一种利用植物微生物燃料电池技术修复受多环芳烃污染土壤的方法

1.本发明涉及受多环芳烃污染土壤的生态修复，特别是一种利用植物微生物燃料电池技术修复受多环芳烃污染土壤的方法。


背景技术：

2.多环芳烃(polycyclicaromatic hydrocarbons，pahs)污染是世界各国面临的重大环境与公共健康问题之一，其对土壤的污染问题尤为突出，已经严重威胁到人们的健康。
3.修复受pahs污染的土壤主要以客土、土壤淋洗、施加稳定剂等物理化学方法为主；此外有一些新型的环境功能材料应用于污染土壤修复。但是，传统物理化学修复技术对于治理严重污染土壤虽然时间短、见效快，但往往伴随着高能耗、高费用、二次污染等风险。
4.本文介绍了一种新型的土壤修复方法——植物微生物燃料电池修复受多环芳烃污染的土壤。这是一种植物与微生物燃料电池相结合的修复方法。该方法修复成本低廉，实施简便，污染物去除效率高且不会造成二次污染。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有土壤修复中存在的问题，提供一种修复受多环芳烃污染土壤的方法，通过植物微生物燃料电池实施，方法简单、操作方便、易于实施，通过阴阳两极的氧化还原反应，从而去除土壤中的多环芳烃。
6.本发明的技术方案：搭建一定体积的修复反应器用于容纳待修复土壤以及构建植物微生物燃料电池，将钛丝穿插缠绕在一定厚度的碳毡作为植物微生物燃料电池的电极，将一块碳毡埋入一定深度的待修复土壤中，作为植物微生物燃料电池的阳极，向土壤中加入一定数量已经处理好的发芽种子；再将另一块电极铺设在土壤表面，作为微生物燃料电池的阴极，向反应器中加水至土壤处于淹水状态，用钛丝作为导线连接阳极和阴极并串联外电阻形成闭路。构建完成后的植物微生物燃料电池置于自然条件下进行培养，根据需要，适时补充水分，保持表面水层高度在2cm左右，培养温度以25℃较为适宜。
7.上述技术方案中所述的植物微生物燃料电池，是一种利用植物和微生物协同作用，降解土壤中的多环芳烃等有机物质的装置，在构成娥植物微生物燃料电池后，植物微生物燃料电池在阳极附近进行氧化反应，因此可以高效去除有机污染物以及低价态、还原性物质，在阴极附近进行还原反应，因此可以去除在阴极室还原高价态污染物，从而降低污染物浓度。
8.上述技术方案中所述的修复反应器，是用于容纳待修复土壤的容器，同时也是植物微生物燃料电池的主体，截面积形状包括圆形，筒形，多边形的一种或两种以上形状，高度小于30cm，以便保证较好的修复效果。
9.上述技术方案中所述的电极，阴极电极和阳极电极均为石墨毡、碳纸、碳布中的一
种或两种以上；用于构成燃料电池的组件，以形成产电通路，并提供电极反应区域用于强化土壤中污染物的降解。
10.上述技术方案中所述的阴极电极位于土壤表面，覆盖面积占修复反应器截面积80％
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90％，并在电极上均匀分布一定数量一定孔径的小孔，便于植物生长，总开孔面积为碳毡电极面积的1/3
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1/2。
11.上述技术方案中所述的阳极电极铺设于土壤中，覆盖面积占修复反应器截面积80％
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90％，铺设深度为土壤表层下方5cm
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10cm。
12.上述技术方案中所述的外电阻电阻值为1000ω
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2000ω，根据植物微生物燃料电池的修复反应器的尺寸，电极面积等进行调整。
13.上述技术方案中所述植物种子为黑麦草种子。
14.上述技术方案中所述的种子处理方法为，体积分数为20％的h2o2溶液浸泡黑麦草种子30分钟，再用去离子水洗净，在白色瓷盘上均匀铺一层石英砂，然后盖上一层纱布，将种子小心均匀地撒在上面，加入适量水使纱布保持湿润状态，放入恒温培养箱培养，此时培养箱条件为黑暗，每天定期加水，使种子保持湿润。
15.本发明的有益效果是：植物微生物燃料电池在阳极附近进行氧化反应，因此可以高效去除有机污染物以及低价态、还原性物质，在阴极附近进行还原反应，因此可以去除在阴极室还原高价态污染物，降低毒性。且选取的植物黑麦草适宜淹水种植，且对于去除土壤中芘等多环芳烃有较好的去除效率，实施简便，污染物去除效率高且不会造成二次污染。
附图说明
16.图1本发明一种利用植物微生物燃料电池技术修复受多环芳烃污染土壤的方法的一个实施例的结构示意图。
17.图中：1.修复反应器，2.阴极电极，3.阳极电极，4.植物，5.导线，6.外电阻，7.待修复土壤。
具体实施方式
18.以下结合附图对本发明的一个具体实施例作进一步的详细描述。
19.如图1所示，本发明的植物微生物燃料电池包括修复反应器1、阴极电极2、阳极电极3、植物4、导线5、外电阻6和土壤7组成。所述阴极电极2置于待修复土壤7表层；所述阳极电极3置于植物4根部周围的土壤内，所述导线5分别缠绕在阴极电极2和阳极电极3上，阴极电极2，外电阻6和阳极电极3通过导线5相连。
20.本实施例所用植物4为黑麦草，黑麦草种子处理与培养步骤如下：
21.用体积分数为20％的h2o2溶液浸泡约5g的黑麦草种子30分钟，再用去离子水洗净，在白色瓷盘上均匀铺一层石英砂，然后盖上一层纱布，将种子小心均匀地撒在上面，加入适量水使纱布保持湿润状态，放入恒温培养箱培养，此时培养箱条件为黑暗，每天定期加水，使种子保持湿润；约1
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2天后，种子发芽，此时打开培养箱的照明模拟日照环境，使种子可以进行光合作用，种子在培养箱的培养时间控制在4
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7天，不宜超过10天，培养时间过长，植物根系发达，易缠绕在一起，不方便移栽到植物微生物燃料电池反应器。
22.待种子在培养箱中培养4
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7天后，将白色瓷盘取出放在桌面上，轻轻掀开纱布，用
镊子小心的将缠绕在根系里面的石英砂抖出来，清除完毕后，用镊子轻轻夹住种子与纱布相连的部分，小心夹出植物，然后放置在盛有清水的烧杯中，备用。整个过程都应该尽量避免损坏植物的根系和植株的弯折。将整理好的植株分组，准备移栽。
23.构建植物微生物燃料电池反应器的步骤如下：
24.制作若干个直径15cm，高为20cm的圆柱形容器作为修复反应器1用于测试受芘污染的土壤的修复效果。
25.将钛丝作为导线5穿插缠绕在直径10cm，厚度3mm的圆形碳毡作为阳极电极3和外径10cm，内径5cm，厚度3mm的环形碳毡作为阴极电极2。
26.在每个修复反应器1内装入300g受芘污染的土壤7时，将一块圆形碳毡作为阳极电极2铺在土壤上，再把剩余的土壤7覆盖在阳极上，向每份土壤中加入60粒已经处理好的植物种子。再将一块环形碳毡作为阴极电极3放置在土壤7表面，向反应器中加入自来水至土壤处于淹水状态，水层厚度约2cm，此时，阴极碳毡处于淹没状态。
27.用钛丝作为导线连接阳极电极3和阴极电极2并串联1000ω外电阻6形成闭路，完成植物微生物燃料电池反应器的构建。
28.植物微生物燃料电池反应器放置在光照培养箱中运行，采用25度控温，光照度为7200lx，光照时长为16h/d。每天中午12时与傍晚18时各加自来水一次。
29.经过测定，初始芘浓度为50mg/kg的土壤，经过50天的运行，土壤中芘浓度下降至4.03mg/kg，去除率为91.94％。