[发明专利]一种浮床植物耦合沉积物微生物燃料电池的水质净化方法

说明书

技术领域：

本发明涉及燃料电池水质净化领域，具体的涉及一种浮床植物耦合沉积物微生物燃料电池的水质净化方法。

背景技术：

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。

SMFC也可用于废水的处理。有研究表明，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。有人构建了两个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。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％。

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。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。

对SMFC的研究最初主要集中在产电方面，直到2009年，开始评估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。

在阳极区种植芦苇，形成植物-微生物燃料电池(P-MFC)，结果表明，该P-MFC能达到的最大功率密度为67mW·m-2，欧姆内阻为30Ω，且种植一颗芦苇的P-MFC1和两颗芦苇的P-MFC2所能达到的最大输出电压分别为217mV和253mV。自此之后，对植物-微生物燃料电池的研究开始进入人们视野。向微生物燃料电池中引入植物，主要是基于植物根系的分泌作用。在生长阶段，植物持续向生长介质中释放各类物质，如水溶性低分子有机物质、高分子有机物质、失活细胞脱落物及其分解产物、气体以及覆盖在根系表面的黏液等。研究表明，植物通过光合作用固定的有机物，有28％～59％转移到地下，其中4％～70％通过根系的分泌作用转移到生长介质中。根系分泌物是植物根系微生态系统中物质迁移和调节的重要组成部分，通过改变根际的物理、化学及生物特性，改善和缓解植物在养分缺乏或金属毒害条件下的生长状态。在P-MFC系统中，根系分泌物作为燃料在阳极区被微生物催化分解。