一种微生物燃料电池修复城市感潮河涌黑臭底泥的方法及设备技术

本发明专利技术公开了一种微生物燃料电池修复城市感潮河涌黑臭底泥的方法，其包括如下步骤：制备生物碳毡和碳粒；用射流将碳粒混合液喷射入河涌黑臭底泥，铺设碳毡阳极、碳毡阴极；碳毡阳极与碳毡阴极之间由导电线缆连接、中间再串接一阻抗负载构成闭合回路，形成微生物燃料电池耦合系统；河涌底泥沉积物中的有机物在阳极区被持续氧化，产生的电子转移至阴极，加速底泥沉积物中有机物的去除，实现对城市感潮河涌黑臭底泥的产业化、规模化、持久化、生态化持续性修复。本发明专利技术还提供了实现上述方法的设备，其包括一船体、碳粒混合罐、绞盘支架及绞盘、射流泵；射流泵将碳粒混合在沉积物内；其施工低成本、范围大、速度快、持续时间长，且无需人工看护。

A method and equipment of microbial fuel cell for remediation of black and odorous sediment in urban tidal river

【技术实现步骤摘要】
一种微生物燃料电池修复城市感潮河涌黑臭底泥的方法及设备
本专利技术涉及环境污染治理
，尤其涉及一种微生物燃料电池修复城市感潮河涌黑臭底泥的方法及设备。
技术介绍
城市感潮黑臭河涌底泥，即河涌底部的沉积物，是各种污染物的汇集地，如重金属、有机化学品和营养物质。随着工业的快速发展及人口的迅速增长，大量工业、农业污染物通过大气沉降、废水排放、雨水淋溶与冲刷进入到水体中，由于河流本身的调蓄作用弱、纳污能力小、载污能力不够，污染物超过了河流的自净能力，污染物不断聚集，其中相当一部分会累积在底泥中，使底泥受到污染对水生生态系统造成威胁，河流水质恶化并散发出恶臭，导致周边环境十分恶劣，对人类健康产生不利影响。目前水体底泥的修复技术主要包括原位修复(如掩蔽技术、植物及微生物修复技术、投加絮凝剂及还原剂等)和异位修复(底泥疏浚、气充氧、固化填埋及堆肥等)，用的最多的是底泥疏浚，但其处理成本高、工程量大、在处理过程中会对周边环境产生很大影响且疏浚底泥还需进行额外的无害化处理处置，其他的物理化学处理处置方法也各自存在一定的问题。而将微生物燃料电池MFCs技术引入底泥污染治理领域，在修复底泥的同时回收能源，原则上可以大大降低水体底泥的处理成本，同时实现对底泥的资源化利用，无疑是水体底泥处理理念的重大革新，具有明显的创新意义和实用价值。现有技术中，利用海底沉积物中的有机物进行发电，被称为“无人看守海底发电机”，基于沉积物微生物燃料电池(SMFC)的水体污染修复技术逐渐发展起来。在SMFC中，阳极通常置于缺氧的水底沉积物，而阴极则悬于阳极上方的含氧水中，阴阳极之间以导线相连，并接一电阻构成闭合回路。在厌氧微生物的催化作用下，沉积物中的有机物在阳极区被氧化，产生的电子透过细胞膜传递到阳极，再经外电路转移至阴极。另一方面，氧化过程中产生的氢离子则通过上覆水-沉积物界面传递到阴极区，上覆水中的溶解氧接受电子后与氢离子结合生成水，完成氧气的还原过程。在SMFC中，阳极作为电子受体接受微生物氧化有机物过程中产生的电子，因而可以加速沉积物中有机物的去除，同时产生电流。大部分沉积物微生物燃料电池的研究集中在海洋环境中，而淡水河流中的研究比较少。这是因为海水具有比淡水高的电导率。在20℃下，海水的电导率可达到50000μS·cm-1，而淡水的电导率仅为500μS·cm-1。由于电解质的电导率是影响MFC内阻的重要因素之一，电导率越高，内阻越小，因而海水SMFC能够产生比淡水SMFC更高的电量。因此，在淡水型流域利用SMFC的污染治理中，如何大面积、低成本、持续可靠的提高淡水的电导率，尤其是对于接近底泥的上覆水的电导率，一直是一个难以克服的技术难题。现有研究评估了SMFC在产电的同时对沉积物中有机物质的去除能力。有人以多孔石墨电极运行SMFC，160天后，阳极1cm范围内的总有机质含量下降了30％，而距离阳极较远处及开路状态下有机质含量几乎没变化。这说明在闭合状态下SMFC氧化沉积物有机物的能力得到提升。另外，沉积物中有机物的降解与电流的形成是相一致的，电流越大则表明有机物降解越多。虽然SMFC适用于对沉积物的修复，但其产电能力和污染物去除能力仍然受到电极间距大、阴极氧气利用率低等限制。因此，如何在流域污染治理中，克服电极间距大、阴极氧气利用率低等限制，也是急需解决的技术问题。现有研究还表明，SMFC形成短路可提高污染治理效率。该研究通过构建一种沉积物微生物燃料电池对富营养化湖泊水体中的氮进行原位去除，并同时产生电能。结果显示，在富含硝酸盐和亚硝酸盐的合成湖泊水中，SMFC所能达到的最大功率密度分别为42mW·m-2和36mW·m-2，同时硝态氮和亚硝态氮的去除率分别达到62％和77％。在闭合状态下，SMFC对氮的去除可达开路状态下的4倍。根据物质守恒定律，在该SMFC系统中，大部分去除的硝态氮和亚硝态氮被还原成氮气。SMFC也可以有效地对水产养殖水体进行原位修复。有研究人员构建了两个SMFC系统，一个连接外电阻构成闭合回路(SMFC-1)，一个形成短路(SMFC-2)。两个系统分别在不同的条件下运行，考察它们对水产养殖水体中COD和TKN的原位去除效果。但是，上述研究仅为在小范围应用实验的结果，如何在大流域废水及污泥治理中，低成本快速构建SMFC，并使其两极形成持续稳定的短路，对大流域废水及污泥治理进行持续稳定高效的治理，也是一个不容易克服的技术难题。现有研究发现SMFC的输出电流与阴极区的溶解氧浓度密切相关。上覆水中的溶解氧在阴极的还原速率是SMFC性能的限制因素之一。结果发现，在对阴极区曝气和不曝气两种情况下，SMFC-2均表现出比SMFC-1更高的去除率。曝气时，SMFC-1和SMFC-2对COD和TKN的去除率分别为79.4％、92.6％和84.4％、95.3％。当溶解氧浓度跌至低于5mgO2·L-1时，电流会急剧下降。这意味着在野外运行SMFC时，应充分考虑溶解氧条件，建议维持在5mgO2·L-1以上。但是，持续曝气的成本高、覆盖区域有限，如何在大流域河涌治理中，无需曝气使底泥上覆水的溶解氧条件维持在设定的水平之上，也是制约SMFC大规模应用的技术难题之一。因此，现有应用于河涌污染治理的微生物燃料电池处理技术，还存在河涌底泥上覆的淡水导电率低、溶氧量低的问题，电极间距大、阴极氧气利用率低的问题，以及整体治理成本高、难以大规模施工、效果难以持续等问题，因此现有技术难以将微生物燃料电池技术规模化应用于流域级污水及底泥的治理，更没有将其用于流域级污染综合治理的案例，因此严重限制了微生物燃料电池在流域污染治理领域的应用和发展。因此，需要研究一种新的微生物燃料电池修复城市感潮黑臭河涌底泥的方法及设备，以实现流域级大区域淡水河涌污染低成本、高效及长效综合治理的目的。
技术实现思路
针对上述不足，本专利技术的目的在于提供一种微生物燃料电池修复城市感潮河涌黑臭底泥的方法及设备，其施工低成本、持续性强、环境友好，形成的微生物燃料电池系统可同时实现能量回收与河涌黑臭底泥有机污染物的去除。本专利技术为达到上述目的所采用的技术方案是：一种微生物燃料电池修复城市感潮河涌黑臭底泥的方法，其特征在于，其包括如下步骤：(1)制备生物碳，并将其进一步制成为碳毡阳极、碳毡阴极和碳粒；(2)用射流将设定量的碳粒混合液喷射入河涌黑臭底泥、将底泥吹起，其冲击力在破坏沉积物-水界面、使底泥悬浮、露出沉积物-水界面下部的河床，此时向该河床上表面铺设碳毡阳极、使其将河床上表面覆盖，同时向碳毡阳极上方对应位置、设定的高度范围内铺设悬浮的碳毡阴极，该碳毡阳极与碳毡阴极之间由导电线缆连接；优化所配置的碳毡阳极与碳毡阴极的面积比，将碳毡阳极与碳毡阴极面积比设置为碳毡阳极：碳毡阴极面积比＝1：2～4，所组成微生物燃料电池的产电效率与碳毡阳极面积关系如下：PAn＝I2Rext/AAn式中，PAn为功率密度，mW/m2；Rext为外电阻，kΩ；I为电流，mA；AAn为阳极电极表面积，m2。...

【技术保护点】
1.一种微生物燃料电池修复城市感潮河涌黑臭底泥的方法，其特征在于，其包括如下步骤：/n(1)制备生物碳，并将其进一步制成为碳毡阳极、碳毡阴极和碳粒；/n(2)用射流将设定量的碳粒混合液喷射入河涌黑臭底泥、将底泥吹起，其冲击力破坏沉积物-水界面、使底泥悬浮、露出沉积物-水界面下部的河床，此时向该河床上表面铺设碳毡阳极、使其将河床上表面覆盖，同时向碳毡阳极上方对应位置、设定的高度范围内铺设悬浮的碳毡阴极，该碳毡阳极与碳毡阴极之间由导电线缆连接；/n(3)当悬浮的底泥与碳粒的混合物逐渐沉积到河床上表面时，因河床上表面已经被碳毡阳极覆盖，因此其沉积到碳毡阳极上相互混合后、形成微生物燃料电池的阳极区；设置在碳毡阳极上方的碳毡阴极与溶氧水混合后，形成微生物燃料电池的阳极区；碳毡阳极与碳毡阴极之间由导电线缆连接直接短路、或在中间再串接一阻抗负载构成闭合回路，即形成一完整的微生物燃料电池系统；/n(4)河涌底泥沉积物中的有机物在厌氧微生物的催化作用下，在阳极区被持续氧化，产生的电子透过细胞膜传递到阳极，再经导线转移至阴极；同时，氧化过程中产生的氢离子则通过上覆水-沉积物界面传递到阴极区，上覆水中的溶解氧接受电子后与氢离子结合生成水，完成氧气的还原过程，加速底泥沉积物中有机物的去除，实现对城市感潮河涌黑臭底泥的生态化持续性修复。/n...

【技术特征摘要】
1.一种微生物燃料电池修复城市感潮河涌黑臭底泥的方法，其特征在于，其包括如下步骤：
(1)制备生物碳，并将其进一步制成为碳毡阳极、碳毡阴极和碳粒；
(2)用射流将设定量的碳粒混合液喷射入河涌黑臭底泥、将底泥吹起，其冲击力破坏沉积物-水界面、使底泥悬浮、露出沉积物-水界面下部的河床，此时向该河床上表面铺设碳毡阳极、使其将河床上表面覆盖，同时向碳毡阳极上方对应位置、设定的高度范围内铺设悬浮的碳毡阴极，该碳毡阳极与碳毡阴极之间由导电线缆连接；
(3)当悬浮的底泥与碳粒的混合物逐渐沉积到河床上表面时，因河床上表面已经被碳毡阳极覆盖，因此其沉积到碳毡阳极上相互混合后、形成微生物燃料电池的阳极区；设置在碳毡阳极上方的碳毡阴极与溶氧水混合后，形成微生物燃料电池的阳极区；碳毡阳极与碳毡阴极之间由导电线缆连接直接短路、或在中间再串接一阻抗负载构成闭合回路，即形成一完整的微生物燃料电池系统；
(4)河涌底泥沉积物中的有机物在厌氧微生物的催化作用下，在阳极区被持续氧化，产生的电子透过细胞膜传递到阳极，再经导线转移至阴极；同时，氧化过程中产生的氢离子则通过上覆水-沉积物界面传递到阴极区，上覆水中的溶解氧接受电子后与氢离子结合生成水，完成氧气的还原过程，加速底泥沉积物中有机物的去除，实现对城市感潮河涌黑臭底泥的生态化持续性修复。


2.根据权利要求1所述微生物燃料电池修复城市感潮河涌黑臭底泥的方法，其特征在于，其还包括如下步骤：
(5)向悬浮的碳毡阴极上方的水体内分别设置植物浮床装置，该装置由浮板、种植篮及水生植物组成，该浮板使水生植物、种植篮悬浮在设定高度的水体中，形成植物浮床阳极；
(6)使植物浮床阳极与碳毡阴极之间相互接触，将碳毡阴极贴合在植物浮床的种植篮上，使该碳毡阴极悬浮与于设定的水体高度范围内，同时该植物浮床阳极与碳毡阴极相耦合，形成植物床-微生物燃料电池耦合系统，降低碳毡阴极电位、增大其与碳毡阳极的电位差，加快对河涌底泥的修复速度，并净化水质。


3.根据权利要求1所述微生物燃料电池修复城市感潮河涌黑臭底泥的方法，其特征在于，所述步骤(2)，还包括如下步骤：
(21)优化所铺设的碳毡阳极与碳毡阴极的面积比，将碳毡阳极与碳毡阴极面积比设置为碳毡阳极：碳毡阴极面积比＝1：2～4，所组成微生物燃料电池的产电效率与碳毡阳极面积关系如下：
PAn＝I2Rext/AAn
式中，PAn为功率密度，mW/m2；Rext为外电阻，kΩ；I为电流，mA；AAn为阳极电极表面积，m2。


4.根据权利要求1所述微生物燃料电池修复城市感潮河涌黑臭底泥的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的生物碳，是采用如下步骤制成：
以农业废弃物作物秸秆为前驱材料，在65±5℃下烘干样品，再用植物粉碎机将其粉碎并过筛；将其装入带盖的容器中，置于高温炉内缺氧炭化制备生物碳；采用程序升温的方法为以5℃/min升温，直至500℃-700℃保持1-3小时，再自然降温，制得生物碳。


5.根据权利要求1所述微生物燃料电池修复城市感潮河涌黑臭底泥的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：张太平，刘子丹，扈华庚，李彦培，
申请(专利权)人：广州益禄丰生态环保科技有限责任公司，华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44