMFC氧化沉积物有机物的能力得到提升。另外，沉积物中有机物的降解与电流的形成是相一致的，电流越大则表明有机物降解越多。虽然SMFC适用于对沉积物的修复，但其产电能力和污染物去除能力仍然受到电极间距大、阴极氧气利用率低等限制。
[0006]在阳极区种植芦苇，形成植物-微生物燃料电池(P-MFC)，结果表明，该P-MFC能达到的最大功率密度为67mW.m-2,欧姆内阻为30 Ω，且种植一颗芦苇的P-MFCl和两颗芦苇的P-MFC2所能达到的最大输出电压分别为217mV和253mV。自此之后，对植物-微生物燃料电池的研究开始进入人们视野。向微生物燃料电池中引入植物，主要是基于植物根系的分泌作用。在生长阶段，植物持续向生长介质中释放各类物质，如水溶性低分子有机物质、高分子有机物质、失活细胞脱落物及其分解产物、气体以及覆盖在根系表面的黏液等。研究表明，植物通过光合作用固定的有机物，有28 %?59 %转移到地下，其中4 %?70 %通过根系的分泌作用转移到生长介质中。根系分泌物是植物根系微生态系统中物质迀移和调节的重要组成部分，通过改变根际的物理、化学及生物特性，改善和缓解植物在养分缺乏或金属毒害条件下的生长状态。在P-MFC系统中，根系分泌物作为燃料在阳极区被微生物催化分解。
[0007]与有机物分泌类似，在光合作用下，植物亦会向根系输送氧气，这些氧气除了满足根部的有氧呼吸之外，还会在运输的过程中通过根轴径向释放到根际周围介质中，称之为根系径向泌氧(radial oxygen loss，R0L)。ROL在植物净化污水的过程中发挥着重要的作用:一方面，ROL的存在使得根区形成很多好氧、缺氧和厌氧微区，为根区的好氧、兼性厌氧以及厌氧微生物提供适宜的小生境，有利于污染物的吸收降解；另一方面，释放的氧气可以氧化根区的还原性物质，促进根系表面形成铁锰氧化物膜，从而影响介质中有毒物质和重金属元素的存在形态及生物有效性。P-SMFC是基于植物与底质微生物之间的互惠共生作用，为微生物燃料电池提供燃料并持续产生电能，具有诱人的发展潜力。通过把生物阳极置于植物根部具有大量电化学活性微生物的底质中，结合根际微生物的还原功能，利用MFC技术，使根际底质中的有机物转化为电子、质子和二氧化碳，不断产生绿色电能，而不用收获植物。植物-沉积物微生物燃料电池研究火热，潜力巨大，研究与应用范围不断拓展，但目前仍存在发展瓶颈。主要是影响因素多、开发成本高、产电效率低，缺少持续性与稳定性，离实际应用还有一定距离。SMFC的产电能力与污染物去除效率还很有限，主要是因为:(I)电极间距大，导致SMFC具有较大的内阻；(2)悬有阴极的上覆水中氧气的溶解度较低；(3)随着时间的推移，微生物和化学物质在阴极表面沉积；(4)阳极和阴极较难固定。
[0008]通过构建MFC系统对水体进行修复以及SMFC系统对底质修复的研究越来越多；但在SMFC的基础上加上植物，同时实现对底质的修复和对废水的处理却鲜有研究；特别是在沉积物微生物燃料电池系统中引入浮床植物，实现产电过程对沉积物污染及上覆水污染的原位修复，国内外尚未见报道。本发明以黑臭河涌底泥为底质构建SMFC，然后引入浮床植物，种植于上覆水体中，构成浮床植物-沉积物微生物燃料电池(P-SMFC)。结合浮床植物的根系分泌特征，其根系分泌物为根际微生物提供养料；同时根系径向泌氧使得根际区形成很多好氧区，植物根区分泌的氧气可扩散至SMFC阴极，增加阴极区溶解氧浓度，提高SMFC对沉积物污染及上覆水污染的修复性能。
【发明内容】
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[0009]本发明的目的是提供一种浮生植物耦合沉积物微生物燃料电池的水质净化方法，其产电能力强，悬有阴极的上覆水体中氧气的溶解度大大提高，提高了 SMFC对沉积物污染及上覆水体污染的修复性能。
[0010]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0011]—种浮床植物耦合沉积物微生物燃料电池的水质净化方法，将生态浮岛与微生物燃料电池相结合，其中，生态浮岛是将浮床植物利用浮体种植于以黑臭河涌底泥或城市污泥为底质的受污染的上覆水中。
[0012]作为上述技术方案的优选，所述浮床植物主要包括风车草、美人蕉、元宝草等，将其与浮体、种植蓝首先构成生态浮岛，置于上覆水中。
[0013]作为上述技术方案的优选，微生物燃料电池由炭毡阳极、石墨盘阴极及连接导线组成，并与一变阻箱连接形成闭合回路。
[0014]作为上述技术方案的优选，所述炭毡阳极由两片活性碳纤维毡和一片铜箔组成，将铜箔平铺置于两片碳毡中间，然后以纳鞋底的方式将四根铜丝引向碳毡中央，将重遇后的铜丝扭成一股，形成连接阳极的导线。
[0015]作为上述技术方案的优选，所述上覆水为含有一定盐度的水，河涌底泥为受污染黑臭河涌底泥并拌入一定量的沼渣。
[0016]作为上述技术方案的优选，连接阴极石墨盘的导线将从石墨盘中央穿出。
[0017]作为上述技术方案的优选，所述炭毡阳极置于底泥表层