本发明涉及土壤修复技术领域，具体涉及一种太阳能光伏驱动的生物电化学土壤修复系统和方法。
背景技术：
随着工业化的快速发展，农药施用和污水灌溉等对土壤环境造成越来越大的影响。针对土壤污染现状，目前已经开发了生物、物理及化学等多种修复技术，而在实际应用中，物理修复受土壤异质性、渗透性等因素的影响，化学修复会产生毒性更大的副产物。目前具有能够原位修复、无二次污染等优点的微生物修复技术成为研究热点，微生物对有机污染物的自然净化速度慢限制了其实际应用。
生物滤床工艺是一种综合过滤、吸附和生物作用等各种净化过程的好养废水处理工艺，集生物氧化和截留悬浮固体于一体，对有机污染物具有一定降解能力。生物电化学系统是一种集生物氧化还原与电化学反应高度耦合的新型生物反应方式，利用生物和电化学的协同作用氧化分解有机污染物，具有促进电子转移速率，从而提高生物降解水平等特点。研究发现生物电化学技术能够通过提高石油污染土壤中总石油烃的去除率深入修复石油污染盐碱土壤。研究表明外源电能能够提高微生物活性并对微生物多样性产生影响，从而在维持污染物去除的稳定性起到了积极作用。
疏水性多孔生物阳极电极能够提高微生物在电极上的附着量，在提高对溶液中土壤有机污染物吸附量的同时促进了土壤有机污染物的氧化分解，具有增溶性及络合、螯合和降低界面表面张力等作用的表面活性剂能够增加土壤中污染物的流动性，可将吸附在土壤中的土壤有机污染物解析淋溶至水溶液中，成为了一种常用的土壤修复技术。
太阳能是一种清洁、易得的可再生能源，利用太阳能光伏所产电能驱动生物电化学系统不仅能够提高污染土壤的修复效率，而且极大降低了土壤污染物的去除成本。
技术实现要素：
本发明要的目的是提供一种以太阳能光伏系统作为电驱动力的太阳能光伏驱动的生物电化学土壤修复系统，其能有效解决污染土壤中有机污染物的持久残存问题。
为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：
一种太阳能光伏驱动的生物电化学土壤修复系统，包括plc控制系统、太阳能光伏系统、喷淋系统、生物滤床、支撑层、土壤装填室以及生物电化学反应室；所述太阳能光伏系统包括太阳能电池板和光伏板控制器，所述太阳能电池板通过光伏板控制器与蓄电池相连接，所述蓄电池与生物电化学反应室中的阳极电极和阴极电极相连；所述生物电化学反应室上方通过支撑层设置有土壤装填室，所述土壤装填室上方设置有生物滤床，生物滤床上方通过循环水泵设有喷淋系统。
进一步地，所述生物滤床是以沙子、碎石或塑料为滤料。
进一步地，生物电化学反应室中设置有三维网格电池，所述阳极电极和阴极电极布置在所述三维网格电池上。
进一步地，所述阳极电极为导电性金属有机骨架材料或多孔碳材料；阴极电极为石墨棒或不锈钢网。
进一步地，喷淋系统中喷洒的喷淋溶液成分为表面活性剂、碳源、氮源、磷源、金属离子以及微生物必需的营养元素。
进一步地，喷淋溶液按照每升水中含有表面活性剂0～100mg/l；碳源浓度为0～100g/l；氮源浓度为0～10g/l；磷源浓度为0～5g/l；金属离子为0.1～2.0gmgso4·7h2o、1～20mgfecl3、0.1～2.0gkh2po4、0.05～1.0g无水cacl2；微生物必需营养元素为0.5～5ml/l。
进一步地，土壤装填室内装填有待修复土壤，所述待修复土壤的湿度调节范围为50％～80％，ph为6～8。
进一步地，用于驱动生物电化学土壤修复的电压范围为0～2v。
进一步地，太阳能光伏驱动的生物电化学土壤修复系统修复的土壤污染物种类为有机污染物。
更进一步地，有机污染物为石油芳香烃、酚类和有机磷农药。
上述技术方案中提供的太阳能光伏驱动的生物电化学土壤修复系统，利用太阳能光伏直流电刺激电极生物膜，强化细菌对土壤有机污染物的降解，通过多孔电极的吸附与氧化作用，利用三维网格电池加快电子传递速率，增大土壤有机污染物与电极生物膜接触面积，结合生物滤床对污染物的高效降解能力，最终形成
附图说明
图1为本发明太阳能光伏驱动的生物电化学土壤修复系统的结构示意图。
图中：1、太阳能电池板；2、光伏板控制器；3、蓄电池；4、循环水泵；5、手动阀门；6、生物电化学反应室；61、阴极电极；62、阳极电极；63、三维网格电池；7、支撑层；8、土壤装填室；9、plc控制器；10、生物滤床；11、喷淋系统。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
本发明采取的技术方案如图1所示，一种太阳能光伏驱动的生物电化学土壤修复系统，包括plc控制系统9、太阳能光伏系统、喷淋系统11、生物滤床10、支撑层7、土壤装填室8以及生物电化学反应室6；所述太阳能光伏系统包括太阳能电池板1和光伏板控制器2，所述太阳能电池板1通过光伏板控制器2与蓄电池3相连接，所述蓄电池3与生物电化学反应室6中的阳极电极62和阴极电极61相连；所述生物电化学反应室6上方通过支撑层7设置有土壤装填室8，所述土壤装填室8上方设置有生物滤床10，生物滤床10上方通过循环水泵4设有喷淋系统11。上述plc控制系统用于控制土壤装填室中的ph、温度和土壤湿度。
生物电化学反应室6中设置有三维网格电池63，所述阳极电极62和阴极电极61与所述三维网格电池63相连接。
所述阳极电极62为导电性金属有机骨架材料或多孔碳材料；阴极电极61为石墨棒或不锈钢网。
喷淋系统11中喷洒的喷淋溶液成分为表面活性剂、碳源、氮源、磷源、金属离子以及微生物必需的营养元素。其中表面活性剂为硬脂酸、季铵盐、卵磷脂、脂肪酸甘油酯等；碳源为葡萄糖、乙酸钠、甲酸钠、蔗糖等；氮源为氯化铵、硫酸铵等；磷源为磷酸二氢钠、磷酸氢二钠等；金属离子为k、na、ca、mg等；微生物必需的营养元素为维生素、氨基酸等。
喷淋溶液为按照每升水中含有表面活性剂0～100mg/l，其中十二烷基苯磺酸钠、季铵盐和吐温80的比例为：1:2:3～3:2:1；碳源浓度为0～100g/l，其中葡萄糖、乙酸钠、甲酸钠和蔗糖的比例为：1:1:1:1～4:3:2:1；氮源浓度为0～10g/l；磷源浓度为0～5g/l；金属离子为0.1～2gmgso4·7h2o、1～20mgfecl3、0.1～2gkh2po4、0.05～1g无水cacl2；微生物必需营养元素维生素浓度为0.5～5ml/l。
土壤装填室8内装填有待修复土壤，所述待修复土壤的湿度调节范围为50％～80％，ph为6～8。
用于驱动生物电化学土壤修复的电压范围为0～2v。
太阳能光伏驱动的生物电化学土壤修复系统修复的土壤污染物种类为有机污染物。更为具体的，有机污染物为石油芳香烃、酚类和有机磷农药。
本发明的使用步骤如下：向土壤装填室中装填土壤，开启喷淋系统，将含有表面活性剂的洗脱液喷淋经上层生物滤床而进入污染土壤层，充分洗脱有机污染物进入水相，而后汇于太阳能光伏驱动生物电化学反应室，生物电化学反应室中阳极电极吸附有机污染物并通过蓄电池所提供的低电压将污染物高效降解成小分子、co2和h2o，反应完成后，打开手动阀门5，使反应出水溶液流至蓄水池。循环水泵连续将电化学反应液泵回喷淋系统，并循环喷淋至生物滤床进行好氧降解，实现污染物的彻底降解去除。
实施例1
本实施例中生物滤床是以沙子为滤料；阳极电极为镍金属有机骨架材料，阴极电极为石墨棒；用于驱动生物电化学土壤修复的电压为0v，土壤湿度为50％，ph为6，且土壤污染物为石油芳香烃、酚类和有机磷农药。
其中喷淋溶液为按照每升水中含有表面活性剂0mg/l；碳源浓度为0g/l；氮源浓度为0g/l；磷源浓度为0g/l；金属离子为0.1gmgso4·7h2o、1mgfecl3、0.1gkh2po4、0.05g无水cacl2；微生物必需营养元素维生素浓度为0.5ml/l。
实施例2
本实施例中生物滤床是以碎石为滤料；阳极电极为锌金属有机骨架材料，阴极电极为不锈钢网；且用于驱动生物电化学土壤修复的电压为1v，土壤湿度为65％，ph为7，且土壤污染物为石油芳香烃、酚类和有机磷农药。
其中喷淋溶液为按照每升水中含有表面活性剂50mg/l，其中十二烷基苯磺酸钠、季铵盐和吐温80的比例为：1:2:3；碳源浓度为50g/l，其中葡萄糖、乙酸钠、甲酸钠和蔗糖的比例为：1:1:1；氮源浓度为5g/l；磷源浓度为2.5g/l；金属离子为1gmgso4·7h2o、10mgfecl3、1gkh2po4、0.5g无水cacl2；微生物必需营养元素维生素浓度为2ml/l。
实施例3
本实施例中生物滤床是以塑料为滤料；阳极电极为铁金属有机骨架材料，阴极电极为石墨棒；且用于驱动生物电化学土壤修复的电压为2v，土壤湿度为80％，ph为8，且土壤污染物为石油芳香烃、酚类和有机磷农药。
其中喷淋溶液为按照每升水中含有表面活性剂100mg/l，其中十二烷基苯磺酸钠、季铵盐和吐温80的比例为：3:2:1；碳源浓度为100g/l，其中葡萄糖、乙酸钠、甲酸钠和蔗糖的比例为：4:3:2:1；氮源浓度为10g/l；磷源浓度为5g/l；金属离子为2gmgso4·7h2o、20mgfecl3、2gkh2po4、1g无水cacl2；微生物必需营养元素维生素浓度为5ml/l。
不同条件下太阳能光伏驱动的生物电化学土壤修复系统的处理性能如下表：
不同条件下太阳能光伏驱动的生物电化学土壤修复系统的处理性能表
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。