专利名称：一种提高以污泥为燃料的微生物燃料电池产电效果的方法
技术领域：
本发明属于环境保护技术领域，涉及提高以污泥为燃料的微生物燃料电池产电效 果的方法。
背景技术：
随着我国的快速工业化和城市化进程，污水的排放量越来越大。据报道，截至2010 年9月底，全国建成污水处理厂沈30座，日污水处理能力到达1. 22亿立方米。众多的污水 处理厂在解决我国的水污染问题上起到了重要作用。然而，在污水生物处理过程中伴随产 生着大量的污泥。据估计，截止到2010年底，中国的污泥产量将达到400万吨(干重)。污 泥通常含有大量的有机污染物、病原菌以及重金属等有毒有害物质，在进入环境之前如不 对其进行合理和有效地处理处置将造成严重的环境污染。传统的污泥处理处置方法主要包 括填埋、焚烧及土地利用等。但是，随着环境法规的日益严厉，污泥的资源化利用越来越受 到人们的重视。目前，污泥资源化利用的途径主要有产甲烷、产氢及产电等，其中基于微生 物燃料电池的污泥产电技术是研究的重点和热点。众所周知，微生物燃料电池(MFCs)是一种利用产电微生物通过生物质产生生物 电能的新方法，小分子溶解性易生物降解有机化合物(比如乙酸、葡萄糖、氨基酸等)是产 电微生物(主要包括泥细菌、希瓦氏菌、红螺菌等)优先利用的燃料(碳源)。由于污泥主 要由颗粒性的蛋白质和碳水化合物组成，其不能够被产电微生物直接利用，从而造成以污 泥为燃料的微生物燃料电池的产电效果不佳。为了提高以污泥为燃料的微生物燃料电池的 产电效果，有研究者在产电之前通过对污泥进行预处理，在一定程度上改善了污泥产电效 果(文献Bioresource Technology，201，10，272-277)。然而，由于预处理方法并没有将污 泥有效地转化为产电微生物优先利用的碳源，产电效果仍然较差。
发明内容
本发明针对以污泥为燃料的微生物燃料电池产电效果不佳的现状，提出一种提高 以污泥为燃料的微生物燃料电池产电效果的方法，既满足污泥处理处置的需要，又能够更 加高效地产生电能。为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是一种提高以污泥为燃料的微生物燃料电池产电效果的方法，具体步骤如下(1)将污水处理厂产生的剩余污泥、初沉污泥或者两者的混合物在碱性条件下发 酵，得到污泥发酵混合物；(2)将发酵混合物进行离心分离，得到富含短链脂肪酸的污泥发酵上清液；(3)将步骤( 得到的发酵上清液加入到微生物燃料电池中，作为产电微生物的 碳源进行产电。本发明中，步骤(1)中的碱性条件为PH9-11 ；本发明中，步骤(1)中的发酵时间为6-8天；
本发明中，步骤O)的离心速率为6000转/分，离心时间为10分钟；本发明中，步骤(3)所用微生物燃料电池包括两种结构空气阴极单室MFCs和空 气阴极双室MFCs。本发明中，向微生物燃料电池中加入20 60mL的污泥发酵上清液，使进入微生物 燃料电池的COD浓度为1000 3000mg/L。本发明以污泥在碱性条件下发酵得到的发酵上清液为燃料提高以污泥为燃料的 微生物燃料电池产电效果的基本原理是在微生物燃料电池将污泥中的颗粒性有机物用 作产电燃料之前，将这些有机物尽可能地转化为产电微生物优先利用的碳源，比如乙酸等 短链脂肪酸以及葡萄糖、氨基酸等小分子有机物，随后这些物质被产电微生物用作产电，与 未将污泥充分转化为乙酸等优先碳源的情况相比，微生物燃料电池的产电效果得到显著改 善。由于采用了上述方案，本发明具有以下特点(1)本发明显著提高了以污泥为燃料的微生物燃料电池的产电效果，产生了电压 更高、功率密度更大的电能，是解决能源危机的一种可选择模式。(2)本发明不但提高了污泥的产电效果，实现了污泥的资源化利用，而且减少了污 泥的体积，进而减轻了其对环境的污染，具有较强的社会效益。
图1为以污泥碱性发酵上清液为燃料的微生物燃料电池产电流程图；图2为本发明所用空气阴极单室微生物燃料电池结构示意图；图3为本发明所用空气阴极双室微生物燃料电池结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。本发明中所使用的微生物燃料电池包括两种结构空气阴极单室MFCs和空气阴 极双室MFCs。空气阴极单室MFCs的结构如图2所示，包括进口 11、出口 12、阳极13、阴极14和 外电路(外电路为已知技术)。MFCs装有pH为7. 0的0. 05mol/L磷酸盐缓冲溶液、0. 31g/ L的氯化铵、0. 13g/L的氯化钾、12. 5mL维生素溶液和12. 5mL微量元素溶液。阳极13为石 墨纤维刷，阴极14为涂有0.5mg/cm2Pt/C催化剂的碳纤维布，外电路为1000 Ω电阻15。空气阴极双室MFCs的结构如图3所示，包括进口 21、出口 22、阳极室23、质子交 换膜26、阴极室M和外电路。所述阳极为石墨纤维刷，质子交换膜为Nafi0nll7阳离子交 换膜，外电路为1000欧姆电阻25。阳极室基质溶液由以下物质组成pH 7. 0的0. 05mol/ L磷酸盐缓冲溶液、0. 31g/L的氯化铵溶液、0. 13g/L的氯化钾溶液、12. 5mL的微量元素溶液 和12. 5mL的维生素溶液；阴极室由lmol/L的氯化钾溶液组成。实施例1在体积为150mL的空气阴极单室微生物燃料电池反应器中，加入总COD浓度为 1000mg/L的未经过任何处理的原始剩余污泥作为燃料，反应温度为25士 1°C (本发明是用 于任何常规温度，这里仅以25士 1°C为例，以下实施例同)。将此燃料电池接入1000Ω的外 电路，开始运行，待电压输出逐渐稳定后，开始测试产电效果。微生物燃料电池所产最高电压为^3mV，最大功率密度为432mW/m2。实施例2第一步污泥预处理将总COD浓度为1000mg/L的剩余污泥进行超声预处理，超声能量密度为lkW/L。第二步微生物燃料电池产电实施例2的空气阴极单室微生物燃料电池产电操作步骤如实施例1所述。以超 声预处理剩余污泥为燃料的微生物燃料电池所产的最高电压为425mV，最大功率密度为 720mW/m2。实施例3第一步污泥发酵上清液制备将污水处理厂产生的剩余污泥在pHIO条件下发酵8天，得到污泥发酵混合物，然 后将污泥发酵混合物在6000转/分条件下离心10分钟，得到污泥发酵上清液。第二步污泥发酵上清液作为燃料的微生物燃料电池产电实施例3的产电操作步骤如实施例1所述，在空气阴极单室微生物燃料电池中加 入总COD浓度为1000mg/L的剩余污泥发酵上清液作为燃料。以污泥发酵上清液为燃料的微 生物燃料电池所产最高电压为^2mV，最大功率密度为1121mW/m2，产电效果较实施例1和2 显者提尚。实施例4实施例4的操作步骤如实施例3所述，加入空气阴极单室微生物燃料电池的污泥 上清液的总COD浓度为2000mg/L。此时，微生物燃料电池所产最高电压为585mV，最大功率 密度为1236mW/m2，产电效果较实施例1和2显著提高。实施例5实施例5的操作步骤如实施例3所述，加入空气阴极单室微生物燃料电池的污泥 上清液的总COD浓度为3000mg/L。此时，微生物燃料电池所产最高电压为598mV，最大功率 密度为1295mW/m2，产电效果较实施例1和2显著提高。实施例6在体积为150mL的空气阴极双室微生物燃料电池的阳极加入总COD浓度为 1000mg/L的未经过任何处理的原始剩余污泥作为燃料。产电操作步骤如实施例1所述。微 生物燃料电池所产最高电压为^4mV，最大功率密度为475mW/m2。实施例7第一步污泥预处理污泥预处理的操作步骤如实施例2所述。第二步微生物燃料电池产电产电操作步骤如实施例6所述，在空气阴极双室微生物燃料电池的阳极加入总 COD浓度为1000mg/L的经过超声预处理的剩余污泥作为燃料。微生物燃料电池所产的最高 电压为441mV，最大功率密度为752mW/m2。实施例8第一步污泥发酵上清液制备污泥发酵上清液制备步骤如实施例3所述。
第二步污泥发酵上清液作为燃料的微生物燃料电池产电的产电操作步骤如实施 例6所述，在空气阴极双室微生物燃料电池的阳极加入总COD浓度为1000mg/L的剩余污泥 发酵上清液作为燃料。以污泥发酵上清液为燃料的微生物燃料电池所产最高电压为570mV， 最大功率密度为1283mW/m2，产电效果较实施例6和7显著提高。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发 明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施做出各种修改，并把在此说明的一 般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例， 本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护 范围之内。
权利要求
1.一种提高以污泥为燃料的微生物燃料电池产电效果的方法，其特征在于具体包括 以下步骤(1)将污水处理厂产生的剩余污泥、初沉污泥或者两者的混合物在碱性条件下发酵，得 到污泥发酵混合物；(2)将发酵混合物进行离心分离，得到富含短链脂肪酸的污泥发酵上清液；(3)将步骤( 得到的发酵上清液加入到微生物燃料电池中，作为产电微生物的碳源 进行产电。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(1)中的碱性条件为PH9-11。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(1)中的发酵时间为6-8天。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤O)的离心速率为6000转/分， 离心时间为10分钟。
全文摘要
本发明涉及一种提高以污泥为燃料的微生物燃料电池产电效果的方法，属于环境保护技术领域，其包括如下步骤1)将污水处理厂产生的剩余污泥、初沉污泥或者两者的混合物在碱性pH9-10条件下发酵6-8天；2)将污泥发酵混合物在6000转/分条件下离心10分钟，得到污泥发酵上清液；3)将污泥发酵上清液加入到空气阴极单室微生物燃料电池中作为产电微生物的碳源进行产电。本发明不仅显著提高以污泥为燃料的微生物燃料电池的产电效果，实现了污泥的高效资源化利用，而且减少了污泥的体积，减轻了其对环境造成的污染。
文档编号H01M8/04GK102104164SQ20111002196
公开日2011年6月22日 申请日期2011年1月19日 优先权日2011年1月19日
发明者严媛媛, 冯雷雨, 陈银广 申请人:同济大学