本文關鍵詞：植物—微生物電化學復合系統(tǒng)修復鉻污染土壤和同步產(chǎn)電

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【摘要】：土壤是人類生存和發(fā)展中無法替代的資源,隨著重工業(yè)的發(fā)展,土壤重金屬污染已經(jīng)成為當代人類面臨的一個嚴峻問題,其中由六價鉻導致的土壤污染日益嚴重。傳統(tǒng)的土壤六價鉻污染的治理方法主要為物理化學法,不僅資金消耗大,還有著藥劑殘留等難以克服的諸多缺點。植物修復由于其成本低,沒有二次污染,近年來受到人們的重視。本研究提出將植物與微生物燃料電池(MFC)耦合,構建用于修復六價鉻污染土壤的植物微生物燃料電池(PMFC)系統(tǒng),考察PMFC系統(tǒng)中六價鉻的去除效果和系統(tǒng)的產(chǎn)電能力。本研究構造了一種新型單室PMFC,分別以白鶴芋(Spathiphyllum)和中華水韭(Isoetes sinensis)兩種植物啟動反應器,與無植物對照組對比,分析植物對六價鉻處理效果的影響。然后通過控制水力停留時間(HRT),開路與閉路條件以及初始土壤六價鉻濃度的不同,分析這些因素對PMFC系統(tǒng)鉻去除效能的影響。對比無植物組,白鶴芋和中華水韭的存在可以縮短反應器的啟動時間。當HRT為10 h時產(chǎn)電性能最佳。此時無植物組最高輸出電壓為300 mV,最大功率密度為18.35 W/m~2,白鶴芋組最高輸出電壓為403 mV,最大功率密度為24.68W/m~2,比無植物組增加34%。中華水韭45天后發(fā)生爛根現(xiàn)象,說明其不適合在高濃度鉻環(huán)境下長期生存。對反應器出水中總鉻和六價鉻濃度的分析表明,白鶴芋PMFC出水的總鉻和六價鉻濃度均低于無植物的對照組。通過測定植物組織中鉻含量發(fā)現(xiàn),白鶴芋能夠富集土壤中的鉻,并且根部鉻濃度最高,達到了102.41mg/kg。設置20 mg/kg、100 mg/kg和500 mg/kg三組鉻濃度土壤種植白鶴芋,發(fā)現(xiàn)20 mg/kg、100 mg/kg鉻濃度下的PMFC啟動時間依次為190 h,200 h,明顯快于500 mg/kg的啟動時間(377 h)。100 mg/kg的初始鉻濃度下,反應器產(chǎn)電表現(xiàn)最好,最高電壓達到677 mV,最大功率密度為25.81 W/m~2。對pH的測定表明,反應器在運行中始終保持中性略偏堿,這對白鶴芋和土壤微生物的生長提供了適宜的酸堿環(huán)境。對溶解氧(DO)的測定表明,白鶴芋的根際泌氧能夠提高PMFC系統(tǒng)氧含量。100 mg/kg鉻濃度下的反應器不其出水中TN濃度最低,降到了5.06mg/L。在開路和閉路兩種條件下運行反應器,閉路狀態(tài)下反應器出水中總鉻和六價鉻濃度遠低于同條件下的開路反應器。以100 mg/kg鉻濃度下反應器為例,開路條件下最終出水中總鉻濃度為17.36 mg/L,六價鉻濃度為13.96 mg/L,而在閉路條件下出水中總鉻濃度只有0.886 mg/L,六價鉻濃度降到了0.49 mg/L,說明微生物產(chǎn)電作用對鉻的去除影響巨大。對植物組織進行分析,100 mg/kg鉻濃度下閉路反應器中白鶴芋的鮮重和干重最大,同時其植物組織中鉻濃度也最高,根中鉻濃度554.61 mg/kg,莖中鉻濃度154.30 mg/kg,葉中鉻濃度最低,只有29.61 mg/kg,同條件下開路反應器中,白鶴芋根,莖和葉中鉻濃度依次為181.02 mg/kg,65.91mg/kg和16.52 mg/kg。閉路條件下白鶴芋對鉻的富集能力大于開路條件下的白鶴芋,可見PMFC可以促進植物對鉻的吸收。本研究的實驗結果表明白鶴芋的存在能夠富集土壤中的重金屬鉻,起到改善土壤的作用。植物根際分泌物的存在能夠強化生物產(chǎn)電,加快了六價鉻向三價鉻的轉(zhuǎn)化,同時得到穩(wěn)定的能量輸出。
【關鍵詞】：土壤污染 植物修復 植物微生物燃料電池 六價鉻
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：X53;X173;TM911.45
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-24
• 1.1 課題來源12
• 1.2 課題背景及研究的目的和意義12-13
• 1.3 土壤重金屬的污染與治理13-19
• 1.3.1 土壤重金屬污染的特點與危害13-16
• 1.3.2 土壤重金屬污染的治理16-19
• 1.4 微生物燃料電池19-22
• 1.4.1 基本原理19-20
• 1.4.2 微生物燃料電池處理鉻污染20-21
• 1.4.3 植物微生物燃料電池21-22
• 1.5 研究內(nèi)容與技術路線22-24
• 第2章 材料與方法24-33
• 2.1 反應器的構建與運行24-26
• 2.1.1 反應器的構建24-25
• 2.1.2 反應器的運行25-26
• 2.2 實驗材料26-29
• 2.2.1 植物的選擇26-27
• 2.2.2 陰極的制作方法27-28
• 2.2.3 緩沖溶液的配制28-29
• 2.2.4 微量元素的配制29
• 2.3 數(shù)據(jù)測定29-32
• 2.3.1 出水的水質(zhì)指標測定29-30
• 2.3.2 掃描電鏡的預處理方法30-31
• 2.3.3 土壤和植物的消解方法31
• 2.3.4 電壓的測定方法31-32
• 2.4 計算方法32-33
• 2.4.1 電流密度32
• 2.4.2 功率密度32-33
• 第3章 植物對PMFC鉻去除和產(chǎn)電效果的影響33-49
• 3.1 引言33
• 3.2 反應器的啟動運行33-34
• 3.3 反應器產(chǎn)電性能分析34-37
• 3.3.1 PMFC運行階段電壓變化34-36
• 3.3.2 功率密度和極化曲線36-37
• 3.4 植物對出水水質(zhì)的影響37-44
• 3.4.1 出水的pH值的變化37-38
• 3.4.2 出水TDS、電導率和鹽度的變化38-40
• 3.4.3 出水中溶解氧的變化40-41
• 3.4.4 出水中總氮的變化41-42
• 3.4.5 出水中總磷的變化42
• 3.4.6 出水中總鉻、六價鉻和三價鉻的變化42-44
• 3.5 PMFC中植物的分析44-47
• 3.5.1 白鶴芋的鮮重和干重44-45
• 3.5.2 不同植物組織中的鉻含量45-46
• 3.5.3 不同土壤深度的TOC變化46-47
• 3.6 本章小結47-49
• 第4章 生物產(chǎn)電和初始鉻濃度對系統(tǒng)的影響49-64
• 4.1 引言49
• 4.2 反應器的啟動運行49-50
• 4.3 反應器產(chǎn)電性能分析50-53
• 4.3.1 PMFC運行階段電壓變化50-51
• 4.3.2 功率密度和極化曲線51-53
• 4.4 生物產(chǎn)電對出水水質(zhì)的影響53-58
• 4.4.1 出水的pH值的變化53-54
• 4.4.2 出水TDS、電導率和鹽度的變化54-55
• 4.4.3 出水中溶解氧的變化55
• 4.4.4 出水中總氮的變化55-56
• 4.4.5 出水中總磷的變化56-57
• 4.4.6 出水總鉻、六價鉻和三價鉻的變化57-58
• 4.5 PMFC中植物的分析58-62
• 4.5.1 白鶴芋的鮮重和干重58-60
• 4.5.2 不同植物組織中的鉻含量60-61
• 4.5.3 不同土壤深度的TOC變化61
• 4.5.4 白鶴芋根部和電極表面的掃描電鏡61-62
• 4.6 本章小結62-64
• 結論64-65
• 參考文獻65-74
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文74-76
• 致謝76

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