專利名稱：一種提高以污泥為燃料的微生物燃料電池產(chǎn)電效果的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，涉及提高以污泥為燃料的微生物燃料電池產(chǎn)電效 果的方法。
背景技術(shù)：
隨著我國的快速工業(yè)化和城市化進(jìn)程，污水的排放量越來越大。據(jù)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(dá)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(chǎn) 生著大量的污泥。據(jù)估計(jì)，截止到2010年底，中國的污泥產(chǎn)量將達(dá)到400萬噸(干重)。污 泥通常含有大量的有機(jī)污染物、病原菌以及重金屬等有毒有害物質(zhì)，在進(jìn)入環(huán)境之前如不 對其進(jìn)行合理和有效地處理處置將造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。傳統(tǒng)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(huán)境法規(guī)的日益嚴(yán)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(chǎn)甲烷、產(chǎn)氫及產(chǎn)電等，其中基于微生 物燃料電池的污泥產(chǎn)電技術(shù)是研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。眾所周知，微生物燃料電池(MFCs)是一種利用產(chǎn)電微生物通過生物質(zhì)產(chǎn)生生物 電能的新方法，小分子溶解性易生物降解有機(jī)化合物(比如乙酸、葡萄糖、氨基酸等)是產(chǎn) 電微生物(主要包括泥細(xì)菌、希瓦氏菌、紅螺菌等)優(yōu)先利用的燃料(碳源)。由于污泥主 要由顆粒性的蛋白質(zhì)和碳水化合物組成，其不能夠被產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)電效果，有研究者在產(chǎn)電之前通過對污泥進(jìn)行預(yù)處理，在一定程度上改善了污泥產(chǎn)電效 果(文獻(xiàn)Bioresource Technology，201，10，272-277)。然而，由于預(yù)處理方法并沒有將污 泥有效地轉(zhuǎn)化為產(chǎn)電微生物優(yōu)先利用的碳源，產(chǎn)電效果仍然較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對以污泥為燃料的微生物燃料電池產(chǎn)電效果不佳的現(xiàn)狀，提出一種提高 以污泥為燃料的微生物燃料電池產(chǎn)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(chǎn)生電能。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明所采用的解決方案是一種提高以污泥為燃料的微生物燃料電池產(chǎn)電效果的方法，具體步驟如下(1)將污水處理廠產(chǎn)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(fā) 酵，得到污泥發(fā)酵混合物；(2)將發(fā)酵混合物進(jìn)行離心分離，得到富含短鏈脂肪酸的污泥發(fā)酵上清液；(3)將步驟( 得到的發(fā)酵上清液加入到微生物燃料電池中，作為產(chǎn)電微生物的 碳源進(jìn)行產(chǎn)電。本發(fā)明中，步驟(1)中的堿性條件為PH9-11 ；本發(fā)明中，步驟(1)中的發(fā)酵時間為6-8天；
本發(fā)明中，步驟O)的離心速率為6000轉(zhuǎn)/分，離心時間為10分鐘；本發(fā)明中，步驟(3)所用微生物燃料電池包括兩種結(jié)構(gòu)空氣陰極單室MFCs和空 氣陰極雙室MFCs。本發(fā)明中，向微生物燃料電池中加入20 60mL的污泥發(fā)酵上清液，使進(jìn)入微生物 燃料電池的COD濃度為1000 3000mg/L。本發(fā)明以污泥在堿性條件下發(fā)酵得到的發(fā)酵上清液為燃料提高以污泥為燃料的 微生物燃料電池產(chǎn)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(jī)物用 作產(chǎn)電燃料之前，將這些有機(jī)物盡可能地轉(zhuǎn)化為產(chǎn)電微生物優(yōu)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(jī)物，隨后這些物質(zhì)被產(chǎn)電微生物用作產(chǎn)電，與 未將污泥充分轉(zhuǎn)化為乙酸等優(yōu)先碳源的情況相比，微生物燃料電池的產(chǎn)電效果得到顯著改 善。由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)(1)本發(fā)明顯著提高了以污泥為燃料的微生物燃料電池的產(chǎn)電效果，產(chǎn)生了電壓 更高、功率密度更大的電能，是解決能源危機(jī)的一種可選擇模式。(2)本發(fā)明不但提高了污泥的產(chǎn)電效果，實(shí)現(xiàn)了污泥的資源化利用，而且減少了污 泥的體積，進(jìn)而減輕了其對環(huán)境的污染，具有較強(qiáng)的社會效益。


圖1為以污泥堿性發(fā)酵上清液為燃料的微生物燃料電池產(chǎn)電流程圖；圖2為本發(fā)明所用空氣陰極單室微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明所用空氣陰極雙室微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。本發(fā)明中所使用的微生物燃料電池包括兩種結(jié)構(gòu)空氣陰極單室MFCs和空氣陰 極雙室MFCs?？諝怅帢O單室MFCs的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括進(jìn)口 11、出口 12、陽極13、陰極14和 外電路(外電路為已知技術(shù))。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(jié)構(gòu)如圖3所示，包括進(jìn)口 21、出口 22、陽極室23、質(zhì)子交 換膜26、陰極室M和外電路。所述陽極為石墨纖維刷，質(zhì)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(zhì)溶液由以下物質(zhì)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(shí)施例1在體積為150mL的空氣陰極單室微生物燃料電池反應(yīng)器中，加入總COD濃度為 1000mg/L的未經(jīng)過任何處理的原始剩余污泥作為燃料，反應(yīng)溫度為25士 1°C (本發(fā)明是用 于任何常規(guī)溫度，這里僅以25士 1°C為例，以下實(shí)施例同)。將此燃料電池接入1000Ω的外 電路，開始運(yùn)行，待電壓輸出逐漸穩(wěn)定后，開始測試產(chǎn)電效果。微生物燃料電池所產(chǎn)最高電壓為^3mV，最大功率密度為432mW/m2。實(shí)施例2第一步污泥預(yù)處理將總COD濃度為1000mg/L的剩余污泥進(jìn)行超聲預(yù)處理，超聲能量密度為lkW/L。第二步微生物燃料電池產(chǎn)電實(shí)施例2的空氣陰極單室微生物燃料電池產(chǎn)電操作步驟如實(shí)施例1所述。以超 聲預(yù)處理剩余污泥為燃料的微生物燃料電池所產(chǎn)的最高電壓為425mV，最大功率密度為 720mW/m2。實(shí)施例3第一步污泥發(fā)酵上清液制備將污水處理廠產(chǎn)生的剩余污泥在pHIO條件下發(fā)酵8天，得到污泥發(fā)酵混合物，然 后將污泥發(fā)酵混合物在6000轉(zhuǎn)/分條件下離心10分鐘，得到污泥發(fā)酵上清液。第二步污泥發(fā)酵上清液作為燃料的微生物燃料電池產(chǎn)電實(shí)施例3的產(chǎn)電操作步驟如實(shí)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(fā)酵上清液作為燃料。以污泥發(fā)酵上清液為燃料的微 生物燃料電池所產(chǎn)最高電壓為^2mV，最大功率密度為1121mW/m2，產(chǎn)電效果較實(shí)施例1和2 顯者提尚。實(shí)施例4實(shí)施例4的操作步驟如實(shí)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(chǎn)最高電壓為585mV，最大功率 密度為1236mW/m2，產(chǎn)電效果較實(shí)施例1和2顯著提高。實(shí)施例5實(shí)施例5的操作步驟如實(shí)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(chǎn)最高電壓為598mV，最大功率 密度為1295mW/m2，產(chǎn)電效果較實(shí)施例1和2顯著提高。實(shí)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(jīng)過任何處理的原始剩余污泥作為燃料。產(chǎn)電操作步驟如實(shí)施例1所述。微 生物燃料電池所產(chǎn)最高電壓為^4mV，最大功率密度為475mW/m2。實(shí)施例7第一步污泥預(yù)處理污泥預(yù)處理的操作步驟如實(shí)施例2所述。第二步微生物燃料電池產(chǎn)電產(chǎn)電操作步驟如實(shí)施例6所述，在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的經(jīng)過超聲預(yù)處理的剩余污泥作為燃料。微生物燃料電池所產(chǎn)的最高 電壓為441mV，最大功率密度為752mW/m2。實(shí)施例8第一步污泥發(fā)酵上清液制備污泥發(fā)酵上清液制備步驟如實(shí)施例3所述。
第二步污泥發(fā)酵上清液作為燃料的微生物燃料電池產(chǎn)電的產(chǎn)電操作步驟如實(shí)施 例6所述，在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的剩余污泥 發(fā)酵上清液作為燃料。以污泥發(fā)酵上清液為燃料的微生物燃料電池所產(chǎn)最高電壓為570mV， 最大功率密度為1283mW/m2，產(chǎn)電效果較實(shí)施例6和7顯著提高。上述的對實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā) 明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實(shí)施做出各種修改，并把在此說明的一 般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例， 本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù) 范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種提高以污泥為燃料的微生物燃料電池產(chǎn)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(chǎn)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(fā)酵，得 到污泥發(fā)酵混合物；(2)將發(fā)酵混合物進(jìn)行離心分離，得到富含短鏈脂肪酸的污泥發(fā)酵上清液；(3)將步驟( 得到的發(fā)酵上清液加入到微生物燃料電池中，作為產(chǎn)電微生物的碳源 進(jìn)行產(chǎn)電。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(1)中的堿性條件為PH9-11。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(1)中的發(fā)酵時間為6-8天。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟O)的離心速率為6000轉(zhuǎn)/分， 離心時間為10分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高以污泥為燃料的微生物燃料電池產(chǎn)電效果的方法，屬于環(huán)境保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，其包括如下步驟1)將污水處理廠產(chǎn)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(fā)酵6-8天；2)將污泥發(fā)酵混合物在6000轉(zhuǎn)/分條件下離心10分鐘，得到污泥發(fā)酵上清液；3)將污泥發(fā)酵上清液加入到空氣陰極單室微生物燃料電池中作為產(chǎn)電微生物的碳源進(jìn)行產(chǎn)電。本發(fā)明不僅顯著提高以污泥為燃料的微生物燃料電池的產(chǎn)電效果，實(shí)現(xiàn)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(huán)境造成的污染。
文檔編號H01M8/04GK102104164SQ20111002196
公開日2011年6月22日 申請日期2011年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月19日
發(fā)明者嚴(yán)媛媛, 馮雷雨, 陳銀廣 申請人:同濟(jì)大學(xué)