[发明专利]一种电子驱动型耦合生物电化学的降解系统和方法及其应用

说明书

本发明公开了一种电子驱动型耦合生物电化学的降解系统和方法及其应用，包括待处理土壤、植于土壤中的植物、分别位于土壤基质两侧的阴极层和阳极层，连接阴极层和阳极层之间的导线、以及连接于导线上的外接电阻；土壤基质中掺有半导体矿物颗粒和腐殖质。本发明的降解系统可以同时快速、高效处理高浓度的有机污染物、抗生素、重金属以及其复合污染，且降解过程中不会产生二次污染。

技术领域

本发明涉及环境工程领域，特别是涉及一种去除土壤中难降解有机污染物的系统及其应用。

背景技术

土壤污染问题复杂严峻，特别是土壤中含有的持久性有机污染物(POPs)具有难降解性、生物富集性和生物毒性，直接威胁人类健康和环境安全，是土壤污染问题中突出的技术难题。土壤微生物燃料电池(Soil-MFC)是一种基于微生物修复的生物电化学技术，良好地秉承了微生物修复技术的优点。同时Soil-MFC还具有原位产生电能并利用于污染物净化，无需外部能源投入；产电菌产生的胞外电子可同步还原去除多种难降解有机污染物；应用于土壤对土壤的生态及结构破坏较小等特点，受到了学术界的广泛关注。Soil-MFC对难降解物质的去除主要发生在阳极区域并以得电子的还原反应为主，主要机理表现为产电菌产生胞外电子，胞外电子在向阳极传递的过程中与作为电子受体的难降解物质接触，使其得到还原去除。但天然土壤较低的电子传导能力，限制了Soil-MFC产电性能，进而成为了限制提高难降解物质的去除效能的瓶颈。同时，由于受Soil-MFC产电机理的限制，目前Soil-MFC的电流通常为毫安级，因此，除尽可能提高其产电性能外，更为重要的是增加难降解物质与电子的接触几率，提高用于难降解物质还原的电子比例。

并且，目前现有技术中的降解系统不能同时降解处理不同种类的物质，降解难度极大。

发明内容

发明目的：本发明的目的之一是提供一种电子驱动型耦合生物电化学降解系统和降解方法，该系统和方法促进了Soil-MFC稳定地产生更多的电子，同时使更多的电子能传递至难降解污染物用于还原，实现Soil-MFC稳定、简便、高效的去除难降解物质；本发明的目的之二是提供一种电子驱动型耦合生物电化学降解系统的应用，促进稳定产生电子的同时，以较高的效率实现土壤中持久性有机物、抗生素、重金属等多种污染物及其复合污染的去除。

技术方案：本发明所述的一种电子驱动型耦合生物电化学降解系统，其包括待处理土壤、植于土壤中的植物、分别位于土壤基质两侧的阴极层和阳极层，连接阴极层和阳极层之间的导线、以及连接于导线上的外接电阻；土壤基质中掺有半导体矿物颗粒和腐殖质。阳极层中设有阳极导电材料，阴极层顶部设有阴极导电材料，阳极层和阴极层还包括活性炭缓冲层。

其中，所述半导体矿物颗粒为天然金红石、蒙脱石、铁氧化物、闪锌矿、锰矿中的至少一种。基质中的植物采用根系分泌旺盛植物，包括双子叶植物棉、蒲公英、大豆、番茄和草本植物南瓜中的一种或几种。天然腐殖质包括胡敏酸、富里酸和胡敏素中的一种或几种。

本发明的土壤基质中包括由半导体矿物颗粒-天然腐殖质修饰催化形成的复合电子传递网络，复合电子传递网络包括不同种类、不同比例的天然矿物和天然腐殖质。本发明将半导体矿物与腐殖酸结合作催化剂修饰处理，以土壤中具有良好电子介导性能的天然半导体矿物颗粒为“骨架(节点)”，并利用土壤中天然腐殖质具有的电子“穿梭”传递机制，构成连接矿物“骨架(节点)”间的电子通路，形成复合电子传递网络，扩大电子传递区域、提高电子传递速率；并引入根系分泌能力旺盛的植物，形成“植物根系-阳极复合区”，在协助去除污染物的同时，利用根系分泌物连续向产电菌提供碳源，作为土壤天然物质的重要补充，其根系分泌物可完全替代外加碳源，消除间歇性外加碳源引起的产电波动性，达到提高和稳定Soil-MFC电子产生效能、降低运行成本、减少二次污染、简化投加操作的目的。

本发明还提供了一种电子驱动型耦合生物电化学降解系统的降解方法，包括以下步骤：

(1)将半导体矿物颗粒进行分散处理，将腐殖酸进行活化处理，将待处理土壤和阳极接种厌氧污泥；