[发明专利]一种沉积物微生物电化学装置及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种沉积物微生物电化学装置，特别涉及一种带有螺旋搅拌和刮泥功能的沉积物微生物电化学装置，属于环境工程领域。

背景技术

随着经济的发展、社会的进步和人口的不断增长，人类对能源的需求越来越大，全球性的能源危机日趋突出。同时，矿物燃料的大幅度消耗导致了日益严重的环境污染，威胁着人类的生存环境。为了解决上述两个困扰国计民生和国民经济可持续发展的大问题，人们渴望开发一种既可解决环境污染，又能提供清洁能源的技术。而微生物燃料电池技术，因其具有绿色、节能、环保等特点正可满足这样的要求，成为当今科技界最热门的研究课题之一。

微生物燃料电池是利用电化学技术将微生物代谢能转化为电能的一种装置。微生物燃料电池不仅可从易生化降解的有机物中获取电能，还可从一些难降解的有机物中获取电能。进一步的研究发现，微生物燃料电池也可利用沉积物中的有机物来产电，其作用机理为：将阴极置于上层好氧的水相中，阳极材料放置于沉积物中，阴极和阳极之间通过导线相连接，并接有电阻。沉积物中有机物在阳极区附近被沉积物中土著微生物氧化分解，产生的电子到阳极，再经过外电路到达阴极，质子通过水-沉积物界面传递到阴极，并与氧气反应生成水，从而完成整个化学氧化还原反应。

上述这种类型的微生物电化学装置可为水体上传感器提供电源，也可用于沉积物中有机物的修复。发明人在研究现有技术的微生物电化学装置时发现，以石墨作为沉积物微生物电化学装置的电极，通过一段时间的运行后发现，在离阳极比较近的区域（0～1 cm），沉积物中总有机质含量以及易氧化有机物的含量下降快，并发现微生物电化学装置作用后的沉积物，其氧化还原电位发生正移，可抑制沉积物中产甲烷和硫还原的过程。相比已有的底泥原位生物修复方法，不需要投加电子受体、供氧剂或微生物，而是利用底泥中土著微生物，通过外加电极来增加其微生物活性，加速底泥中有机质的降解。但在远离阳极的区域（>3 cm）总有机质的去除率不高，说明沉积物中有机物向阳极的传递是影响此类沉积物微生物电化学装置性能的重要因素，成为其发展应用的一个重要瓶颈。

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克服现有技术所存在的沉积物中有机物传质问题，以及阳极使用时间长，效率低下的缺点，提供一种新型的沉积物微生物电化学装置，使得该沉积物微生物电化学装置能够提高阳极区的有机物传质，提高阳极电极效率，进一步扩大沉积物微生物电化学装置对于沉积物的修复作用。

为实现本发明的技术目的，本发明的技术方案如下：

一、一种沉积物微生物电化学装置，主要由阴极、阳极、导线、电阻，以及带有螺旋叶片、支撑杆和刮泥板的搅拌轴组成；其中通过导线将位于水相中的阴极、位于沉积物中的阳极以及电阻串联起来形成一个回路，电阻介于阴极和阳极之间；搅拌轴纵向贯穿水相和沉积物，其位于沉积物的一端之上设置有螺旋叶片并分布围绕于搅拌轴周围，并在其未被螺旋叶片占用的空隙处垂直设置有至少两根支撑杆，支撑杆的另一端连接刮泥板，使得刮泥板纵向与搅拌轴平行；搅拌轴位于水相中的一端纵向从阴极穿出而定位于整个装置的中心处。

本发明所述的沉积物微生物电化学装置还包括支架，支架包覆于阳极外围并将阳极固定；支架为圆柱形。

本发明所述的阴极的电极材料是不锈钢、或者碳毡；由于阴极被搅拌轴贯穿，因此为圆环形。

本发明所述的阳极的电极材料是碳毡；且为圆柱形。

本发明所述的搅拌轴、刮泥板、支撑杆和螺旋叶片的材料是聚氯乙烯、或者硬度为60～95的塑料材料。

二、本发明所述的沉积物微生物电化学装置的应用。

具体的应用方法为：

A、电极安装

将阳极固定于支架的内壁后，将带有螺旋叶片、支撑杆和刮泥板的搅拌轴置于支架中，调节支撑杆以改变刮泥板的长度，以使得刮泥板可接触到阳极；将此固定好的电极、搅拌轴和支架置于沉积物中；然后将阴极置于沉积物上层水相中，搅拌轴从阴极中穿出从而将阴极定位；

B、电路连接

将阴极、阳极和电阻用导线串联在一起形成一个回路，且电阻介于阴极和阳极之间；

C、沉积物微生物电化学装置的运行

沉积物微生物电化学装置启动在20天后，每隔14天时间，旋转搅拌轴60转/分钟，以提高阳极区有机物的传质。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明与现有技术的不同及优势在于：既可防止长时间运行，阳极被富含低有机物的沉积物所覆盖，又可借助螺旋推进的方式，使得沉积物混合均匀，并不断的将富含高有机物的沉积物与阳极所接触；