[发明专利]一种沉积型藻菌生物电化学装置

说明书

技术领域

本发明涉及生物电化学与环境工程技术领域，特别涉及一种沉积型藻菌生物电化学装置。

背景技术

随着工业与城市化进程加快，大量人工合成有毒有机化合物进入环境水体，严重危害生态系统和威胁人类健康。其中，绝大多数具有迁移性、生物毒性和生物蓄性的疏水性有机污染物(HOPs)一旦进入水体便会强烈地分配到水体沉积物中，成为HOPs的蓄积库。

基于自然水体生态环境的复杂性和自然条件的多变性，投加化学药剂的物化处理法和反应器异位生物处理技术都不具备实操性。结合自然水体特有的生态环境特点及HOPs在水体中的环境行为和归趋特征，研发沉积物HOPs的原位去除技术才是根本出路。

借助沉积物-水界面电势差从沉积物中抽提电子的沉积物微生物燃料电池技术(SMFC)为原位强化去除沉积物中有机污染物提供了全新技术思路，是近年水体原位修复技术的重要发展方向。水中溶解氧浓度(阴极电子受体)是影响SMFC运行性能的关键因素。自然水体中往往包含大量的光合藻类，藻的原位光合产氧可从根本上解决水相阴极低溶解氧的问题。白昼，藻原位光合产氧将显著增加水中溶解氧浓度，提升水相阴极电势，进而驱动SMFC阳极生物电化学降解过程的高效进行，强化降解沉积物HOPs。然而，在夜间，藻光合作用停止，导致水中溶解氧浓度急剧下降，且藻暗反应吸收氧气释放二氧化碳，进一步降低水中溶解氧含量。在阴极无持续高浓度、高氧化还原电位电子受体存在的情况下，基于SMFC原理的阳极生物电化学降解沉积物中HOPs的过程将显著削弱，甚至停止。

因此，需构建符合自然条件下藻的昼夜暗/光反应规律的藻菌生物电化学原位降解系统，以实现全天候持续、高效去除沉积物中HOPs。

发明内容

本发明的目的是提供一种沉积型藻菌生物电化学装置，该沉积型藻菌生物电化学装置可以利用电容的充放电实现遵循自然条件下水相漂浮藻菌生物阴极的暗/光反应规律，能量自持，全天候持续，且高效去除沉积物HOPs。

为实现上述目的，本发明提供一种沉积型藻菌生物电化学装置，包括设于水体沉积物内的沉积物埋入式阳极和水相漂浮生物阴极，所述沉积物埋入式阳极的表面附着电化学活性生物膜，所述水相漂浮生物阴极的表面附着藻菌生物膜；所述沉积物埋入式阳极和所述水相漂浮生物阴极之间连接有能够充电与放电的电容；

有光照时，所述藻菌生物膜中的藻进行光合作用产生氧气，提升阴极电势，驱动所述沉积物埋入式阳极表面的电化学活性生物膜氧化降解所述水体沉积物内的HOPs，并对所述电容充电；

无光照时，所述藻菌生物膜不进行光合作用，阴极电势降低，所述电容放电，继续驱动所述沉积物埋入式阳极表面的电化学活性生物膜氧化降解所述水体沉积物内的HOPs。

相对于上述背景技术，本发明提供的沉积型藻菌生物电化学装置，当有光照时，通常为白昼，装置以SMFC原理运行；即，藻菌生物膜进行光合作用产生氧气，为水相漂浮生物阴极提供电子受体，进而驱动沉积物埋入式阳极的电化学活性生物膜降解沉积相中的HOPs，并且此时沉积物埋入式阳极和水相漂浮生物阴极之间的电压大于电容两端电压，使得电容充电。当无光照时，通常为夜晚，藻菌生物膜由于藻暗反应使水相漂浮生物阴极缺氧(或厌氧)，此时沉积物埋入式阳极和水相漂浮生物阴极之间的电压小于电容两端电压，电容放电，SMFC转变为沉积物电解池(SMEC)运行，继续驱动沉积物埋入式阳极表面电化学活性生物膜降解沉积物HOPs，从而实现全天候持续和原位强化去除沉积物中HOPs。如此设置的沉积型藻菌生物电化学装置，其能量自维持，将白昼所产生的电能通过电容储存，用于驱动夜晚时沉积物中HOPs生物电化学降解，无需额外施加电压。并且能够实现全天候持续强化降解。通过电容充放电，可克服夜晚阴极缺少高氧化还原电位电子受体无法有效驱动阳极生物电化学降解过程的技术难题，实现全天候持续生物电化学强化降解沉积物HOPs。本发明的沉积型藻菌生物电化学装置与投加化学药剂和沉积物异位处理技术相比，构建成本低，无额外能耗，无二次污染，原位自持续运行，无需人为干预。

优选地，所述电容串联用以调节电流大小的可调电阻器。

优选地，还包括与所述沉积物埋入式阳极和所述水相漂浮生物阴极相连用以采集阴阳两极之间电压的太阳能便携式信号采集器。

优选地，所述沉积物埋入式阳极和所述水相漂浮生物阴极还设有阴阳极间距调节拉杆，且所述阴阳极间距调节拉杆的顶端位于水面之上。

优选地，还包括设置于所述沉积物埋入式阳极和水相漂浮生物阴极之间、用以固定所述水相漂浮生物阴极的内壁卡口。