一种铁碳阳极微生物燃料电池强化净化底泥的方法与流程

本发明涉及生态与环保领域，特别是一种铁碳阳极微生物燃料电池强化净化底泥的方法。

背景技术：

我国面临水污染严重及水资源短缺等问题，水中有机物，氨氮等污染物，特别是一些难降解的持久性污染物，其在环境当中可生化性差且存在时间长，可通过沉淀或颗粒物吸附而蓄存在底泥中，适当条件下重新释放，成为二次污染源，造成水体“久治不愈”。我国目前存在大量河流湖泊持久污染，底泥难以治理，底泥二次污染水体等的问题。

在河流湖泊污染治理过程中，底泥污染整治是主要的难点之一。水体和底泥之间存在着吸收和释放的动态平衡，当水体存在较严重污染时，一部分污染物能够通过沉淀、吸附等作用进入底泥中；当外源造成的污染得到控制后，累积于底泥中的各种有机和无机污染物通过与上覆水体间的物理、化学、生物交换作用，重新进入到上覆水体中，成为影响水体水质的二次污染源。特别地，沉积、吸附到底泥当中的有机污染物具有难降解、持久性的特点，是水体如河流、湖泊的重要内源污染。目前，对于水体底泥处理的效果并不显著，大部分采用控源截污、内源污染控制、生态恢复等技术，其中内源污染控制的主要手段是清淤疏浚，对河道底泥进行处理。如专利,cn201720956360.8,cn201610677325.2以及cn201721033076.x等，但由于清淤疏浚等手段工程量较大，难以去除再次污染以及去除污染物效果不明显等限制，故发明一种有效的原位底泥污染治理方法势在必行。

技术实现要素：

针对上述情况，为解决现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种铁碳阳极微生物燃料电池强化净化底泥的方法，可有效解决去除底泥中污染物，结合在线监测技术利用微生物燃料电池产电监测水质情况，方便后续水质的监测与处理的问题。

本发明解决的技术方案是，利用微生物燃料电池系统，然后按以下步骤进行：

1）由铺设于底泥中的沉积阳极和浮在水面上的生物阴极，连接生物阴极和沉积阳极的外电路导线和电压表构成微生物燃料电池系统，在河道缓流段且底泥丰富区域设置微生物燃料电池系统；

2）底泥中均匀混合有铁碳微电解填料，底泥中的有机物在铁碳微电解填料强化降解作用下分解为小分子化合物，小分子化合物可生化降解有机物，在沉积阳极附近被微生物氧化分解产生电子，部分难降解内源污染物在其作用下，产生大量新生态的[h]和[o]，使得难降解内源污染物大分子发生断链降解；

3）步骤2）中沉积阳极产生的电子经碳棒传导至生物阴极，在反硝化细菌的作用下完成电化学反硝化进程，氧化态的n得到去除，同时生物阴极在水流过程中附着生成生物膜，实现同时硝化及反硝化，进一步去除水中有机物及氮；

4）沉积阳极和生物阴极通过碳棒、外电路导线经电压表连接起来构成闭合电路，微生物燃料电池系统产生的电能可通过电压表显示，结合在线监测仪进行水质监测。

本发明将铁碳微电解填料和生物阴极飘带相耦合，无需河道清淤，适用于各种水质条件，结构简单易建造，对水中有机物的去除，脱氮等效果好，适用于河道治理，减少底泥带来二次污染，是底泥污染治理方法上的创新。

附图说明

图1为本发明的微生物燃料电池系统原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

由图1给出，本发明利用微生物燃料电池系统，然后按以下步骤进行：

1）由铺设于底泥中的沉积阳极8和浮在水面3上的生物阴极6，连接生物阴极和沉积阳极的外电路导线5和电压表4构成微生物燃料电池系统，在河道缓流段且底泥丰富区域设置微生物燃料电池系统；

2）底泥1中均匀混合有铁碳微电解填料2，底泥1中的有机物在铁碳微电解填料2强化降解作用下分解为小分子化合物，小分子化合物可生化降解有机物，在沉积阳极8附近被微生物氧化分解产生电子，部分难降解内源污染物在其作用下，产生大量新生态的[h]和[o]，使得难降解内源污染物大分子发生断链降解；

3）步骤2）中沉积阳极8产生的电子经碳棒7传导至生物阴极6，在反硝化细菌的作用下完成电化学反硝化进程，氧化态的n得到去除，同时生物阴极6在水流过程中附着生成生物膜，实现同时硝化及反硝化，进一步去除水中有机物及氮；

4）沉积阳极8和生物阴极6通过碳棒7、外电路导线5经电压表4连接起来构成闭合电路，微生物燃料电池系统产生的电能可通过电压表4显示，结合在线监测仪进行水质监测。

为了保证使用效果，所述的微生物燃料电池系统包括浮在水面3上的可导电生物阴极6和铺设在底泥中的沉积阳极8，生物阴极6和沉积阳极8之间经碳棒7、外电路导线5相连接，碳棒7经外电路导线5连接电压表4形成闭合电路，铁碳微电解材料2均匀混合在底泥1中，改善底泥中难降解物质生化性能以及最终完成底泥有机质的去除。

所述的铁碳微电解填料2为新型不板结铁碳填料，每平方底泥中投加0.1~0.5kg的新型不板结铁碳填料，以湿法或干法的形式投加到底泥中，并利用人工或机械的形式使其充分混合。

所述的沉积阳极8为普通碳毡，铺设于河道缓流且底泥丰富区域的底泥1中，长为5米，宽与底泥宽度一致。

所述的沉积阳极8是由导电性和生物相容性好的碳毡材料组成，同时沉积阳极8上的产电微生物将铁碳微电解填料2初步降解的有机物进行进一步分解，释放电子并经碳棒7传导至生物阴极6。

所述的生物阴极6为导电飘带，可根据实际水质情况设置其疏密度，上部切割成带状，形成仿生水草形态，以利于生物膜与水流接触，导电飘带由编织层和泡沫层组成，编织层为导电碳毡，方便其表面藻菌共生的微生物体系接受电子，完成反硝化进程，去除氧化态n污染物，泡沫层置于编织层之上，可以使导电飘带具有浮力，在水中保持漂浮状态。

所述的外电路导线5为钛线，连接沉积阳极8和生物阴极6，用于传导电子。

所述的生物阴极利用导电飘带吸附的丰富微生物群落，外至内形成独特的微ａ/ｏ（厌氧/好氧）环境，适宜不同类型厌氧和好氧细菌（如硝化和反硝化细菌）的生长，好氧细菌完成硝化进程，厌氧细菌接收电子，河道底泥中的硝酸盐或亚硝酸盐作为受体，完成电化学反硝化过程，达到脱氮的效果。

本发明利用底泥中投加铁碳微电解材料加强沉积阳极对难降解污染物的去除，铁碳填料由于fe和c之间存在1.2v的电极点位差，因而会形成无数的微电池系统，在其作用空间构成一个电场，阳极生成大量的fe2+进入废水，进而氧化成fe3+，形成具有较高吸附絮凝活性的絮凝剂，使有机大分子发生断链降解，提高了底泥的可生化度，阴极结合膜技术采用仿生飘带，利用其巨大的比表面积，强大的立体空间功能，使微生物在纤维的缠结空间内立体生长，再以电极为电子供体获得电子，以亚硝酸盐或硝酸盐为电子受体，完成电化学反硝化，有利于实现氮的去除，进一步去除水体污染物，达到净化水体的效果。沉积阳极和生物阴极经外电路，碳棒链接构成微生物燃料电池系统，去除水体中难降解有机物的同时将生物质能转化为电能，结合在线监测技术进行水质监测，从而达到实现“低碳经济”的效果。

本发明的使用情况是，综合河流要素，水质情况等因素，一般考虑在底泥沉积且污染的缓流区或稳流区构建微生物燃料电池系统，可根据水质污染情况和水流量适当计算和设计填料的投加量，比例及生物飘带数量，以使水体净化达到最佳效果。本发明将铁碳微电解材料投加到底泥中，并使微电解材料与底泥混合，底泥中铁碳微电解填料增强沉积阳极对内源污染物的去除，阳极释放电子经钛线传导至阴极，氧化态n在阴极反硝化细菌的作用下得到去除，阴极附着的生物膜也进一步去除水流中的污染物，本发明沉积阳极和生物阴极之间通过具有良好导电性且耐腐蚀的钛线链接起来，外电路经导线装有电压表，通过电压的变化可以判断水质的变化情况。本发明的创新点和益处是构建沉积型微生物燃料电池的同时，阳极利用铁碳微电解实现内源污染物的去除，提高了水体的可生化性，防止底泥对水体持续污染；阴极采用导电飘带，实现了同时硝化反硝化，提高了10%-20%的氮去除率，进一步实现水体净化；结合在线监测技术，利用系统产电实现对水质情况的实时监测。在污染严重的河道实验中，通过本发明方法构建的铁碳阳极微生物燃料电池能够有效的降解难生化性的有机质，去除底泥中的内源有机物，同时对水中的cod及氨氮去除效率可达90%和60%以上。

本发明将微生物燃料电池技术与铁碳微电解技术结合起来，将铁碳微电解填料和生物阴极飘带相耦合，无需河道清淤，适用于各种水质受污染的河湖水体的净化治理与生态修复，尤其是难生化降解的水质，结构简单易建造，对水中有机物的去除，脱氮等效果好，适用于河道治理，减少底泥带来二次污染，能够带来巨大的生态效益和经济效益。