一種電動力-燃料電池耦合裝置及污染土壤的修復方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種污染物的凈化裝置和處理方法，特別地涉及一種電動力-微生物 電池耦合裝置及污染土壤的修復方法，屬于環境保護和污染防治與治理領域。
【背景技術】
[0002] 目前，隨著我國工業和農業的快速發展，人們生活水平在日益提高的同時，也造成 了十分嚴重的土壤污染。而土壤污染又反過來對農產品、地下水、生態環境及人體健康等產 生了很大的威脅。
[0003] 因此，加強對污染土壤的治理已經刻不容緩，尋找一種快捷、低能耗、效率高的污 染土壤的修復方法具有十分重要的現實意義。
[0004] 目前，傳統污染土壤的修復技術主要有化學法、物理法和生物修復法等。其中化學 和物理法成本較高，且容易對土壤的理化性質造成嚴重的不利影響。生物修復法具有成本 較低，操作簡單、無二次污染等優點，因此具有非常好的應用前景。
[0005] 而對于深層或淹水的污染土壤、污泥或沉積物而言，由于缺乏充足的氧氣，缺氧或 厭氧降解是土壤有機物降解的一個重要的途徑。然而在缺氧或厭氧條件下，微生物降解有 機污染物需要有硝酸鹽、硫酸鹽等電子受體，因此電子受體的缺乏會導致微生物降解速率 降低甚至停止。添加外源電子受體可以促進微生物厭氧降解，但是這些電子受體不是持續 的。在微生物電池的陰極，氧氣因其在環境中方便易得并且產物干凈環保，是一種理想的陰 極電子受體。然而如果用曝氣的方法提供氧氣作為電子受體，具有能耗高，氧氣的溶解度低 的缺點。同時氧氣很快就會被消耗。因此，該方法需要持續的人力、物力和能源向土壤或沉 積物曝氣，大大增加修復成本。
[0006] 微生物電池系統是近十年來比較熱門的技術，它主要利用電化學活性微生物作為 催化劑，將有機物的化學能直接轉化為電能。微生物電池可以在厭氧條件下源源不斷地在 陰極處為微生物提供最終電子受體，從而促進污染物在缺乏氧氣、硝酸鹽、硫酸鹽等電子受 體的條件下得到降解。自然界廣泛存在具有通過代謝功能將產生的電子傳遞到電極的電化 學微生物。
[0007] 因此，微生物燃料電池可在土壤、污泥、沉積物、污水、人畜糞便等多種環境中利 用。
[0008] 近幾年，微生物電池，尤其是沉積物微生物電池因其較好的產電性能和污染物去 除效率越來越得到人們的關注。科學家對其進行了廣泛深入的研究，研發出了多種微生物 電池修復方法和相應裝置。
[0009] CN102386431A公開了一種土壤微生物燃料電池及修復石油烴污染土壤的方法。所 述土壤微生物燃料電池由U型管和包裹于其外表面的膜電極構成，U型管為中空管且管壁均 布圓孔，膜電極自內向外包括擴散層、碳基層、陰極、催化層、玻璃纖維膜和陽極并纏繞組成 層狀結構，U型管兩側的陽極和陰極通過導線自身連接，陽極與陰極之間通過導線與外接電 阻連接構成電池，U型管與膜電極之間粘接密封，U型管埋入污染土壤中的直管部分高度與 污染土層厚度相同。
[0010] CN102368559A公開了一種堿性微生物燃料電池。所述微生物燃料電池包括容器狀 的電池殼體、陽極和空氣陰極;所述陽極為活性炭纖維刷、碳布或碳紙，空氣陰極為兩面分 別涂覆聚四氟乙烯擴散層和顆粒活性炭催化層的碳布集電體，且空氣陰極以擴散層面向空 氣、催化層面向溶液置于容器兩側;該燃料電池的電解液分為啟動時的電解液和產電運行 時的電解液，其中產電運行時的電解液又分為有機物基質和有機廢水兩種主要成分。本發 明陰極催化材料是采用活性炭，不含任何金屬催化劑，大大降低成本。在堿性條件下運行， 陰極氧還原性能得到提高，可提高有機物的能量轉化效率。在高濃度有機物的條件下，電池 能穩定運行，且有機物利用率高。
[0011] CN202025824U公開了一種有機物污染土壤原位修復的土壤微生物燃料電池裝置。 所述實用新型裝置包括膜陰極和陽極，膜陰極和陽極之間通過導線連接。膜陰極外邊緣設 有隔水板，這樣可以形成一個空腔，提供足夠的浮力，使得膜陰極可漂浮在水面上，其兩面 分別充分與大氣和水相接觸，其陽極埋于土壤中，可以方便地安裝在淹水土壤中，就地利用 淹水土壤中的有機污染物為燃料，進行氧化降解，生成c〇 2和水等無害物質，實現土壤的原 位修復。
[0012] CN102500610A公開了一種成本低廉、實用有效、綠色環保的利用產電微生物和植 物光合作用聯用的植物-土壤微生物燃料電池系統。它包括陽極電極、陰極電極以及連接陽 極電極和陰極電極的外電路，還包括植物，所述的陽極電極置于植物根部周圍的土壤內，所 述的陰極電極置于土壤表面。本發明主要以植物光合作用生產并釋放到根部的有機質為燃 料，避免了產電微生物以污水中有機質為燃料時，有機質對產電微生物的抑制作用，從而導 致產電效率低的問題。同時本發明以植物作為燃料供應者，實現植物固碳-分泌有機質-產 電的能源的循環利用，實現了燃料的綠色供給。
[0013] 如上所述，雖然人們研發了多種微生物電池修復污染土壤的方法，但均存在一些 缺點，例如：1、在微生物燃料電池的陰極介質中，氧氣在中性條件下發生還原反應的動力學 系數較低，從而限制了其作為陰極最終電子受體的使用，制約著整個反應的反應速度;2、微 生物燃料電池內阻較大，降低了輸出功率，阻礙微生物燃料電池的降解效率;3、一個陽極對 應一個陰極，由于陽極表面積有限，土壤中污染物的微生物降解受到限制;4、對于修復大面 積污染土壤，修復成本較高。
[0014] 凡此種種，導致了上述方法的應用范圍和應用價值均受到了一定的限制，無法大 范圍推廣。
[0015] 基于這些原因，目前在污染土壤治理領域，對于新型、成本低廉、效果良好、高去除 效果的污染土壤修復裝置和方法仍存有強烈需求，也是目前土壤修復領域的一個研究重點 和熱點，而這也正是本發明得以完成的動力所在和基礎所倚。
【發明內容】
[0016] 鑒于上述技術的缺陷與不足，本發明人從實際應用出發，對微生物燃料電池修復 污染土壤的方法進行了大量的深入研究，在付出了創造性勞動后，從而完成了本發明。
[0017] 具體而言，本發明主要涉及如下幾個方面。
[0018] 第一個方面，本發明提供了一種電動力-微生物燃料電池耦合裝置，所述裝置包括 直流電源;所述直流電源的負極與電動力陰極（以下簡稱為ΕΚ陰極)相連;所述直流電源的 正極與任選存在的電極切換系統相連;所述電極切換系統與電動力陽極（以下簡稱為ΕΚ陽 極)相連，且所述ΕΚ陽極設置在呈中空圓筒狀的微生物燃料電池陰極（以下簡稱為MFC陰極） 的中心;所述MFC陰極與外電阻相連;在所述MFC陰極與所述EK陰極之間，設置多根微生物燃 料電池陽極（以下簡稱為MFC陽極）；所述多根MFC陽極之間通過導線順次連接，并與所述外 電阻串聯連接。
[0019] 在本發明的所述電動力-微生物燃料電池耦合裝置中，所述電極切換系統屬于公 知的裝置，可通過多種商業渠道而獲得，在此不再進行詳細描述。
[0020] 其中，該電極切換系統是任選存在的，也即存在或者不存在，當不存在時，則所述 直流電源的正極直接與所述EK陽極相連。
[0021] 在本發明的所述電動力-微生物燃料電池耦合裝置中，所述EK陽極可為本領域中 的常規陽極，例如可為石墨棒，本領域技術人員可以進行合適的選擇與確定，在