微生物燃料電池在土壤修復中的應用探討

翁群強 谷林濤 朱成杰

摘 要：本文從微生物燃料電池的基本特點出發(fā)，對其修復土壤的原理進行了闡述，從修復有機污染土壤和修復重金屬污染土壤兩個方面對其應用進展進行了討論。

關鍵詞：微生物；燃料電池；土壤；修復；有機污染；重金屬污染

1 微生物燃料電池的特點概述

微生物燃料電池是一種新型的能量轉(zhuǎn)化平臺，布置于土壤中能夠有效的進行化學能向電能的單向轉(zhuǎn)化，土壤中含有大量的有機物和無機物，這些物質(zhì)中都存在化學能，借助于微生物燃料電池可以將土壤中存在的化學能轉(zhuǎn)化為電能。一方面消耗了土壤中的有機物和無機物從而減少污染，另一方面還能產(chǎn)生部分電能，因此無論從生態(tài)環(huán)保角度還是從生物發(fā)電角度來看都有廣泛的應用前景。

隨著社會發(fā)展和科學技術的進步，人們的生活對能源產(chǎn)生了強烈的依賴性，過度的能源消耗也造成環(huán)境污染加劇，我國是一個發(fā)展中國家，對能源的消耗量也處于世界前列，由于相應的生物技術和環(huán)保理念并不先進，導致我國在發(fā)展過程中也遇到了很嚴重的環(huán)境問題。假設我國的能源消耗速度不變，生產(chǎn)速度也保持穩(wěn)定，到2020年我國的能源就會出現(xiàn)較大的應用缺口。

通常對土壤進行修復時采用的方法多數(shù)屬于物理修復方法和化學修復方法兩類，例如換土法、熱處理法以及淋溶法等，大量的土壤修復實例表明，上述兩種土壤修復方法能夠直接、快速的修復土壤問題，土壤情況改善速度很快，對于各種土壤問題的針對性很強，修復土壤時所進行的資金投入也較大。當采用化學法進行修復時還要考慮投入化學藥劑的投入量以及藥劑的回收問題，以防止藥劑量過大或者回收不及時導致的化學藥劑二次污染。因此科研學者不斷的進行微生物燃料電池的研發(fā)和應用嘗試，微生物燃料電池是一種能夠顯著降低土壤修復成本的工具。

微生物燃料電池的反應效率很高，無需苛刻的反應條件，具有非常優(yōu)異的生物相容性，在反應過程中能夠發(fā)生能量轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物是電能，因此既實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的目的又能夠在土壤修復的過程中為人們的生活創(chuàng)造額外的能源。

2 微生物燃料電池修復土壤的原理

微生物燃料電池的發(fā)電過程主要依靠電極表面能夠產(chǎn)生電能的細菌作為反應催化劑，在產(chǎn)電細菌的催化作用下，土壤中的化合物能夠逐漸發(fā)生反應將自身的化學能轉(zhuǎn)化為電能。各種糖、酸、鹽以及生活廢水等含有有機物的污染物質(zhì)在陽極降解并產(chǎn)生質(zhì)子和電子，電子通過外電路向陰極運動而產(chǎn)生外電流，質(zhì)子則由質(zhì)子交換膜一條路線向陰極運動，在陰極完成還原反應后全部電荷傳遞過程結束。

對微生物燃料電池進行分類時有兩種分類的依據(jù)，其一是按照不同營養(yǎng)類型的微生物進行分類，其二是按照微生物燃料電池的外觀進行分類。按照不同營養(yǎng)類型分類時能夠?qū)⑵浞譃槿N，第一種是異養(yǎng)型微生物燃料電池，這種燃料電池電極上的產(chǎn)電細菌是厭氧菌，厭氧菌可以分解有機物產(chǎn)生電能；第二種是光能異養(yǎng)型微生物燃料電池，這種燃料電池電極上的細菌則為光能異養(yǎng)菌，這種類型的產(chǎn)能細菌需要借助光能才能催化碳源的反應；第三種是沉淀物型微生物燃料電池，這種燃料電池是借助電勢差產(chǎn)生電能的，沉淀物和液相之間存在電勢差，而這種電勢差就是產(chǎn)生電能的直接來源。根據(jù)外形對微生物燃料電池進行分類時通常分為單室、雙室以及三室微生物燃料電池。

3 微生物燃料電池修復污染土壤的應用進展探討

3.1修復有機污染土壤

有機污染的土壤中含有一定量的石油烴類物質(zhì)、苯酚以及氮雜環(huán)化合物等，而經(jīng)過多年的研究和應用表明微生物燃料電池在進行土壤修復時其修復能力也較為有限，制約微生物燃料電池修復土壤能力的主要環(huán)節(jié)就是燃料電池的電機上存在的微生物種類和數(shù)量。YU等人對微生物燃料電池產(chǎn)電細菌的聚集位置以及種類進行了大量研究，研究表明產(chǎn)電細菌多居于微生物燃料電池的陽極表面，在對多環(huán)的芳香烴進行去除時受到電極之間的間距影響較大。當電極之間的間距逐漸減小時，微生物燃料電池的產(chǎn)電量也逐漸增加，多環(huán)芳香烴的去除率提升，這是由于當電極之間的間距大于4厘米而不超過10厘米時，電流足以對細菌生長起到強烈的刺激作用，細菌的生長速度和總數(shù)量都顯著增加，因此產(chǎn)電量和有機污染物的去除率也隨之增加。

3.2修復重金屬土壤污染

土壤中的重金屬污染具有較為明顯的地區(qū)性特點，在金屬冶煉工廠附近、礦石開采企業(yè)周邊以及金屬制品廠周圍都存在較為嚴重的重金屬土壤污染情況。重金屬污染與有機物污染有著明顯區(qū)別，這種類型的污染源不容易被降解，相對于其他的污染源還具有更強的毒性，隨著時間的推移重金屬污染如果不能得到有效治理則會不斷的產(chǎn)生累積效應，使得土壤狀態(tài)急劇下降。起初利用微生物燃料電池治理重金屬污染時應用于水中鉻污染的治理，HABIBUL等人通過對微生物燃料電池的改進應用于土壤中鉻污染的治理。

經(jīng)過大量的實驗研究他們發(fā)現(xiàn)，利用微生物燃料電池對土壤中鉻污染進行去除時效果令人滿意，最高去除率可以達到99%。值得注意的是，土壤中鉻污染的去除率與鉻的初始濃度有較大的關聯(lián)，土壤中鉻初始濃度大時鉻的去除率也較大，當土壤中鉻去初始濃度較小時鉻的去除率也較小。除此之外，在利用微生物燃料電池對土壤中的鉻進行去除時還要考慮不同的土壤類型以及外部電阻帶來的影響。

4 結語

微生物燃料電池修復污染土壤大部分以實驗室異位修復為主，在全球超大面積污染土壤面前顯得杯水車薪。如何將微生物燃料電池應用于大面積污染土壤的修復是下一步研究的焦點問題。

參考文獻

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作者簡介：

翁群強 性別：男 學歷：本科 現(xiàn)有職稱：中級工程師