一種提高以污泥為燃料的微生物燃料電池產電效果的方法技術

本發明專利技術涉及一種提高以污泥為燃料的微生物燃料電池產電效果的方法，屬于環境保護技術領域，其包括如下步驟：1)將污水處理廠產生的剩余污泥、初沉污泥或者兩者的混合物在堿性pH9-10條件下發酵6-8天；2)將污泥發酵混合物在6000轉/分條件下離心10分鐘，得到污泥發酵上清液；3)將污泥發酵上清液加入到空氣陰極單室微生物燃料電池中作為產電微生物的碳源進行產電。本發明專利技術不僅顯著提高以污泥為燃料的微生物燃料電池的產電效果，實現了污泥的高效資源化利用，而且減少了污泥的體積，減輕了其對環境造成的污染。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于環境保護
，涉及提高以污泥為燃料的微生物燃料電池產電效 果的方法。
技術介紹
隨著我國的快速工業化和城市化進程，污水的排放量越來越大。據報道，截至2010 年9月底，全國建成污水處理廠沈30座，日污水處理能力到達1. 22億立方米。眾多的污水 處理廠在解決我國的水污染問題上起到了重要作用。然而，在污水生物處理過程中伴隨產 生著大量的污泥。據估計，截止到2010年底，中國的污泥產量將達到400萬噸(干重)。污 泥通常含有大量的有機污染物、病原菌以及重金屬等有毒有害物質，在進入環境之前如不 對其進行合理和有效地處理處置將造成嚴重的環境污染。傳統的污泥處理處置方法主要包 括填埋、焚燒及土地利用等。但是，隨著環境法規的日益嚴厲，污泥的資源化利用越來越受 到人們的重視。目前，污泥資源化利用的途徑主要有產甲烷、產氫及產電等，其中基于微生 物燃料電池的污泥產電技術是研究的重點和熱點。眾所周知，微生物燃料電池(MFCs)是一種利用產電微生物通過生物質產生生物 電能的新方法，小分子溶解性易生物降解有機化合物(比如乙酸、葡萄糖、氨基酸等)是產 電微生物(主要包括泥細菌、希瓦氏菌、紅螺菌等)優先利用的燃料(碳源)。由于污泥主 要由顆粒性的蛋白質和碳水化合物組成，其不能夠被產電微生物直接利用，從而造成以污 泥為燃料的微生物燃料電池的產電效果不佳。為了提高以污泥為燃料的微生物燃料電池的 產電效果，有研究者在產電之前通過對污泥進行預處理，在一定程度上改善了污泥產電效 果(文獻Bioresource Technology，201，10，272-277)。然而，由于預處理方法并沒有將污 泥有效地轉化為產電微生物優先利用的碳源，產電效果仍然較差。
技術實現思路
本專利技術針對以污泥為燃料的微生物燃料電池產電效果不佳的現狀，提出一種提高 以污泥為燃料的微生物燃料電池產電效果的方法，既滿足污泥處理處置的需要，又能夠更 加高效地產生電能。為達到以上目的，本專利技術所采用的解決方案是，具體步驟如下(1)將污水處理廠產生的剩余污泥、初沉污泥或者兩者的混合物在堿性條件下發 酵，得到污泥發酵混合物；(2)將發酵混合物進行離心分離，得到富含短鏈脂肪酸的污泥發酵上清液；(3)將步驟( 得到的發酵上清液加入到微生物燃料電池中，作為產電微生物的 碳源進行產電。本專利技術中，步驟(1)中的堿性條件為PH9-11 ；本專利技術中，步驟(1)中的發酵時間為6-8天；本專利技術中，步驟O)的離心速率為6000轉/分，離心時間為10分鐘；本專利技術中，步驟(3)所用微生物燃料電池包括兩種結構空氣陰極單室MFCs和空 氣陰極雙室MFCs。本專利技術中，向微生物燃料電池中加入20 60mL的污泥發酵上清液，使進入微生物 燃料電池的COD濃度為1000 3000mg/L。本專利技術以污泥在堿性條件下發酵得到的發酵上清液為燃料提高以污泥為燃料的 微生物燃料電池產電效果的基本原理是在微生物燃料電池將污泥中的顆粒性有機物用 作產電燃料之前，將這些有機物盡可能地轉化為產電微生物優先利用的碳源，比如乙酸等 短鏈脂肪酸以及葡萄糖、氨基酸等小分子有機物，隨后這些物質被產電微生物用作產電，與 未將污泥充分轉化為乙酸等優先碳源的情況相比，微生物燃料電池的產電效果得到顯著改 善。由于采用了上述方案，本專利技術具有以下特點(1)本專利技術顯著提高了以污泥為燃料的微生物燃料電池的產電效果，產生了電壓 更高、功率密度更大的電能，是解決能源危機的一種可選擇模式。(2)本專利技術不但提高了污泥的產電效果，實現了污泥的資源化利用，而且減少了污 泥的體積，進而減輕了其對環境的污染，具有較強的社會效益。附圖說明圖1為以污泥堿性發酵上清液為燃料的微生物燃料電池產電流程圖；圖2為本專利技術所用空氣陰極單室微生物燃料電池結構示意圖；圖3為本專利技術所用空氣陰極雙室微生物燃料電池結構示意圖。具體實施例方式以下結合附圖所示實施例對本專利技術作進一步的說明。本專利技術中所使用的微生物燃料電池包括兩種結構空氣陰極單室MFCs和空氣陰 極雙室MFCs。空氣陰極單室MFCs的結構如圖2所示，包括進口 11、出口 12、陽極13、陰極14和 外電路(外電路為已知技術)。MFCs裝有pH為7. 0的0. 05mol/L磷酸鹽緩沖溶液、0. 31g/ L的氯化銨、0. 13g/L的氯化鉀、12. 5mL維生素溶液和12. 5mL微量元素溶液。陽極13為石 墨纖維刷，陰極14為涂有0.5mg/cm2Pt/C催化劑的碳纖維布，外電路為1000 Ω電阻15?？諝怅帢O雙室MFCs的結構如圖3所示，包括進口 21、出口 22、陽極室23、質子交 換膜26、陰極室M和外電路。所述陽極為石墨纖維刷，質子交換膜為Nafi0nll7陽離子交 換膜，外電路為1000歐姆電阻25。陽極室基質溶液由以下物質組成pH 7. 0的0. 05mol/ L磷酸鹽緩沖溶液、0. 31g/L的氯化銨溶液、0. 13g/L的氯化鉀溶液、12. 5mL的微量元素溶液 和12. 5mL的維生素溶液；陰極室由lmol/L的氯化鉀溶液組成。實施例1在體積為150mL的空氣陰極單室微生物燃料電池反應器中，加入總COD濃度為 1000mg/L的未經過任何處理的原始剩余污泥作為燃料，反應溫度為25士 1°C (本專利技術是用 于任何常規溫度，這里僅以25士 1°C為例，以下實施例同)。將此燃料電池接入1000Ω的外 電路，開始運行，待電壓輸出逐漸穩定后，開始測試產電效果。微生物燃料電池所產最高電壓為^3mV，最大功率密度為432mW/m2。實施例2第一步污泥預處理將總COD濃度為1000mg/L的剩余污泥進行超聲預處理，超聲能量密度為lkW/L。第二步微生物燃料電池產電實施例2的空氣陰極單室微生物燃料電池產電操作步驟如實施例1所述。以超 聲預處理剩余污泥為燃料的微生物燃料電池所產的最高電壓為425mV，最大功率密度為 720mW/m2。實施例3第一步污泥發酵上清液制備將污水處理廠產生的剩余污泥在pHIO條件下發酵8天，得到污泥發酵混合物，然 后將污泥發酵混合物在6000轉/分條件下離心10分鐘，得到污泥發酵上清液。第二步污泥發酵上清液作為燃料的微生物燃料電池產電實施例3的產電操作步驟如實施例1所述，在空氣陰極單室微生物燃料電池中加 入總COD濃度為1000mg/L的剩余污泥發酵上清液作為燃料。以污泥發酵上清液為燃料的微 生物燃料電池所產最高電壓為^2mV，最大功率密度為1121mW/m2，產電效果較實施例1和2 顯者提尚。實施例4實施例4的操作步驟如實施例3所述，加入空氣陰極單室微生物燃料電池的污泥 上清液的總COD濃度為2000mg/L。此時，微生物燃料電池所產最高電壓為585mV，最大功率 密度為1236mW/m2，產電效果較實施例1和2顯著提高。實施例5實施例5的操作步驟如實施例3所述，加入空氣陰極單室微生物燃料電池的污泥 上清液的總COD濃度為3000mg/L。此時，微生物燃料電池所產最高電壓為598mV，最大功率 密度為1295mW/m2，產電效果較實施例1和2顯著提高。實施例6在體積為150mL的空氣陰極雙室微生物燃料電池的陽極加入總COD濃度為 1000mg/L的未經過任何處理的原始剩余污泥作為燃料。產本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種提高以污泥為燃料的微生物燃料電池產電效果的方法，其特征在于：具體包括以下步驟：（１）將污水處理廠產生的剩余污泥、初沉污泥或者兩者的混合物在堿性條件下發酵，得到污泥發酵混合物；（２）將發酵混合物進行離心分離，得到富含短鏈脂肪酸的污泥發酵上清液；（３）將步驟（２）得到的發酵上清液加入到微生物燃料電池中，作為產電微生物的碳源進行產電。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳銀廣，馮雷雨，嚴媛媛，
申請(專利權)人：同濟大學，
類型：發明
國別省市：31