去除土壤中复合重金属的微生物电化学装置及方法

1.本发明涉及土壤修复技术领域，尤其是一种去除土壤中复合重金属的微生物电化学装置及方法。


背景技术：

2.微生物电化学系统(microbial electrochemical system，mes)作为一种新兴的修复技术，结合了微生物和电化学修复，提供比其他修复技术更快、更有效的修复性能，已被广泛运用与土壤修复领域。一体式土壤mes既脱除了昂贵的分离膜，又保留着电渗及电迁移双向通道，达成形成阴离子物质的重金属向阳极移动，而阳离子在阴极还原的广谱金属处理目的。
3.但也有其自身的局限性，主要表现在以下几个方面：
4.有些情况下，微生物修复不能将污染物全部去除，因为当污染物浓度太低不足以维持一定数量的降解菌时，残余的污染物就会留在土壤中；低温和低含水率条件下，寒冷与干旱半干旱地区的污染土壤，以及海洋中的石油污染治理效果差。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供一种去除土壤中复合重金属的微生物电化学装置及方法，目的是提高重金属的可迁移性，使一体式土壤mes内部电化学反应更高效、更稳定地进行。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种去除土壤中复合重金属的微生物电化学装置，包括阴极屉、多屉式污染土壤层、阴极屉和下土壤屉，所述多屉式污染土壤层由多个上土壤屉由上至下依次叠放而成，每个上土壤屉的底端口内设有第三金属软网，用于放置待处理土壤，位于第三金属软网的上部设有注液机构，用于向土壤中均匀注入辅助试剂，所述阴极屉的底端可适配嵌入最顶层上土壤屉的顶端，阴极屉的底端口内设有第四金属软网，用于放置活性炭颗粒并埋入阴极体，所述阳极屉的顶端可适配嵌入最底层上土壤屉的底端，阳极屉的底端口内部设有第二金属软网，用于放置活性炭颗粒、投加有厌氧产电菌的污泥并埋入阳极体，所述阳极屉的底端可适配嵌入所述下土壤屉的顶端，所述下土壤屉的底端口内设有第一金属软网，用于放置待处理土壤，下土壤屉的底端可适配嵌有积水底壳，所述积水底壳的底部安装有排污阀。
8.进一步技术方案为：
9.所述去除土壤中复合重金属的微生物电化学装置，还包括基座，所述基座上沿高度方向间隔设有组若干承托杆，用于分别挂置所述上土壤屉。
10.所述基座上还设有升降台，所述积水底壳与所述下土壤屉、所述阳极屉依次相连形成一个升降单元，可由所述升降台固定并升降，以与所述多屉式污染土壤层相连。
11.所述注液机构的结构包括若干横向水管，贯穿于所述上土壤屉，进口端通过阀门与外部辅助试剂源相连，出口端分别连接若干纵向水管，纵向水管上设有出液孔，用于埋入
土壤中。
12.各金属软网采用钛金属材质。
13.一种去除土壤中复合重金属的方法，基于所述的除土壤中复合重金属的微生物电化学装置，包括：
14.在下土壤屉和各上土壤屉中填满将待处理的重金属污染土壤，在阳极屉、阴极屉中装满活性炭颗粒、埋设阳极体并压实，向阳极屉的活性炭颗粒中投加含有厌氧产电菌的污泥，并注入一定量经氮吹处理后的营养液，使阳极体处于厌氧环境，在阴极屉的活性炭颗粒的中埋设阴极体并压实，按顺序组装所述微生物电化学装置，保持各上土壤屉内部的重金属污染土壤，以及阳极屉、阴极屉内的活性炭颗粒和与其分别相连的上土壤屉内部的重金属污染土壤通过相应的金属软网相接触，其中各上土壤屉中土壤的重金属浓度相同；
15.将阳极体、外接电阻和阴极体依次串联，形成闭合回路，进行微生物电化学反应；
16.通过注液机构向各上土壤屉内部缓慢注入辅助试剂。
17.进一步技术方案为：
18.所述去除土壤中复合重金属的方法，还包括：当反应时间达到设定值后，将靠近阳极屉的若干个上土壤屉取下厚空出屉位，而后将剩余上土壤屉依次按序下移到空出的屉位上，最后将空的屉位用盛有未处理土壤的新的上土壤屉补全，保证靠近阴极屉的上土壤屉中土壤重金属离子浓度高于靠近阳极屉的上土壤屉中土壤重金属离子浓度，继续进行土壤修复处理，当反应时间达到所述设定值后再重复上土壤屉的更换操作，实现连续修复。
19.所述辅助试剂为乙酸溶液、柠檬酸溶液、含葡萄球菌菌剂中的一种或多种。
20.本发明的有益效果如下：
21.本发明的装置方便待修复土壤层的及时更换，以维持较高的浓度差，提高了重金属的可迁移性，使得内部电化学反应更高效、更稳定地进行。
22.本发明的修复方法通过向土壤中加入辅助试剂，维持土壤的水饱和状态及提高土壤的导电能力，促进了将离子态重金属解吸，强化了修复效果。
23.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
24.图1为本发明实施例的立体结构示意图。
25.图2为本发明实施例的基座结构示意图。
26.图3为图1中结构的另一视角。
27.图4为本发明实施例的各屉内部结构示意图。
28.图5为本发明实施例的下土壤屉的结构示意图。
29.图6为本发明实施例的上土壤屉的结构示意图。
30.图7为本发明实施例的阴极屉结构示意图。
31.图8为本发明实施例的简化电路示意图。
32.图中：1、基座；2、升降台；3、升降杆；4、外接电阻；5、积水底壳；6、下土壤屉；7、第一金属软网；8、阳极屉；9、第二金属软网；10、上土壤屉；11、耳套；12、横向水管；13、阀门；14、纵向水管；15、第三金属软网；16、阴极屉；17、第四金属软网；18、承托杆。
具体实施方式
33.以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
34.如图1所示，本技术实施例提供一种去除土壤中复合重金属的微生物电化学装置，包括阴极屉16、多屉式污染土壤层、阴极屉16和下土壤屉6，多屉式污染土壤层由多个上土壤屉10由上至下依次叠放而成，如图6所示每个上土壤屉10的底端口内设有第三金属软网15，用于放置待处理土壤，位于第三金属软网15的上部设有注液机构，用于向土壤中均匀注入辅助试剂，阴极屉16的底端可适配嵌入最顶层上土壤屉10的顶端，如图7所示阴极屉16的底端口内设有第四金属软网17，用于放置活性炭颗粒并埋入阴极体，阳极屉8的顶端可适配嵌入最底层上土壤屉10的底端，阳极屉8的底端口内部设有第二金属软网9，用于放置活性炭颗粒、投加有厌氧产电菌的污泥并埋入阳极体，阳极屉8的底端可适配嵌入下土壤屉6的顶端，下土壤屉6的底端口内设有第一金属软网7，用于放置待处理土壤，下土壤屉6的底端可适配嵌有积水底壳5，积水底壳5的底部安装有排污阀。
35.具体的，积水底壳用于承接微生物电化学反应过程中产生的水。
36.具体的，各金属软网采用钛金属材质。
37.如图2所示，上述实施例的去除土壤中复合重金属的微生物电化学装置，还包括基座1，基座1上沿高度方向间隔设有组若干承托杆18，用于分别挂置上土壤屉10。
38.具体的，上土壤屉10的两侧上方均安装有耳套11，安装时，将承托杆18对应适配嵌入耳套11的内部并通过插销限位。
39.如图3和图5所示，基座上还设有升降台2，积水底壳5与下土壤屉6、阳极屉8依次相连形成一个升降单元，可由升降台2固定并升降，以与多屉式污染土壤层相连。
40.具体的，升降台2滑动安装在基座1的水平安装面，升降台2底部两侧均安装有升降杆3，升降杆3的底部分别对应安装在基座1的台面两侧，积水底壳5的底部安装在升降台2的顶部，升降台2的中部开设有通孔，用作容纳排污阀。
41.具体的，基座1上安装有外接电阻4。
42.如图6所示，注液机构的结构可以包括若干横向水管12，贯穿于上土壤屉10，进口端通过阀门13与外部辅助试剂源相连，出口端分别连接若干纵向水管14，纵向水管14上设有出液孔，用于埋入土壤中。
43.本技术实施例还提供一种去除土壤中复合重金属的方法，基于所述的除土壤中复合重金属的微生物电化学装置，包括：
44.在下土壤屉6和各上土壤屉10中填满将待处理的重金属污染土壤，在阳极屉8、阴极屉16中装满活性炭颗粒、埋设阳极体并压实，向阳极屉8的活性炭颗粒中投加含有厌氧产电菌的污泥，并注入一定量经氮吹处理后的营养液，使得阳极体处于严格的厌氧环境中，在阴极屉16的活性炭颗粒的中埋设阴极体并压实，按顺序组装微生物电化学装置，保持各上土壤屉10内部的重金属污染土壤，以及阳极屉8、阴极屉16内的活性炭颗粒和与其分别相连的上土壤屉10内部的重金属污染土壤通过相应的金属软网相接触，如图4所示；
45.将阳极体、外接电阻和阴极体依次串联，以形成闭合回路，进行微生物电化学反应；
46.通过注液机构向各上土壤屉10内部缓慢注入辅助试剂。
47.上述实施例的方法，所述的组装微生物电化学装置还包括：
48.将各上土壤屉10利用其侧面上设置的耳套11挂接在基座1上对应的承托杆18上，想成土壤层上下依次紧密压实的多屉式污染土壤层件；
49.将积水底壳5与下土壤屉6、阳极屉8依次相连形成一个升降单元，固定在基座1的升降台2上，启动升降台2底部的升降杆3，进而通过升降台2的承托使得升降单元与最底层上土壤屉10相互紧挨，使得阳极屉8内部的活性炭颗粒能够与最底层上土壤屉内部的重金属污染土壤之间通过第二金属软网形成良好的电学连通，将阴极屉16嵌入最顶层上土壤屉的顶端口内，而后压实以使得阴极屉16内部的活性炭颗粒能够与最顶层上土壤屉内部的重金属污染土壤之间通过第四金属软网形成良好的电学连通。
50.上述实施例的方法，还包括：当反应时间达到设定值后，将靠近阳极屉8的若干个上土壤屉10取下厚空出屉位，而后将剩余上土壤屉10依次按序下移到空出的屉位上，最后将空的屉位用盛有未处理土壤的新的上土壤屉10补全，保证靠近阴极屉16的上土壤屉10中土壤重金属离子浓度高于靠近阳极屉8的上土壤屉10中土壤重金属离子浓度，继续进行土壤修复处理，当反应时间达到设定值后再重复上土壤屉10的更换操作，实现连续修复。
51.上述上土壤屉的更换具体可基于上述的升降台及耳套和承托杆的操作来实现。
52.其中，辅助试剂为乙酸溶液、柠檬酸溶液、含葡萄球菌菌剂中的一种或多种，以维持土壤的水饱和状态及提高土壤的导电能力。
53.参见图8，上述实施例去除土壤中复合重金属的方法的工作机理为：
54.阳极屉中的产电菌对污染土壤中的有机质及营养物质进行分解，在该过程中产生电子和质子，电子经阳极体、外电路到达阴极体，而质子在电场作用下经土壤到达阴极体，阴极体以氧气作为电子受体，同质子与氧气发生电极反应生成水，形成回路并产生电流、电压，回路中电流、电压的产生使得带有电性的金属离子在内部电场的作用下从阳极向阴极同步发生迁移，并在阴极体被还原，回阴极体并对近阴极的土壤进行集中处理，整个装置利用微生物电化学阴极单元的还原特性，使土壤中重金属迁移并在阴极还原，实现复合重金属污染土壤的修复处理。
55.反应过程中产生的水在重力作用下向下流至积水底壳从排污阀排出。
56.由于修复过程中，随着金属向阴极的富集，上土壤屉中浓度下降的重金属离子，迁移动力将会减小，进而影响处理效率。本技术通过设置多个上土壤屉，可方便及时更换反应后的土壤屉，使其能够始终保持一个合适的浓度差，以维持一个较大的迁移作用力，即各上土壤屉中的重金属离子浓度自上而下(即从阴极屉至阳极屉方向)呈降低的趋势，通过不断更换上土壤屉，可实现土壤的连续、高效修复。
57.上土壤屉更换触发条件可以是上述的设定一个反应处理的时间值，待时间值一到，即可进行更换操作。也可根据实际情况设置其他触发调节。
58.为验证本技术的有效性，特设以下两组试验：
59.试验一：土壤层的尺寸为φ350mm
×
100mm多屉式污染土壤单元层φ350mm
×
1000mm
×
5，阳极屉8内阳极体和阴极屉16内阴极体的尺寸为φ350mm
×
150mm，活性炭粒径为3-5mm，比表面积为500-900m2/g，不锈钢片阳极体和碳毡阴极体通过1000ω外接电阻4连接，形成闭合回路，在搭建mes时，向污染土壤层中添加1200g重金属cu和pb的复合污染土壤和1000ml的含葡萄球菌菌剂，阳极屉8内投加120ml经培养及预处理的含产电菌浓缩厌氧污泥，并注入一定量经氮吹处理后的营养液，直至土壤处于水饱和状态。
60.实验结束后发现，总cu和总pb的去除率分别达到34.25％和14.54％，由此得出，微生物电化学能够有效地同步去除土壤中的复合重金属。
61.试验二：土壤层的尺寸为φ35mm
×
10mm，多屉式污染土壤单元层φ35mm
×
100mm
×
5，阳极屉8内阳极体和阴极屉16内阴极体的尺寸为φ35mm
×
15mm，活性炭粒径为3-5mm，比表面积为500-900m2/g，不锈钢片阳极体和碳毡阴极体通过1000ω外接电阻4连接，形成闭合回路，在搭建mes时，向污染土壤层中添加120g重金属cu和pb的复合污染土壤和100ml的柠檬酸溶液，阳极屉8内投加12ml经培养及预处理的含产电菌浓缩厌氧污泥，并注入一定量经氮吹处理后的营养液，直至土壤处于水饱和状态。
62.实验结束后发现，总cu和总pb的去除率分别达到34.25％和4.54％，由此得出，微生物电化学能够有效地同步去除土壤中的复合重金属。
63.本发明利用mes中微生物的产电性能，营造内部电场，无选择性地驱动重金属在电场力的作用下定向迁移，并可以将迁移到阴极区的重金属同步还原去除，将迁移到阳极区的通过微生物去除，如：铜可以被还原沉积在阴极片上，为进一步促进重金属在土壤中的去除效能，在土壤中加入生物修复菌剂，土壤中的重金属在葡萄球菌的作用下，活化土壤中的重金属，上述重金属在土壤mes内部电场的作用下同步发生迁移而后被去除，实现了复合污染土壤的修复，对同步去除土壤重金属及回收金属资源达到良好的效果。
64.本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。