太陽能輔助微生物三維電極去除灌溉水中鎘的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及去除農田灌溉水中鎘的裝置及方法，特別是利用太陽能輔助負載微生物的三維電極去除農田灌溉水中濃度低于40g/L鎘的的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]湖南省鎘污染的耕地主要集中分布在湘江流域、湘南和湘西的“一線兩片”及環洞庭湖區域。在湘江下游與洞庭湖區并沒有大量的礦山存在，但是耕地依然存在嚴重的重金屬污染，土壤中重金屬超標的元素與湘江水體中重金屬基本一致，表明灌溉水是其主要污染源。Zhao F (2014)通過調查列出了我國南方稻田中鎘平衡表，明確了灌溉水是稻田中鎘的主要來源，每年每公頃輸入達到l-400g，遠遠高于磷肥的0.04-2g、有機肥的0-10g、大氣沉降的0.4-25go因此，去除灌溉水中鎘對解決南方“鎘米”問題具有重要的意義。
[0003]灌溉水中鎘含量很低，濃度一般低于40g/L，很難用常規的絮凝和沉淀技術去除。綜合實際情況及成本因素，一般采用生物吸附和土地滲透技術進行處理，土地滲透技術占地太廣，而且對地下水具有一定的影響，所以生物吸附是最合適的去除灌溉水中鎘的技術。但是，生物吸附技術在實際應用過程中存在三個主要問題，首先是吸附速度緩慢；其次是吸附基質易飽和，再生難；其三是微生物生長受限。
[0004]研究表明微電場作用能促進微生物(如反硝化細菌)生長，提高脫氮效率(sakakibara.Y.，1993)，也有報道微電場能促進光合細菌脫硫(宋波，2012)。我們研究發現，電場能夠促進微生物的胞外聚合物的生長，提高其吸附重金屬的能力。因此，是否可利用電場輔助微生物吸附技術，改善單一微生物去除灌溉水中鎘面臨的三個關鍵難題呢？
[0005]電輔助微生物在深度處理高濃度氨氮廢水方面已經進行了相關的研究。通常是將自養反硝化菌和三維電化學反應器結合組成BER反應系統。2011年，天津大學王燦季民等人設計了一種用于處理難降解化工廢水的三維電極-生物膜反應器(專利申請號:CN201120553397.9)，利用此反應器進行污水處理時，對化工生產中不達標的二級出水進行深度處理，達到國家排放標準。2011年，重慶大學陳猷鵬、方芳等人公開了一種三維電極生物膜反應器(專利申請號:CN201120466790.4)，同一電極生物膜反應器中，利用電化學作用創造微生物適宜的環境，并提供電子受體和電子供體分別進行硝化和反硝化作用，達到有效處理氨氮廢水的目的。在這類反應器中，陽極的作用主要為產C02，陰極作用主要為H2,以此為反應器中負載在填料上的自養反硝化細菌提供無機碳源和氫源，促進反硝化作用，但是其沒有利用電極自身的氧化還原作用。南京大學李正魁，通過引入新的電極對，以纏繞了活性炭纖維的石墨碳板上負載金屬銅鈀電極為陰極，鈦銥釕穩態電極為陽極，開發形成一種新的廢水處理工藝(專利名稱:電化學-生物膜協同作用反應器及在含氮有機廢水中的應用，專利申請號:201310177710.7)。然而，電輔助微生物去除農田灌溉水中重金屬尚沒有報道。
[0006]相對于工業廢水，農田灌溉水具有自身的特點。其中最特殊的是農田灌溉水處理系統建設在野外，用電非常困難。另外，湖南農田灌溉水中所含重金屬主要為鎘，且鎘含量一般很低。
【發明內容】
[0007]本發明所要解決的技術問題是，生物吸附技術在凈化農田灌溉水中鎘過程中，存在處理量大，鎘濃度極低，吸附去除速率慢，去除效率低；而且生物吸附重金屬后不易脫附，再生困難；微生物吸附重金屬過程受限于自身的胞外聚合物濃度，胞外聚合物的含量少不利去除灌溉水中的鎘；灌溉水處理系統設置在野外，無法提供常規的穩定持續電源，其用電受到極大的限制。
[0008]為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是:提供一種太陽能輔助微生物三維電極去除灌溉水中鎘的裝置，其包括連接太陽能電板的蓄電池及電壓調節器，該蓄電池及電壓調節器的正、負輸出端分別連接陽極電極和陰極電極，該陽極電極和陰極電極設置于由聚乙烯板組成的電吸附池內，該電吸附池一側壁上部設置進水口，該電吸附池上與進水口相對的另一側壁上設置出水口，且該陰極電極與設置于電吸附池內的負載微生物的多孔微球接觸形成三維電極，該三維電極與陽極電極之間設置絕緣多孔板。
[0009]上述方案的進一步改進為，該電吸附池的上層板可開關地設置于該電吸附池上，以便于補充和更換負載微生物的多孔微球及陽極電極、陰極電極。
[0010]上述方案的進一步改進為，負載微生物的多孔微球主要由兩種材料組成，其一為多孔碳材料A，另一材料為多孔的摻有零價納米錳的聚乙烯酸基保水劑微球B組成，A/B的量在0.5-10范圍內，使用時通過調節A/B比例值以防止電導過高，造成負荷過大。保水劑中零價納米錳具有提供電子的作用，以保證電壓中斷時，系統能正常運行，其原理為自身被氧化成錳離子的過程中向外提供電子，以促進微生物生長和強化鎘離子吸附；當電壓恢復時，錳離子又會被還原形成零價納米錳。
[0011]該負載微生物的多孔微球上微生物負載過程為:取稻田土壤溶液，調節土壤溶液中碳C/氮N/磷P之比為100/5/1，關閉電吸附池的進、出水口，向電吸附池內添滿調好的土壤溶液，將裝有多孔微球的電吸附池置于調好的土壤溶液中，將蓄電池及電壓調節器的輸出電壓調整為0.1-10.0V，中間根據土壤溶液消耗的情況，每隔2天添加一次調好的土壤溶液，使電吸附池中始終充滿土壤溶液，保證微生物生長的營養需求，馴化時間為7-10天，多孔微球上即會有明顯大量緊湊的微生物膜。
[0012]本發明公開的太陽能輔助微生物三維電極去除農田灌溉水中鎘的方法包括吸附方法和再生方法，其中:
[0013]吸附方法為:將電壓調節器的輸出電壓設定為0.1-30.0V，電吸附池的進水口連接灌溉水源，出水口連接直接用于灌溉的輸水管，并使進水速率為0.1-1.0mVs ;
[0014]再生方法為:當裝置經過30天的處理后，負載微生物的多孔微球體積縮小50%，或電流強度降低50%，表明吸附電極需要再生時，將電壓調節器的輸出端連接的陽極電極、陰極電極反接，電壓調節器的輸出電壓調整為5.0-30.0V，并保持電流強度不超過100mA，兼用清潔的水沖洗多孔微球，運行時間為2h，整個再生過程僅利用電場和水流清洗，無需其他的鹽和酸。
[0015]本發明利用太陽能電板及其蓄電池給系統供電，很好地解決了野外電源的問題。另外，為了提高灌溉水中鎘處理的生物吸附過程中的生物