一种用于河道水质提升的新型微生物燃料电池

技术领域

本发明涉及水体污染治理装置技术领域，尤其是涉及一种用于河道水质提升的新型微生物燃料电池

背景技术

由于人类活动的加剧，工业污水、城市生活污水和农业污水中的大量氮、磷和有机污染物等不断地进入自然水生态系统。这些污染物的不断积累会超出生态系统的承载能力，从而导致水体富营养化，严重威胁了污染水体附近的人群健康以及生态的稳定性和多样性，制约着社会经济的可持续发展。

氮在水生态系统中的迁移与转化是一个十分复杂的生物化学过程，涉及到系统中的沉积物、水生动植物和微生物等。沉积物是水体中污染物的库和源，大量的含氮有机质沉积在沉积物中，在厌氧和缺氧的状态下转化为氨氮，不仅会造成水体黑臭现象，而且会对水生植物的根部造成毒害，影响水生植物的生长。而在水体中，则因为与大气的交换复氧作用，水体中硝态氮的含量一般较高。在水环境的治理过程中，对水体中氮的脱除是非常重要的。但目前在水环境治理中常采用水体曝气等方法进行治理，其对沉积物中的氨氮和有机质并不能进行高效去除，且能耗较高。沉积物中的氨氮和有机质则因为缺乏充足的电子受体而不能得到有效降解，而水体中的硝态氮又因为缺乏充足的电子供体而不能进行有效的脱氮反应，造成水环境中氮的积累。

发明内容

针对现有技术的不足和缺陷，本发明的技术目的在于提供一种用于河道水质提升的可移动、运行过程能耗低的新型微生物燃料电池，该新型微生物燃料电池利用河道中沉积物和水体中分别含有较高的氨氮和硝态氮的特点，通过在沉积物中放置高比表面积的阳极作为电子受体，在水体中放置高反硝化性能的阴极接收氨氮氧化的电子作为反硝化的电子供体，进行污染水体的无动力原位修复。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种用于河道水质提升的新型微生物燃料电池，其包括漂浮于水体中的反硝化三维阴极、放置在沉积物中的三维阳极、导线和可变电阻，通过所述导线将反硝化三维阴极、三维阳极以及可变电阻串联起来形成一个回路，所述的反硝化三维阴极与浮体结构连接。

进一步地，所述的浮体结构与反硝化三维阴极连接，使反硝化三维阴极悬浮于水面以下的水体中。

进一步地，所述的三维阳极为生物质炭与阳极多孔碳纤维组成的三维电极结构。

进一步地，所述的三维阳极的制备方法为：将生物质炭粉碎后过50-300目筛，获取颗粒生物质炭；利用50-300目尼龙网将颗粒生物质炭包裹，然后将连接有导线的多孔碳纤维电极插入其中。

进一步地，所述的反硝化三维阴极为固定有反硝化菌的生物质炭与阴极多孔碳纤维组成的三维电极结构。

进一步地，所述的反硝化三维阴极的制备方法为：

(1)固定有反硝化菌的生物质炭制备：将反硝化菌培养后制备反硝化菌悬液，将生物质炭材料浸泡在反硝化菌悬液中24-48h，过滤得到固定有反硝化菌的生物质炭；

(2)反硝化三维阴极的制备：利用50-300目尼龙网将固定有反硝化菌的生物质炭包裹，然后将连接有导线的多孔碳纤维电极插入其中。

进一步地，所述的导线是钛丝、铜丝或铝丝材质的导线。

本发明同时提供了一种新型微生物燃料电池在同时去除沉积物中氨氮和有机质污染物及水体中硝态氮的应用。

进一步地，所述应用的具体方法为：

(1)电极安装：在待处理水域，将反硝化三维阴极固定在浮体结构上，再将三维阳极置于沉积物中；

(2)电路连接：将反硝化三维阴极和三维阳极和可变电阻用导线串联在一起形成一个回路，使其自然长期运行。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明利用河道中沉积物和水体中分别含有较高的氨氮和硝态氮的特点，通过在沉积物中放置高比表面积的阳极作为电子受体，在水体中放置高反硝化性能的阴极接收氨氮氧化的电子作为反硝化的电子供体，可以同时对沉积物和污染水体进行无动力原位修复，运行过程中无能耗，应用前景广泛；

(2)本发明所述的微生物燃料电池采用生物质炭与多孔碳纤维组成三维电极，更易于电极微生物的附着生长和进行作用，修复效率更高；

(3)本发明所述的微生物燃料电池不采用空气阴极，而是采用固定化的反硝化菌利用水体中的硝态氮作为阴极，一方面不需要曝气系统，另外又可同时对水体进行修复；

(4)本发明所述的微生物燃料电池结构简单，仅由三维电极和导线所组成，不需维护，不需消耗动力，建造和运行成本低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为三维阳极结构示意图；

图3为反硝化三维阴极结构示意图；

图4为微生物燃料电池固定化反硝化菌的三维阴极电镜照片。

图中，1-三维阳极，11-阳极多孔碳纤维，12-生物质炭，2-导线，3-反硝化三维阴极，31-阴极多孔碳纤维，32-固定化生物质炭，4-可变电阻，5-浮体结构，6-水体，7-沉积物。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。本领域技术人员对在本发明的启示下所做的任何等效改换均应落入本发明保护范围之内。

实施例1

如图1-3所示，一种用于河道水质提升的新型微生物燃料电池，其包括漂浮于水体6中的反硝化三维阴极3、放置在沉积物7中的三维阳极1、导线2和可变电阻4，通过所述导线2将反硝化三维阴极3、三维阳极1以及可变电阻4串联起来形成一个回路，所述的反硝化三维阴极3与浮体结构5连接。为扩大微生物的附着生长界面，促进微生物进行氨氮的氧化和硝态氮的反硝化，阳极材料采用的是50-300目的生物质炭与多孔碳纤维材料组成的三维电极；阴极材料在三维电极材料中固定有反硝化细菌，能更好的发挥反硝化作用，消耗从阳极传输来的电子，促进沉积物7中氨氮的氧化。

进一步地，所述的浮体结构5与反硝化三维阴极3连接，使反硝化三维阴极3悬浮于水面以下的水体6中。

进一步地，所述的三维阳极1为生物质炭12与阳极多孔碳纤维11组成的三维电极结构。

进一步地，所述的三维阳极1的制备方法为：将生物质炭粉碎后过50-300目筛，获取颗粒生物质炭；利用50-300目尼龙网将颗粒生物质炭包裹，然后将连接有导线2的多孔碳纤维电极插入其中。

进一步地，所述的反硝化三维阴极3为固定有反硝化菌的生物质炭即固定化生物质炭32与阴极多孔碳纤维31组成的三维电极结构，阳极多孔碳纤维11与阴极多孔碳纤维31可以为相同结构的多孔碳纤维。

进一步地，所述的反硝化三维阴极3的制备方法为：

(1)固定有反硝化菌的生物质炭制备：将反硝化菌培养后制备反硝化菌悬液，将生物质炭材料浸泡在反硝化菌悬液中24-48h，过滤得到固定有反硝化菌的生物质炭；

(2)反硝化三维阴极3的制备：利用50-300目尼龙网将固定有反硝化菌的生物质炭包裹，然后将连接有导线2的多孔碳纤维电极插入其中。

进一步地，所述的导线2是钛丝、铜丝或铝丝材质的导线2，导线2的长度根据水体6的深度而定。

微生物燃料电池同时去除沉积物7中的氨氮和有机质的污染，也可以使水体6中硝态氮污染得到去除，并且不需要额外消耗电力具有经济环保，规模大小灵活可变，可长期稳定运行的特点。该新型微生物燃料电池在同时去除沉积物7中氨氮和有机质污染物及水体6中硝态氮的应用。

进一步地，所述应用的具体方法为：

(1)电极安装：在待处理水域，将反硝化三维阴极3固定在浮体结构5上，再将三维阳极1置于沉积物7中；使阳极完全浸没于沉积物7中，阴极通过浮体的作用漂浮在水面以下，无需其他的固定支架，安装简单，环境的影响小；

(2)电路连接：将反硝化三维阴极3和三维阳极1和可变电阻4用导线2串联在一起形成一个回路，使其自然长期运行。

沉积物7中因为常处于厌氧状态，有较高的氨氮含量。虽然沉积物7中具有氨氧化细菌，但其活性会因为缺乏电子受体而受到抑制。当此微生物燃料电池的阳极进入到沉积物7中，生物质炭和多孔碳纤维具有导电和提供微生物附着生长的表面的作用。氨氧化细菌和有机物降解菌在降解氨氮和有机质的过程中释放出来的电子可以交给阳极作为电子受体，从而促进反应的进行。

阳极接受电子后，会通过导线2输出。自然水体6中的硝态氮含量比较高，此时固定化的反硝化菌就可以利用从导线2传输来的电子进行反硝化作用，从而消耗了沉积物7例氨氧化及有机质氧化过程中所消耗的电子，促使反应源源不断的进行。本发明通过微生物燃料电池将沉积物7与水体6中的反应进行了有效的耦合，在不消耗外源动力和碳源的情况下，促进了沉积物7中的污染的氧化降解和水体6中氮的脱除。

实施例2

本实施例用于说明本发明微生物燃料电池对沉积物7中氨氮和水体6中硝态氮污染物去除效果的影响。

构建含有微生物燃料电池的微宇宙系统作为试验例，以不添加沉积物7型微生物燃料电池微宇宙系统作为对照例，沉积物7中氨氮的含量为400mg/kg，上覆水中硝态氮的含量为20mg/L。

将如图1所示的微生物燃料电池的阳极完全插入沉积物7中，阴极通过泡沫浮体结构5使之漂浮在水体6表面下部，采用铜线进行连接，导线2长80cm，25℃条件下运行20天后检测阳极周围氨氮浓度和水体6中的硝态氮浓度，计算去除率。结果如上表所示。在有微生物燃料电池组，沉积物7中的氨氮去除率达到了30％，水体6中硝态氮的去除也接近70％。而对照组沉积物中氨氮几乎没有变化，水体6中硝态氮的去除也远低于微生物燃料电池组。本发明的微生物燃料电池能有效促进污染河道沉积物和水体中氨氮和硝态氮等含氮污染物去除，并且在降解过程中完全没有动力消耗，是一种低耗高效简单的河道生态修复方法。