一种修复重金属污染土壤的方法及其专用设备技术

本发明专利技术公开了一种修复重金属污染土壤的方法及其专用设备。该专用设备为微生物燃料电池，阳极区由阳极和接种在阳极上的微生物培养液组成；阴极区由负载催化剂的碳材料和缓冲溶液组成；脱毒区与阴极区用滤膜分隔；脱毒区为氯化钠水溶液。修复方法包括：1)将待修复的重金属污染土壤风干，过筛，洗脱后得到重金属污染淤泥；2)将脱毒区的氯化钠水溶液替换为重金属污染土壤溶液，保持3天-6个月后，完成修复。该方法通过微生物燃料电池转化有机质为电流，将产生的电流用于重金属污染土壤的电动修复，修复处理速度快，成本低，特别适合于去除低渗透的土壤中的带电污染物。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种修复重金属污染土壤的方法及其专用设备。该专用设备为微生物燃料电池，阳极区由阳极和接种在阳极上的微生物培养液组成；阴极区由负载催化剂的碳材料和缓冲溶液组成；脱毒区与阴极区用滤膜分隔；脱毒区为氯化钠水溶液。修复方法包括：1)将待修复的重金属污染土壤风干，过筛，洗脱后得到重金属污染淤泥；2)将脱毒区的氯化钠水溶液替换为重金属污染土壤溶液，保持3天-6个月后，完成修复。该方法通过微生物燃料电池转化有机质为电流，将产生的电流用于重金属污染土壤的电动修复，修复处理速度快，成本低，特别适合于去除低渗透的土壤中的带电污染物。【专利说明】一种修复重金属污染土壤的方法及其专用设备
本专利技术属于土壤治理领域，涉及一种治理污染土壤的方法，尤其涉及一种修复重金属污染土壤的方法。
技术介绍
随着我国经济的发展和城市的扩张，农业土壤中的重金属浓度持续升高，已经威胁到我国的食品安全。重金属污染土壤的治理方法主要有:1)物理法，包括排土、换土、去表土、客土、深耕翻土和电动力法等措施；2)化学法，包括沉淀、吸附和化学淋洗法等；2)生物法，利用某些动物、植物和微生物对污染物进行吸收积累和降解转化。这几种方法虽然对土壤重金属污染治理具有一定的改良效果，但是它们也存在较大的局限性。物理法投资成本较大、破坏土壤结构等；化学法容易引入二次污染，降低土壤肥力；植物修复技术虽然以其成本低、不破坏土壤结构和不造成二次污染等优点而备受人们推崇，但是目前发现的超积累植物大多数植株矮小、生长缓慢、生物量较小，难以在实际生产中应用。总之，用于修复重金属污染土壤的实用、可靠和成熟的方法技术较少。尽管电动力学修复污染土壤具有很好的前景，但是其应用需要外接供电体系，对污染环境持续通电。将宝贵的电力资源，用于大范围的重金属污染耕地的修复治理，不仅是在经济上得不偿失，而且可能造成异位污染。因此，寻求高效、经济、实用的重金属污染土壤的治理技术成为当前人们优先考虑的问题之 O
技术实现思路
鉴于电动力学修复土壤消耗大量电力资源的问题，本专利技术所要解决的技术问题为通过原位的能源转化技术，给重金属污染土壤的电动力学修复提供低成本的绿色电力供应。本专利技术通过将微生物燃料电池和电动力学土壤修复方法相结合，使得电动力学修复所需要的能源，从来自电厂的电力资源，变成土壤原位的有机质能。该方法大幅地降低电动力学修复重金属污染耕地的成本，特别适用于远离城市供电不便的偏远农村的污染水稻田的修复和治理。 本专利技术的目的是提供一种修复重金属污染土壤的方法及其专用设备。 本专利技术提供了一种用于修复重金属污染土壤的专用设备，为微生物燃料电池，该微生物燃料电池包括阳极区、阴离子膜、脱毒区、滤膜和阴极区； 其中，所述阳极区由阳极和接种在所述阳极上的微生物培养液组成； 所述阴极区由负载催化剂的碳材料和缓冲溶液组成； 所述脱毒区为氯化钠水溶液； 所述阳极区与所述阴极区之间为脱毒区，且所述阳极区与所述脱毒区之间用所述阴离子膜分隔，所述阴极区与所述脱毒区之间用所述滤膜分隔。 上述微生物燃料电池的阳极区中，微生物培养液的组成如下:2g/L乙酸钠、4.4g/LKH2PO4,3.4g/L K2HPO4.3Η20、1.5g/L NH4CU0.lg/L MgCl2.6Η20、0.lg/L CaCl2.2Η20、10ι?1/L微量元素培养基、微生物燃料电池所用菌； 其中，微量元素培养基的组成如下:1.25ml/L 25% HCl,210mg/L FeSO4.7H20、3mg/L H3BO3'lOmg/L MnCl2.4H20、19mg/L CoCl2.6H20、2.4mg/L NiCl2.6H20、14.4mg/LZnSO4.7H20、3.6mg/L Na2MoO4.2H20 和 25mg/L Na2WO4.2H20 ； 各种常见的微生物燃料电池所用菌均适用于本专利技术提供的微生物燃料电池，公众从公开商业途径均可获得，具体的，该微生物燃料电池所用菌可为Shewanella oneidensisstrain MR-1(ATCC 700550)； 所述阴极区中，所述负载催化剂的碳材料为石墨网；催化剂为金属钼；催化剂的负载量为0.3mg/cm2 ;所述缓冲溶液为含氧磷酸盐缓冲溶液或含氧碳酸盐缓冲溶液； 其中，所述含氧磷酸盐缓冲溶液具体为由lmmol/L的KH2PO4水溶液和质量百分浓度为20%的HNO3水溶液组成的混合液；所述含氧磷酸盐缓冲溶液的pH值具体为3 ； 所述含氧磷酸盐缓冲溶液或含氧碳酸盐缓冲溶液可采用蠕动泵向磷酸盐缓冲溶液或碳酸盐缓冲溶液中持续通入空气的方式使其含氧； 构成所述阳极和阴极的材料均为石墨毡、石墨板、石墨棒、碳布或不锈钢网；所述石墨租的形状具体可为矩形，尺寸具体可为3mmX30mmX90mm ； 所述阳极与所述阴极之间的距离为3cm-15cm ； 所述阴离子膜的面积为lcm2-2500cm2，具体为12cm2 ； 构成所述滤膜的材料为尼龙膜或纤维素膜；所述滤膜的孔径为0.20 μ m-2.0 μ m ; 所述阴离子膜和滤膜之间的距离(也即脱毒区厚度)为lcm-20cm，具体为2cm ； 所述脱毒区中，氯化钠水溶液的浓度为10g/L。 所述微生物燃料电池还包括电阻和导线；所述电阻的一端通过所述导线与所述阳极区的阳极相连，另一端通过所述导线与所述阴极区的阴极相连。 上述本专利技术提供的微生物燃料电池，是一种利用自然环境中的胞外呼吸微生物，把有机质中所蕴含的化学能转变成电能的电池。该微生物燃料电池的阳极区中提供厌氧微生物适宜的生长环境，可胞外产电的微生物附着在电极上，氧化有机物并给出电子，同时生成二氧化碳和氢离子，电子通过外电路到达阴极，被阴极的氧气等氧化性物质接收，生成氢氧根，无机离子在电池内部移动，形成电流回路。 另外，上述本专利技术提供的微生物燃料电池在修复重金属污染土壤中的应用，也属于本专利技术的保护范围。其中，所述重金属选自锌、镉、铅、砷、铜、镍、钴、锰、汞和铬中的至少一种。 所述土壤为水稻田的土壤。 本专利技术提供了一种修复重金属污染土壤的方法，包括如下步骤: I)将待修复的重金属污染土壤风干，过筛，洗脱后得到重金属污染淤泥； 2)将前述本专利技术提供的微生物燃料电池中所述脱毒区的氯化钠水溶液替换为步骤I)所得重金属污染土壤溶液，保持3天-6个月后，完成所述重金属污染土壤的修复。 上述方法中，洗脱步骤所用洗脱剂为柠檬酸的水溶液、EDTA的水溶液、EDDS的水溶液或水；所述柠檬酸的水溶液、EDTA的水溶液或EDDS的水溶液的浓度为lOOmmol/L ;洗脱步骤的目的是利用洗脱剂使待修复的重金属污染土壤中的重金属离子如锌离子和镉离子可以更好地从土壤颗粒中释放出来，更有利于土壤的修复。 所述待修复的重金属污染土壤与洗脱步骤所用洗脱剂的质量比为56:88 ； 所述过筛步骤中，筛孔的直径为2mm ； 所述土壤为水稻田的土壤。 在微生物燃料电池启动阶段，在脱毒区中使用氯化钠溶液维持电池内部的导电率。当电池启动成功后，三天内氯化钠溶液的电导率可降到69yS/cm，然后把脱毒区中的氯化钠溶液替换为重金属污染土壤，在电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微生物燃料电池，包括阳极区、阴离子膜、脱毒区、滤膜和阴极区；其中，所述阳极区由阳极和接种在所述阳极上的微生物培养液组成；所述阴极区由负载催化剂的碳材料和缓冲溶液组成；所述脱毒区为氯化钠水溶液；所述阳极区与所述阴极区之间为脱毒区，且所述阳极区与所述脱毒区之间用所述阴离子膜分隔，所述阴极区与所述脱毒区之间用所述滤膜分隔。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱永官，王亚洁，孙国新，梁建宏，朱博恺，陈正，
申请(专利权)人：中国科学院生态环境研究中心，
类型：发明
国别省市：北京;11