植物-微生物电化学复合系统修复铬污染土壤和同步产电

摘要

土壤是人类生存和发展中无法替代的资源，随着重工业的发展，土壤重金属污染已经成为当代人类面临的一个严峻问题，其中由六价铬导致的土壤污染日益严重。传统的土壤六价铬污染的治理方法主要为物理化学法，不仅资金消耗大，还有着药剂残留等难以克服的诸多缺点。植物修复由于其成本低，没有二次污染，近年来受到人们的重视。本研究提出将植物与微生物燃料电池（MFC）耦合，构建用于修复六价铬污染土壤的植物微生物燃料电池（PMFC）系统，考察PMFC系统中六价铬的去除效果和系统的产电能力。
　　本研究构造了一种新型单室PMFC，分别以白鹤芋（Spathiphyllum）和中华水韭（Isoetes sinensis）两种植物启动反应器，与无植物对照组对比，分析植物对六价铬处理效果的影响。然后通过控制水力停留时间（HRT），开路与闭路条件以及初始土壤六价铬浓度的不同，分析这些因素对PMFC系统铬去除效能的影响。
　　对比无植物组，白鹤芋和中华水韭的存在可以缩短反应器的启动时间。当HRT为10h时产电性能最佳。此时无植物组最高输出电压为300mV，最大功率密度为18.35W/m2，白鹤芋组最高输出电压为403mV，最大功率密度为24.68W/m2，比无植物组增加34％。中华水韭45天后发生烂根现象，说明其不适合在高浓度铬环境下长期生存。对反应器出水中总铬和六价铬浓度的分析表明，白鹤芋PMFC出水的总铬和六价铬浓度均低于无植物的对照组。通过测定植物组织中铬含量发现，白鹤芋能够富集土壤中的铬，并且根部铬浓度最高，达到了102.41mg/kg。
　　设置20mg/kg、100mg/kg和500mg/kg三组铬浓度土壤种植白鹤芋，发现20mg/kg、100mg/kg铬浓度下的PMFC启动时间依次为190h，200h，明显快于500mg/kg的启动时间（377h）。100mg/kg的初始铬浓度下，反应器产电表现最好，最高电压达到677mV，最大功率密度为25.81W/m2。对pH的测定表明，反应器在运行中始终保持中性略偏碱，这对白鹤芋和土壤微生物的生长提供了适宜的酸碱环境。对溶解氧（DO）的测定表明，白鹤芋的根际泌氧能够提高PMFC系统氧含量。100mg/kg铬浓度下的反应器不其出水中TN浓度最低，降到了5.06mg/L。
　　在开路和闭路两种条件下运行反应器，闭路状态下反应器出水中总铬和六价铬浓度远低于同条件下的开路反应器。以100mg/kg铬浓度下反应器为例，开路条件下最终出水中总铬浓度为17.36mg/L，六价铬浓度为13.96mg/L，而在闭路条件下出水中总铬浓度只有0.886mg/L，六价铬浓度降到了0.49mg/L，说明微生物产电作用对铬的去除影响巨大。对植物组织进行分析，100mg/kg铬浓度下闭路反应器中白鹤芋的鲜重和干重最大，同时其植物组织中铬浓度也最高，根中铬浓度554.61mg/kg，茎中铬浓度154.30mg/kg，叶中铬浓度最低，只有29.61mg/kg，同条件下开路反应器中，白鹤芋根,茎和叶中铬浓度依次为181.02mg/kg，65.91mg/kg和16.52mg/kg。闭路条件下白鹤芋对铬的富集能力大于开路条件下的白鹤芋，可见PMFC可以促进植物对铬的吸收。
　　本研究的实验结果表明白鹤芋的存在能够富集土壤中的重金属铬，起到改善土壤的作用。植物根际分泌物的存在能够强化生物产电，加快了六价铬向三价铬的转化，同时得到稳定的能量输出。

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第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题背景及研究的目的和意义

1.3 土壤重金属的污染与治理

1.4 微生物燃料电池

1.5 研究内容与技术路线

第2章 材料与方法

2.1 反应器的构建与运行

2.2 实验材料

2.3 数据测定

2.4 计算方法

第3章 植物对PMFC铬去除和产电效果的影响

3.1 引言

3.2 反应器的启动运行

3.3 反应器产电性能分析

3.4 植物对出水水质的影响

3.5 PMFC中植物的分析

3.6 本章小结

第4章 生物产电和初始铬浓度对系统的影响

4.1 引言

4.2 反应器的启动运行

4.3 反应器产电性能分析

4.4 生物产电对出水水质的影响

4.5 PMFC中植物的分析

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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