翁群強(qiáng) 谷林濤 朱成杰

摘 要：本文從微生物燃料電池的基本特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)其修復(fù)土壤的原理進(jìn)行了闡述，從修復(fù)有機(jī)污染土壤和修復(fù)重金屬污染土壤兩個(gè)方面對(duì)其應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：微生物；燃料電池；土壤；修復(fù)；有機(jī)污染；重金屬污染

1 微生物燃料電池的特點(diǎn)概述

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

隨著社會(huì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們的生活對(duì)能源產(chǎn)生了強(qiáng)烈的依賴性，過度的能源消耗也造成環(huán)境污染加劇，我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，對(duì)能源的消耗量也處于世界前列，由于相應(yīng)的生物技術(shù)和環(huán)保理念并不先進(jìn)，導(dǎo)致我國(guó)在發(fā)展過程中也遇到了很嚴(yán)重的環(huán)境問題。假設(shè)我國(guó)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(guó)的能源就會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)用缺口。

通常對(duì)土壤進(jìn)行修復(fù)時(shí)采用的方法多數(shù)屬于物理修復(fù)方法和化學(xué)修復(fù)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(fù)實(shí)例表明，上述兩種土壤修復(fù)方法能夠直接、快速的修復(fù)土壤問題，土壤情況改善速度很快，對(duì)于各種土壤問題的針對(duì)性很強(qiáng)，修復(fù)土壤時(shí)所進(jìn)行的資金投入也較大。當(dāng)采用化學(xué)法進(jìn)行修復(fù)時(shí)還要考慮投入化學(xué)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(shí)導(dǎo)致的化學(xué)藥劑二次污染。因此科研學(xué)者不斷的進(jìn)行微生物燃料電池的研發(fā)和應(yīng)用嘗試，微生物燃料電池是一種能夠顯著降低土壤修復(fù)成本的工具。

微生物燃料電池的反應(yīng)效率很高，無(wú)需苛刻的反應(yīng)條件，具有非常優(yōu)異的生物相容性，在反應(yīng)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(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的目的又能夠在土壤修復(fù)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(fù)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(xì)菌作為反應(yīng)催化劑，在產(chǎn)電細(xì)菌的催化作用下，土壤中的化合物能夠逐漸發(fā)生反應(yīng)將自身的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。各種糖、酸、鹽以及生活廢水等含有有機(jī)物的污染物質(zhì)在陽(yáng)極降解并產(chǎn)生質(zhì)子和電子，電子通過外電路向陰極運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，在陰極完成還原反應(yīng)后全部電荷傳遞過程結(jié)束。

對(duì)微生物燃料電池進(jìn)行分類時(shí)有兩種分類的依據(jù)，其一是按照不同營(yíng)養(yǎng)類型的微生物進(jìn)行分類，其二是按照微生物燃料電池的外觀進(jìn)行分類。按照不同營(yíng)養(yǎng)類型分類時(shí)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(xì)菌是厭氧菌，厭氧菌可以分解有機(jī)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(xì)菌則為光能異養(yǎng)菌，這種類型的產(chǎn)能細(xì)菌需要借助光能才能催化碳源的反應(yīng)；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(shì)差產(chǎn)生電能的，沉淀物和液相之間存在電勢(shì)差，而這種電勢(shì)差就是產(chǎn)生電能的直接來(lái)源。根據(jù)外形對(duì)微生物燃料電池進(jìn)行分類時(shí)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(fù)污染土壤的應(yīng)用進(jìn)展探討

3.1修復(fù)有機(jī)污染土壤

有機(jī)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(yīng)用表明微生物燃料電池在進(jìn)行土壤修復(fù)時(shí)其修復(fù)能力也較為有限，制約微生物燃料電池修復(fù)土壤能力的主要環(huán)節(jié)就是燃料電池的電機(jī)上存在的微生物種類和數(shù)量。YU等人對(duì)微生物燃料電池產(chǎn)電細(xì)菌的聚集位置以及種類進(jìn)行了大量研究，研究表明產(chǎn)電細(xì)菌多居于微生物燃料電池的陽(yáng)極表面，在對(duì)多環(huán)的芳香烴進(jìn)行去除時(shí)受到電極之間的間距影響較大。當(dāng)電極之間的間距逐漸減小時(shí)，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(dāng)電極之間的間距大于4厘米而不超過10厘米時(shí)，電流足以對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)起到強(qiáng)烈的刺激作用，細(xì)菌的生長(zhǎng)速度和總數(shù)量都顯著增加，因此產(chǎn)電量和有機(jī)污染物的去除率也隨之增加。

3.2修復(fù)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(diǎn)，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(yán)重的重金屬土壤污染情況。重金屬污染與有機(jī)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(duì)于其他的污染源還具有更強(qiáng)的毒性，隨著時(shí)間的推移重金屬污染如果不能得到有效治理則會(huì)不斷的產(chǎn)生累積效應(yīng)，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(shí)應(yīng)用于水中鉻污染的治理，HABIBUL等人通過對(duì)微生物燃料電池的改進(jìn)應(yīng)用于土壤中鉻污染的治理。

經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究他們發(fā)現(xiàn)，利用微生物燃料電池對(duì)土壤中鉻污染進(jìn)行去除時(shí)效果令人滿意，最高去除率可以達(dá)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(guān)聯(lián)，土壤中鉻初始濃度大時(shí)鉻的去除率也較大，當(dāng)土壤中鉻去初始濃度較小時(shí)鉻的去除率也較小。除此之外，在利用微生物燃料電池對(duì)土壤中的鉻進(jìn)行去除時(shí)還要考慮不同的土壤類型以及外部電阻帶來(lái)的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

微生物燃料電池修復(fù)污染土壤大部分以實(shí)驗(yàn)室異位修復(fù)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(yīng)用于大面積污染土壤的修復(fù)是下一步研究的焦點(diǎn)問題。

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作者簡(jiǎn)介：

翁群強(qiáng) 性別：男 學(xué)歷：本科 現(xiàn)有職稱：中級(jí)工程師