一種浮床植物耦合沉積物微生物燃料電池的水質凈化方法
【技術領域】
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[0001]本發明涉及燃料電池水質凈化領域，具體的涉及一種浮床植物耦合沉積物微生物燃料電池的水質凈化方法。
【背景技術】
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[0002]利用海底沉積物中的有機物進行發電，被稱為“無人看守海底發電機”，基于沉積物微生物燃料電池(SMFC)的水體污染修復技術逐漸發展起來。在SMFC中，陽極通常置于缺氧的水底沉積物，而陰極則懸于陽極上方的含氧水中，陰陽極之間以導線相連，并接一電阻構成閉合回路。在厭氧微生物的催化作用下，沉積物中的有機物在陽極區被氧化，產生的電子透過細胞膜傳遞到陽極，再經外電路轉移至陰極。另一方面，氧化過程中產生的氫離子則通過上覆水-沉積物界面傳遞到陰極區，上覆水中的溶解氧接受電子后與氫離子結合生成水，完成氧氣的還原過程。在SMFC中，陽極作為電子受體接受微生物氧化有機物過程中產生的電子，因而可以加速沉積物中有機物的去除，同時產生電流。大部分沉積物微生物燃料電池的研究集中在海洋環境中，而淡水河流中的研究比較少。這是因為海水具有比淡水高的電導率。在20°C下，海水的電導率可達到50000 yS.cm-1，而淡水的電導率僅為500 μ S.cm-ι。由于電解質的電導率是影響MFC內阻的重要因素之一，電導率越高，內阻越小，因而海水SMFC能夠產生比淡水SMFC更高的電量。
[0003]SMFC也可用于廢水的處理。有研究表明，構建一種沉積物微生物燃料電池對富營養化湖泊水體中的氮進行原位去除，并同時產生電能。結果顯示，在富含硝酸鹽和亞硝酸鹽的合成湖泊水中，SMFC所能達到的最大功率密度分別為42mW.πι-2和36mW.πι-2，同時硝態氮和亞硝態氮的去除率分別達到62 %和77 %。在閉合狀態下，SMFC對氮的去除可達開路狀態下的4倍。根據物質守恒定律，在該SMFC系統中，大部分去除的硝態氮和亞硝態氮被還原成氮氣。SMFC也可以有效地對水產養殖水體進行原位修復。有人構建了兩個SMFC系統，一個連接外電阻構成閉合回路(SMFC-1)，一個形成短路(SMFC-2)。兩個系統分別在不同的條件下運行，考察它們對水產養殖水體中COD和TKN的原位去除效果。結果發現，在對陰極區曝氣和不曝氣兩種情況下，SMFC-2均表現出比SMFC-1更高的去除率。曝氣時，SMFC-1和SMFC-2 對 COD 和 TKN 的去除率分別為 79.4%、92.6%和 84.4%、95.3%。
[0004]研究發現SMFC的輸出電流與陰極區的溶解氧濃度密切相關。上覆水中的溶解氧在陰極的還原速率是SMFC性能的限制因素之一。當溶解氧濃度跌至低于5mg02.L-1時，電流會急劇下降。這意味著在野外運行SMFC時，應充分考慮溶解氧條件，建議維持在5mg02.L-1 以上。
[0005]對SMFC的研究最初主要集中在產電方面，直到2009年，開始評估SMFC在產電的同時對沉積物中有機物質的去除能力。有人以多孔石墨電極運行SMFC，160天后，陽極Icm范圍內的總有機質含量下降了 30%，而距離陽極較遠處及開路狀態下有機質含量幾乎沒變化。這說明在閉合狀態下SMFC氧化沉積物有機物的能力得到提升。另外，沉積物中有機物的降解與電流的形成是相一致的，電流越大則表明有機物降解越多。雖然SMFC適用于對沉積物的修復，但其產電能力和污染物去除能力仍然受到電極間距大、陰極氧氣利用率低等限制。
[0006]在陽極區種植蘆葦，形成植物-微生物燃料電池(P-MFC)，結果表明，該P-MFC能達到的最大功率密度為67mW.m-2,歐姆內阻為30 Ω，且種植一顆蘆葦的P-MFCl和兩顆蘆葦的P-MFC2所能達到的最大輸出電壓分別為217mV和253mV。自此之后，對植物-微生物燃料電池的研究開始進入人們視野。向微生物燃料電池中引入植物，主要是基于植物根系的分泌作用。在生長階段，植物持續向生長介質中釋放各類物質，如水溶性低分子有機物質、高分子有機物質、失活細胞脫落物及其分解產物、氣體以及覆蓋在根系表面的黏液等。研究表明，植物通過光合作用固定的有機物，有28 %?59 %轉移到地下，其中4 %?70 %通過根系的分泌作用轉移到生長介質中。根系分泌物是植物根系微生態系統中物質迀移和調節的重要組成部分，通過改變根際的物理、化學及生物特性，改善和緩解植物在養分缺乏或金屬毒害條件下的生長狀態。在P-MFC系統中，根系分泌物作為燃料在陽極區被微生物催化分解。
[0007]與有機物分泌類似，在光合作用下，植物亦會向根系輸送氧氣，這些氧氣除了滿足根部的有氧呼吸之外，還會在運輸的過程中通過根軸徑向釋放到根際周圍介質中，稱之為根系徑向泌氧(radial oxygen loss，R0L)。ROL在植物凈化污水的過程中發揮著重要的作用:一方面，ROL的存在使得根區形成很多好氧、缺氧和厭氧微區，為根區的好氧、兼性厭氧以及厭氧微生物提供適宜的小生境，有利于污染物的吸收降解；另一方面，釋放的氧氣可以氧化根區的還原性物質，促進根系表面形成鐵錳氧化物膜，從而影響介質中有毒物質和重金屬元素的存在形態及生物有效性。P-SMFC是基于植物與底質微生物之間的互惠共生作用，為微生物燃料電池提供燃料并持續產生電能，具有誘人的發展潛力。通過把生物陽極置于植物根部具有大量電化學活性微生物的底質中，結合根際微生物的還原功能，利用MFC技術，使根際底質中的有機物轉化為電子、質子和二氧化碳，不斷產生綠色電能，而不用收獲植物。植物-沉積物微生物燃料電池研究火熱，潛力巨大，研究與應用范圍不斷拓展，但目前仍存在發展瓶頸。主要是影響因素多、開發成本高、產電效率低，缺少持續性與穩定性，離實際應用還有一定距離。SMFC的產電能力與污染物去除效率還很有限，主要是因為:(I)電極間距大，導致SMFC具有較大的內阻；(2)懸有陰極的上覆水中氧氣的溶解度較低；(3)隨著時間的推移，微生物和化學物質在陰極表面沉積；(4)陽極和陰極較難固定。
[0008]通過構建MFC系統對水體進行修復以及SMFC系統對底質修復的研究越來越多；但在SMFC的基礎上加上植物，同時實現對底質的修復和對廢水的處理卻鮮有研究；特別是在沉積物微生物燃料電池系統中引入浮床植物，實現產電過程對沉積物污染及上覆水污染的原位修復，國內外尚未見報道。本發明以黑臭河涌底泥為底質構建SMFC，然后引入浮床植物，種植于上覆水體中，構成浮床植物-沉積物微生物燃料電池(P-SMFC)。結合浮床植物的根系分泌特征，其根系分泌物為根際微生物提供養料；同時根系徑向泌氧使得根際區形成很多好氧區，植物根區分泌的氧氣可擴散至SMFC陰極，增加陰極區溶解氧濃度，提高SMFC對沉積物污染及上覆水污染的修復性能。
【發明內容】
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[0009]本發明的目的是提供一種浮生植物耦合沉積物微生物燃料電池的水質凈化方法，其產電能力強，懸有陰極的上覆水體中氧氣的溶解度大大提高，提高了 SMFC對沉積物污染及上覆水體污染的修復性能。
[0010]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
[0011]—種浮床植物耦合沉積物微生物燃料電池的水質凈化方法，將生態浮島與微生物燃料電池相結合，其中，生態浮島是將浮床植物利用浮體種植于以黑臭河涌底泥或城市污泥為底質的受污染的上覆水中。
[0012]作為上述技術方案的優選，所述浮床植物主要包括風車草、美人蕉、元寶草等，將其與浮體、種植藍首先構成生態浮島，置于上覆水中。
[0013]作為上述技術方案的優選，微生物燃料電池由炭氈陽極、石墨盤陰極及連接導線組成，并與一變阻箱連接形成閉合回路。
[0014]作為上述技術方案的優選，所述炭氈陽極由兩片活性碳纖維氈和一片銅箔組成，將銅箔平鋪置于兩片碳氈中間，然后以納鞋底的方式將四根銅絲引向碳氈中央，將重遇后的銅絲扭成一股，形成連接陽極的導線。
[0015]作為上述技術方案的優選，所述上覆水為含有一定鹽度的水，河涌底泥為受污染黑臭河涌底泥并拌入一定量的沼渣。
[0016]作為上述技術方案的優選，連接陰極石墨盤的導線將從石墨盤中央穿出。
[0017]作為上述技術方案的優選，所述炭氈陽極置于底泥表層