CN106299431A - 一种用于河道底泥原位修复的电化学装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于河道底泥原位修复的电化学装置及其方法，不同与传统的无膜沉积物微生物燃料电池(SMFC)，它在沉积物微生物燃料电池的基础上增加了一层交换膜将两极隔绝起来并在阴极增加了曝气，同时用电源代替了两极之间的电阻，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，产生的电子传递到阳极，再经过外电路到达阴极，与阴极区中的氧气和从阳极区传递来的质子结合生成水，从而实现在去除沉积物中有机污染物的去除，该装置有效的改善了传统的SMFC电极距离大，内阻高的缺点，解决了水体电导率低，含氧率低的问题，有效提高了该装置的修复能力、污染物去除效率及运行稳定性，扩大了其应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及环保行业，特别是一种用于河道底泥原位修复的电化学装置及其方法。
背景技术
然而随着经济的快速发展和城市化进程的加快，我国许多城市河流水质污染和生态退化问题十分突出,由于长期的外源污染输入，底质生境恶化，生态系统退化，无法完成污染物的输出、转移和净化作用，导致污染物严重积累且恶性循环，水质恶化并产生黑臭现象；同时，城市河流由于长期的滞流，大量含有有机物、氮、磷、重金属等污染物质的底泥沉积也形成了内源污染,传统的治理方法缺乏系统性和连续性，且见效慢，那持久，效率低，治标不治本，水体修复后，底泥作为内源污染仍会向水体中释放污染物，因此河道治理，治理底泥才是根本。沉积物微生物燃料电池(SMFC)，利用底泥中细菌对有机污染物的降解作用，即可以实现对污染物的治理，又能够实现能量的回收，是一种非常有前景的技术，但传统的SMFC受水体溶氧，底泥状况的影响大，且内阻高，效率低，在实际应用中受到很大的限制。
发明内容
本发明所要解决的问题就是提供一种将曝气与电化学相结合的新型电化学装置，实现提高阴极附近溶氧、降低内阻、提高效率的目的，使能够适应各种复杂的水利条件。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种用于河道底泥原位修复的电化学装置包括阳极、离子交换膜、阴极室和电源，所述的电源分别与阳极、阴极室中的阴极相连，离子交换膜位于阳极和阴极室之间，所述的阴极室包括若干根支撑、阴极、曝气装置；所述的离子交换膜环绕固定在支撑上构成阴极室外围，内部加入高电导率的电解液，阴极浸没入电解液内，曝气装置的曝气口位于阴极下部。
优选的，所述曝气装置包括空气泵、曝气管和曝气出口，空气泵与曝气管相连，曝气管深入电解液内，曝气管的曝气口位于阴极下部，曝气出口位于阴极室液面以上与外部环境相连。
优选的，该装置主体体积为0.1-2dm3，阴极室容积为0.05-1dm3。
优选的，所述的离子交换膜为质子交换膜、阴离子交换膜或阳离子交换膜。
优选的，所述的阴极与阳极所使用的材料为碳毡、碳刷、碳泡沫、不锈钢丝网填料或金属泡沫，阳极表面积为2-40dm2，阴极表面积为1-20dm2，两电极之间的距离为1-3cm。
优选的，所述的电源为稳压直流电源，电源电压为1-5V。
优选的，所述的电解液为100mM的PBS溶液或0.5mol/L的NaCl溶液，所述的PBS溶液的组成为0.62g/L NH4Cl、4.904g/L NaH2PO4、9.152g/L Na2HPO4和0.26g/L KCl。
所述电化学装置的河道底泥原位修复方法是：在待治理河道中，将若干权利要求1所述的电化学装置完全浸没在河道底泥中，控制电化学装置之间的间隔距离为5-30cm，开启空气泵进行阴极曝气，控制气速在30ml/min，同时开启外部电源，在两极之间施加1-5V的电压；因为在污染河道底泥中溶解氧浓度非常低，微生物对底泥中有机污染物的降解受到限制，降解速率很慢，而插入该装置后，在阳极附近，阳极代替了氧的作用作为电子受体，沉积物中的有机物被土著细菌氧化分解，产生的电子被传递到阳极，再经过外电路到达阴极，与阴极附近溶解的氧气和阳极区域传来的质子相结合生成水，同时在外加电压的情况下，为微生物降解有机污染物增加了驱动力，大大加快了降解速率，从而实现沉积物中有机污染物的去除，连续运行并监测装置的电压电流，当装置电流明显升高并保持稳定后，说明该装置已成功启动，通过调节电压与曝气量，使装置达到最优状态并保证装置能够稳定运行，检测底泥中有机污染物的浓度确定该技术的处理效果，进一步调节该装置的操作条件。
采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：阴极曝氧极大提高了阴极附近水体溶氧浓度，提高了阴极效率；隔绝阴极、外加电解液提高了两极之间的电导率，减小了电极距离，大大降低了该装置的内阻，极大提高了阳极的有机污染物降解速率和电流效率；而且所治理河道无需清淤载污，不影响河道美观等其他功能，即原位治理；同时该装置设计成紧凑的整体，不易受环境条件的影响，可应用于各种复杂的水体。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明：
图1为本发明的电化学装置的结构示意图。
具体实施方法
装置整体为密封柱体，内部为阴极，四周以离子交换膜固定在支架上与阳极与外部环境隔绝，内部加入高电导率的电解液浸没阴极材料，顶部接入曝气管和出气管，曝气管伸入阴极底部，出气管位于液面以上，连接处密封，曝气管伸出水面连接外部曝气装置，出气管直接伸出水面。
该装置四壁留有四根支撑，其它部分掏空，离子交换膜固定在支撑上，以胶及箍圈密封，防止泄漏。
该装置阳极包覆在离子交换膜外，以箍圈固定，使与离子交换膜密切接触，以减少电极距离，降低内阻。
该装置两电极连接导线接出水面，连接外部电源或电阻。
在待治理河道中，将该装置全部插入河道底泥中，两电极之间施加一定的电压，并开启曝气装置，连续运行并监测装置的电压电流，使装置能够稳定运行，阳极表面形成稳定的生物膜，消耗底泥中的有机污染物，并通过调节电压与曝气量，使装置达到最优状态。
所述装置主体体积为0.1-2dm3，阴极容积为0.05-1dm3，比表面积为，可根据不同实际情况选择不同的体积大小，所使用的交换膜为质子交换膜和阴离子交换膜和阳离子交换膜，可根据实际情况进行选择。所使用的密封胶为AB胶、树脂胶等防水胶。所述装置阴极与阳极所使用的材料为具有高比表面积、高空隙率、亲水性的炭材料及金属材料如：碳毡、碳刷、碳泡沫和不锈钢丝网填料，金属泡沫等，阳极表面积为2-40dm2，阴极表面积为1-20dm2。两电极之间的距离为1-3cm。
所使用的外部电源为稳压直流电源，所施加的电压为1-5V。使用的曝气装置包括空气泵与水下曝气器如微孔曝气器，每个装置的曝气量保持在10-50ml/min，维持阴极电解液中DO浓度在4mg/L以上。根据所修复的河道底泥均匀分布，两两相近的SMFC之间的距离为5-30cm，作用面积为10-700cm2/个，处理能力受所述装置的体积大小，电极材料及结构以及施加电压所影响。
在本实例中，将微生物燃料电池技术进行改良并应用于河道沉积物有机污染物治理中，在阳极附近，沉积物中的有机物被土著细菌氧化分解，产生的电子被传递到阳极，在经过外电路到达阴极，与阴极区域氧气和阳极区域传来的质子相结合，从而实现沉积物中有机污染物的去除。用采集的待处理的河道底泥进行模拟实验，将反应器完全埋入底泥中，每个反应器之间间隔10cm，打开空气泵进行阴极曝气，曝气速率为30ml/min，阴阳极之间施加一个3V的电压，连续运行一周后，电流明显开始增加并逐步趋于稳定于50mA，说明SMFC成功启动，一个月后沉积物中有机质总量降低31％。针对水体中溶氧浓度极低、电导率低的特点，我们将曝气与SMFC相结合，以提高阴极附近的溶氧溶度，提高阴极效率，由此将阴极完全隔绝密封，以方便曝气和添加高电导率的电解液且提高曝气效率，提高其运行的稳定性，而且还大大减小了两极之间的距离，由此降低了电池的内阻，提高了电流效率。另外整套装置结构紧凑，方便运输管理以及转移，能够适应更加复杂的水体状况，持续保持稳定高效运行，受环境条件影响小。
上述实例中，该电化学装置的尺寸大小及其在河道中的布置方式和数量可根据实际情况而选择，当河道污染得到改善后，可适当减少反应器的数量或降低施加电压，以减少成本。上述实例中，多个反应器的曝气连接方式采用并联与串联相结合的方式，提高曝气效率。
Claims (8)
1.一种用于河道底泥原位修复的电化学装置，其特征在于包括阳极、离子交换膜、阴极室和电源，所述的电源分别与阳极、阴极室中的阴极相连，离子交换膜位于阳极和阴极室之间，所述的阴极室包括若干根支撑、阴极、曝气装置；所述的离子交换膜环绕固定在支撑上构成阴极室外围，内部加入高电导率的电解液，阴极浸没入电解液内，曝气装置的曝气口位于阴极下部。
2.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于曝气装置包括空气泵、曝气管和曝气出口，空气泵与曝气管相连，曝气管深入电解液内，曝气管的曝气口位于阴极下部，曝气出口位于阴极室液面以上与外部环境相连。
3.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于该装置主体体积为0.1-2dm3，阴极室容积为0.05-1dm3。
4.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于所述的离子交换膜为质子交换膜、阴离子交换膜或阳离子交换膜。
5.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于所述的阴极与阳极所使用的材料为碳毡、碳刷、碳泡沫、不锈钢丝网填料或金属泡沫，阳极表面积为2-40dm2，阴极表面积为1-20dm2，两电极之间的距离为1-3cm。
6.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于所述的电源为稳压直流电源，电源电压为1-5V。
7.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于所述的电解液为100mM的PBS溶液或0.5mol/L的NaCl溶液，所述的PBS溶液的组成为0.62g/L NH4Cl、4.904g/L NaH2PO4、9.152g/L Na2HPO4和0.26g/L KCl。
8.一种使用如权利要求1所述电化学装置的河道底泥原位修复方法，其特征在于：
在待治理河道中，将若干权利要求1所述的电化学装置完全浸没在河道底泥中，控制电化学装置之间的间隔距离为5-30cm，开启空气泵进行阴极曝气，控制气速在30ml/min，同时开启外部电源，在两极之间施加1-5V的电压；因为在污染河道底泥中溶解氧浓度非常低，微生物对底泥中有机污染物的降解受到限制，降解速率很慢，而插入该装置后，在阳极附近，阳极代替了氧的作用作为电子受体，沉积物中的有机物被土著细菌氧化分解，产生的电子被传递到阳极，再经过外电路到达阴极，与阴极附近溶解的氧气和阳极区域传来的质子相结合生成水，同时在外加电压的情况下，为微生物降解有机污染物增加了驱动力，大大加快了降解速率，从而实现沉积物中有机污染物的去除，连续运行并监测装置的电压电流，当装置电流明显升高并保持稳定后，说明该装置已成功启动，通过调节电压与曝气量，使装置达到最优状态并保证装置能够稳定运行，检测底泥中有机污染物的浓度确定该技术的处理效果，进一步调节该装置的操作条件。
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