利用植物-沉积微生物燃料电池处理污染河水的方法技术

本发明专利技术提供一种利用植物‑沉积微生物燃料电池处理污染河水的方法，属于生态修复技术领域。该方法取污染河流浅滩3‑5cm深处的底泥，研碎过筛后与石英砂1：1混合用作基质；然后在污染河流底泥下5‑8cm处设置阳极板，将沉水植物根系通过阳极扎根在底泥中；再在水‑空气界面设置悬浮于水面的浮床浮板，在浮板上部覆盖同尺寸同形状的阴极板；在浮床浮板上设置种植篮，篮内添加基质，将挺水植物通过基质定植种植在浮床上；最后将阳极、阴极板用外导线和外电阻连接起来，形成电流回路。该方法空气中的氧气可不断补充到阴极，同时浮床上挺水植物泌氧扩散到阴极，提高系统电能输出的稳定性及植物‑沉积微生物电池对污染水体的修复性能。

Treatment of Polluted River Water by Plant-Deposited Microbial Fuel Cell

The invention provides a method for treating polluted river water by using plant deposition microbial fuel cell, which belongs to the technical field of ecological restoration. The method takes sediment from 3 to 5 cm deep of polluted river shoal, grinds and sieves it, and mixes it with quartz sand at 1:1 as a matrix; then sets an anode plate at 5 to 8 cm below the polluted river sediment to root submerged plant roots in the sediment through the anode; then sets a floating bed floating board suspended on the water-air interface to cover the upper part of the floating bed with the same size and shape cathode plate; and floats in the floating bed. A planting basket is arranged on the board, and the matrix is added to the basket, and the tall water plants are planted on the floating bed through the matrix. Finally, the anode and cathode plates are connected with external conductors and external resistors to form a current loop. In this method, oxygen in the air can be continuously added to the cathode. At the same time, the water plant on the floating bed secretes oxygen and diffuses to the cathode, which improves the stability of the power output of the system and the repairing performance of the plant-deposited microbial battery to the polluted water body.

【技术实现步骤摘要】
利用植物-沉积微生物燃料电池处理污染河水的方法
本专利技术涉及生态修复
，特别是指一种利用植物-沉积微生物燃料电池处理污染河水的方法。
技术介绍
随着近年来水体修复技术的发展，河流水体沉积物污染状况成为衡量水体水质的重要因素之一。当水体环境改变，沉积物中的污染物会释放到水体中，加重水体污染，其中底泥硫化物含量高低是衡量底泥污染状况的重要指标之一。河流底泥大多处于还原状态，存在大量厌氧微生物如硫酸盐还原菌，这些微生物将硫酸盐还原成硫化物，导致磷酸根的释放，造成内源污染。高浓度硫化物还会威胁到水体中水生生物的生存，并对植物产生毒害作用。污染河流修复技术可分为物理修复、化学修复和生物修复。化学修复修复周期短，速度快，但是需要大量投加化学药剂，不能从根源上去除污染物，造成巨大的资金投入，可能造成二次污染；物理修复单独使用时效果不佳，对环境条件等的要求比较高，一般用作前处理措施。生物修复可以在净化污染物的同时修复生态平衡，管理维护简单，运行成本低，无二次污染，被广泛用于农业面源污染河流、湖泊的治理修复中。微生物燃料电池(MFC)是一种能源与环境学科交叉延伸出的新领域，通过微生物呼吸作用将废水中污染物质转换成电子和质子，电子通过介质在阴阳极之间传递，形成电流，产生电能。在此基础上延伸出的沉积型微生物燃料电池(SMFC)将阳极埋进沉积物中，阴极则悬浮在水-空气界面中，SMFC取缔了MFC中的膜结构，结构简单，不需要投加电子受体，且其环境更接近自然水体，具有极大的工程潜力。本专利技术在SMFC的基础上引入沉水和挺水植物，根据植物本身的新陈代谢特性作用与SMFC有机耦合形成植物-沉积微生物燃料电池(P-SMFC)，用于原位修复水体和产能，其中沉水植物的根系分泌特征与微生物的生长发育需求耦合，提高SMFC产能的稳定性；而挺水植物根系泌氧可扩散至SMFC阴极，增加阴极区的溶解氧浓度，提高SMFC对水质的修复性能，可改善底泥氧化还原电位，从而提高原位修复效果。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种利用植物-沉积微生物燃料电池处理污染河水的方法。该方法包括步骤如下：S1：取污染河流浅滩3-5cm深处的底泥，烘干研碎过筛后与石英砂按质量比1：1混合作为基质；S2：在污染河流底泥下5-8cm处设置阳极，将沉水植物根系通过阳极扎根在底泥层中；S3：在水-空气界面设置悬浮于水面的浮床浮板，在浮床浮板上部覆盖与浮床浮板同尺寸同形状的阴极板；S4：在浮床浮板上设置种植篮，种植篮内添加S1所制的基质，将挺水植物通过基质定植种植在浮床浮板上；S5：将S2中设置的阳极和S3中设置的阴极板用导线连接起来，形成电流回路。其中，S5中导线上设置电阻。S1中基质厚度为8cm，其中石英砂粒度为2-3mm，底泥过筛20-100目。S2中沉水植物包括金鱼藻、菹草、黑藻、狐尾藻中的一种或几种。S4中挺水植物包括野古草、大米草、水稻、水甜茅、蕹菜、菖蒲、芦苇中的一种或几种。S2中阳极为不锈钢、含铂催化剂复合材料、石墨材质中的任意一种制成的三维球体网状结构，网孔为1×1cm的平行四边形。S3中阴极材质为石墨毡片、碳毡片中的任一种。S3中浮床浮板材料为高密度聚乙烯(HDPE)。S5中导线为铜丝或铝丝。S5中所用电阻为50-200Ω的固定值电阻或可调电阻。该方法在被污染河流、湖泊底泥中填埋阳极板，将沉水植物的根系穿过网状阳极扎根在底泥中，在水-空气表面设置浮床浮板，浮床浮板上表面同形状同尺寸覆盖一层阳极板，挺水植物通过种植篮及篮内基质种植在浮床浮板上漂浮在水面，使用导线连接阴阳极及外接电阻，构成植物-沉积微生物燃料电池，净化河流污染水体的同时可改善底泥的氧化还原电位，同时具有稳定的产电性能。本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：1.本专利技术在SMFC的基础上引入水生植物，构成植物-沉积微生物燃料电池(P-SMFC)净化系统，将沉水植物的根系分泌特征与微生物的生长发育需求耦合，提高SMFC产能的稳定性；同时挺水植物根系泌氧可扩散至SMFC阴极，增加阴极区的溶解氧浓度，提高SMFC对水质的修复性能，并改善底泥氧化还原电位。2.阳极采用三维球状结构可加大阳极的比表面积，加强P-SMFC的输出功率。3.阴极覆盖在浮床浮板上，被成熟期的植物覆盖，增加装置的美观性，并且氧气可从空气中源源不断的补充给阴极板，使系统的电能输出更高效稳定。附图说明图1为本专利技术的利用植物-沉积微生物燃料电池处理污染河水的方法所用装置结构示意图；图2为本专利技术P-SMFC对底泥层中硫离子的去除效果；图3为本专利技术P-SMFC系统及植物浮床系统对河流污染水的修复效果，其中，(a)为氨氮修复效果，(b)为总磷修复效果；图4为本专利技术P-SMFC系统随时间输出电压的变化；图5为SMFC系统随时间输出电压的变化。其中：1-阴极板；2-浮床浮板；3-挺水植物；4-种植篮；5-基质；6-污染水层；7-导线；8-电阻；9-沉水植物；10-底泥层；11-阳极。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本专利技术提供一种利用植物-沉积微生物燃料电池处理污染河水的方法。该方法所涉及的系统如图1所示，该方法包括步骤如下：S1：取污染河流浅滩3-5cm深处的底泥，烘干研碎过筛后与石英砂按质量比1：1混合作为基质5；S2：在污染河流污染水层6下的底泥下5-8cm处设置阳极11，将沉水植物9根系通过阳极11扎根在底泥层10中；S3：在水-空气界面设置悬浮于水面的浮床浮板2，在浮床浮板2上部覆盖与浮床浮板2同尺寸同形状的阴极板1；S4：在浮床浮板2上设置种植篮4，种植篮4内添加S1所制的基质5，将挺水植物3通过基质5定植种植在浮床浮板2上；S5：将S2中设置的阳极11和S3中设置的阴极板1用导线7连接起来，形成电流回路。导线7上安装电阻8。下面结合具体实施例予以说明。实施例1在一总容积45L的透明塑料长方体容器(长60，宽30，高40cm)底部装入12cm厚的底泥，在底泥上方加入18cm深的人工模拟污水，模拟受污染河水。在距离容器底部5cm处钻一孔径0.2cm的小孔，用于穿出连接阳极的导线。在上覆水表面放置高密度聚乙烯浮床，并配备种植篮，种植篮内装有粒度2-3mm石英砂以1:1比例混合的底泥基质，将挺水植物种植在种植篮内。在污染水体底泥5cm处设置阳极，以便于集中大部分污染物质的上中层底泥中的硫离子浓度被改善，同时也利于植物扎根底泥中。阳极结构为三维球体网状阳极，可扩大阳极比表面积，增大P-SMFC电能输出。将沉水植物根系穿过三维球状网状阳极扎根底泥中，利用沉水植物根系及产电微生物协同作用，促进微生物群落生长。导线从三维球形网状阳极孔中穿出，经过外接电阻连接到阴极板和浮床浮板中间，再回到阳极形成电流回路。其中，沉水植物主要为金鱼藻和菹草以2：1比例扎根底泥中。挺水植物主要为野古草、水甜茅、芦苇以2：2：1的比例种植在浮床上。底泥取自硫化物污染的水稻田表层土壤，经均匀混合后密闭遮光储存于PVC桶内。人工模拟污水为加入氯化钠、氯化铵、磷酸二氢钾、葡萄糖、硫酸镁、硝酸钾及微量元素含有一定盐度的劣Ⅴ类水。阳极材料为不锈钢、阴极材料为石墨毡。外接导线为铜丝。外接电阻为100Ω的定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用植物‑沉积微生物燃料电池处理污染河水的方法，其特征在于：包括步骤如下：S1：取污染河流浅滩3‑5cm深处的底泥，烘干研碎过筛后与石英砂按质量比1：1混合作为基质；S2：在污染河流底泥下5‑8cm处设置阳极，将沉水植物根系通过阳极扎根在底泥层中；S3：在水‑空气界面设置悬浮于水面的浮床浮板，在浮床浮板上部覆盖与浮床浮板同尺寸同形状的阴极板；S4：在浮床浮板上设置种植篮，种植篮内添加S1所制的基质，将挺水植物通过基质定植种植在浮床浮板上；S5：将S2中设置的阳极和S3中设置的阴极板用导线连接起来，形成电流回路。

【技术特征摘要】
1.一种利用植物-沉积微生物燃料电池处理污染河水的方法，其特征在于：包括步骤如下：S1：取污染河流浅滩3-5cm深处的底泥，烘干研碎过筛后与石英砂按质量比1：1混合作为基质；S2：在污染河流底泥下5-8cm处设置阳极，将沉水植物根系通过阳极扎根在底泥层中；S3：在水-空气界面设置悬浮于水面的浮床浮板，在浮床浮板上部覆盖与浮床浮板同尺寸同形状的阴极板；S4：在浮床浮板上设置种植篮，种植篮内添加S1所制的基质，将挺水植物通过基质定植种植在浮床浮板上；S5：将S2中设置的阳极和S3中设置的阴极板用导线连接起来，形成电流回路。2.根据权利要求1所述的利用植物-沉积微生物燃料电池处理污染河水的方法，其特征在于：所述S5中导线上设置电阻。3.根据权利要求1所述的利用植物-沉积微生物燃料电池处理污染河水的方法，其特征在于：所述S1中基质厚度为8cm，其中石英砂粒度为2-3mm，底泥...

【专利技术属性】
技术研发人员：林海，董颖博，李冰，贺银海，薛宇航，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11