利用高淀粉固态废弃物为底物微生物燃料电池产电的方法与流程

本发明属于生物质能源领域,主要涉及利用高淀粉固态废弃物结合酶水解和微生物燃料电池进行产电的方法。

背景技术：

城市固体垃圾(msw)一直是全球重大环境问题之一，现其产量已达到过去30年的4倍。而餐厨垃圾作为城市固体垃圾的重要组成部分，其年产量达到13亿吨每年。因此，如何清洁、可持续地处理餐厨垃圾逐渐成为了世界关注的一个热点问题之一。然而，由于土地资源有限以及有毒物质的排放，传统方法(如填埋、焚烧和堆肥等)并不能使餐厨垃圾得到有效的处理。因此，亟需采取更好的措施来减轻由餐厨垃圾引起的经济、环境压力。高淀粉固态废弃物(例如废弃面包)是餐厨垃圾的重要组成部分之一。利用废弃面包制备有价值的产品(如甲烷和电能)是一种极具吸引力的方法。利用废弃面包厌氧发酵获得能源载体(如氢气和甲烷)，获得的产物进行进一步的燃烧从而产生电能。然而，在燃烧产电过程中，约有40％的能量被损耗。因此，如果能将废弃面包直接转变为可再生能源(例如电能)，其发展前景将十分可观。

微生物燃料电池(mfc)是一种能将各种有机废水直接转化为电能的装置，是一种很有发展前途的有机废水处理装置。然而，由于有机底物(如淀粉)以固态形式储存于废弃物中，导致利用高淀粉固态废弃物(如废弃面包)进行mfc的产电时间长、效率低，需要通过液化预处理来提高有机底物的转化率。此外，有机底物多以大分子形式(淀粉)存在，需要被水解成小分子物质(葡萄糖)才能被产电菌直接利用。因此，液化和水解被认为是高淀粉固态废弃物微生物燃料电池产电的限速步骤。

技术实现要素：

根据上述不足之处，本发明提供利用废弃面包结合酶水解和微生物燃料电池进行产电的方法。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的利用高淀粉固态废弃物结合酶水解和微生物燃料电池进行产电的方法，其步骤如下：

步骤(1)高淀粉固态废弃物的预处理

通过研磨机将高淀粉固态废弃物打碎成粒径小于1.0mm的细小颗粒，储存于常温下。

所述的高淀粉固态废弃物可以是废弃面包、米饭；

步骤(2)微生物的制备

将接种污泥过筛，除去废弃材料，获得小于0.5mm的污泥，然后静止于常温下10-20天。

所述的接种污泥为新调试条件下的外来活性污泥，由好氧变换为厌氧状态。进一步优选，所述的污泥来源于污水处理厂污泥厌氧消化池，污泥挥发性悬浮固体浓度为5.6g/l,ph为7.2。

步骤(3)水解高淀粉固态废弃物获得水解产物

将步骤(1)预处理后高淀粉固态废弃物颗粒加入到带有搅拌装置的反应容器中，加入一定量的蒸馏水和淀粉酶，密封后置于水浴摇床上进行水解反应；其中高淀粉固态废弃物颗粒与蒸馏水的质量体积比为100～400g：1l，高淀粉固态废弃物颗粒与淀粉酶的质量比为100～500:1；水解过程中每隔一段时间测定葡萄糖产量。水解完毕后，将获得的初级水解产物在4-7℃，8000-10000rpm条件下进行离心，过滤后得到最终高淀粉固态废弃物水解产物。

作为优选，所述的淀粉酶活性为2000u/g。

所述的水解反应条件为55℃，搅拌速度为500rpm，水解时间为5h。

所述的测定葡萄糖过程中，需先对样品进行离心，离心条件为4-7℃，8000-10000rpm。

步骤(4)将高淀粉固态废弃物水解产物用于微生物燃料电池产电

组装双室微生物燃料电池，利用铜导线连接电极，阴阳两极室用质子交换膜相隔，设置外电路电阻为800～1200ω。向阳极室中加入经步骤(2)预处理的污泥、营养液及步骤(3)高淀粉固态废弃物水解产物。阴极加入硝酸银溶液。营养液的作用是为了维持污泥中产电微生物活性。

所述的营养液为(g/l)：nahco33.13、kcl0.13、nah2po46.338、na2hpo46.8556、mgso4·7h2o0.2、cacl20.015、mnso4·7h2o0.02、nh4cl0.31。

作为优选，外电路电阻为1000ω。

污泥、营养液与高淀粉固态废弃物水解产物的的体积质量比为200～300ml:15.3g:0.9g。

本发明的有益效果是：本发明不仅能加快高淀粉固态废弃物的水解、液化速度，还能提高淀粉的转化率和产电效率。这种技术可应用于将含高淀粉的原料转化为生物燃料生产的工艺中，并且可以有效地降低生物燃料生产的成本。

附图说明

图1为利用废弃面包结合酶水解和微生物燃料电池进行电力生产工艺中的原理图及物料平衡关系图；

图2为废弃面包水解过程中葡萄糖产量变化图；

图3为利用废弃面包的mfc中葡萄糖的消耗与电压变化的关系图；

图4为利用废弃面包的mfc中电压与电流密度关系图；

图5为利用废弃面包的mfc中功率密度与电流密度关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。

下面实施例所采用的双室微生物燃料电池两极室均为直径12cm的圆筒形，每室容积为800ml，长14cm；采用的电极材料为碳纸，表面积为22.31cm²。

实施例1.

如图1，将收集到的废弃面包撕碎，用研磨机打碎成粒径小于1mm的细小颗粒，称取100g加入到容积为1l的干燥玻璃瓶中向瓶中加入一颗长8cm的转子，添加蒸馏水至总体积达到1l，加入商业淀粉酶1g。用乙烯基覆盖瓶口密封，表面留一孔径为1cm的圆孔作为取样口。设定搅拌速度为500rpm，温度为55℃进行水解反应。每隔15min取一次样，每次取5ml，用于葡萄糖产量测定。水解过程结束后，将初级水解产物在转速为10000rpm和温度为4℃条件下进行离心，取离心后的上清液，使其通过11μm的滤纸，得到最终的废弃面包水解产物。组装微生物燃料电池，取上述废弃面包水解产物36.6ml加入到mfc阳极室中，作为阳极底物。用向阳极室中加入经预处理的接种污泥和营养液，添加去离子水至800ml。阴极以ag⁺为电子受体，利用万用表在线监测电压，每隔5分钟记录一次数据。每隔30min从阳极取一次样，测定葡萄糖浓度变化。

所述的微生物燃料电池为双室微生物燃料电池，阳极室用橡胶塞密封以保证厌氧条件，阴极室保持开放，阴阳两极室由质子交换膜相隔，所用电极为碳纸电极。

所述的接种污泥取自于某污水处理厂的厌氧污泥，经0.5mm的网筛过滤，在常温下静置10d。挥发性悬浮固体浓度为5.6g/l，ph为7.2。

由附图2得出，可观察到通过水解，葡萄糖逐渐从废弃面包中释放出来，且浓度随时间的增加而增加。在水解过程中，葡萄糖浓度在5h后达到最高值21.9g/l。图3显示了利用废弃面包水解液的mfc在产电过程中，葡萄糖的消耗情况。

由附图3得出，随着葡萄糖的消耗，电压呈现逐渐上升的趋势。本实施例中获得的最大电压为0.386v，每克废弃面包可产生90.89mv电压。

电流密度及功率密度计算方法：

根据欧姆定律(i＝v/r)计算电流(i，a)，其中，v(v)为测得的电压数值，r(ω)为外电路电阻。

功率密度(p，mw/m²)，p＝(1000iv)/a，其中，1000为v至mv的单位转化，a(m²)为阴极表面积。

计算得出结果，绘制成极化曲线和功率密度曲线，结果如附图4和5所示。

由附图4和5得出，通过改变外电路电阻(10～9999ω)得到极化曲线，用以描述和评估利用废弃面包的mfc的产电特性(如图5所示)。当外电阻为1090ω时，功率密度达到峰值29.96mw/m²。

实施例2.

将收集到的米饭用研磨机打碎成粒径小于1mm的细小颗粒，称取400g加入到容积为1l的干燥玻璃瓶中向瓶中加入一颗长8cm的转子，添加蒸馏水至总体积达到1l，加入商业淀粉酶1.25g。用乙烯基覆盖瓶口密封，表面留一孔径为1cm的圆孔作为取样口。设定搅拌速度为500rpm，温度为55℃进行水解反应。每隔15min取一次样，每次取5ml，用于葡萄糖产量测定。水解过程结束后，将初级水解产物在转速为8000rpm和温度为7℃条件下进行离心，取离心后的上清液，使其通过11μm的滤纸，得到最终的米饭水解产物。组装微生物燃料电池，取上述米饭水解产物34.2ml加入到mfc阳极室中，作为阳极底物。用向阳极室中加入经预处理的接种污泥和营养液，添加去离子水至800ml。阴极以ag⁺为电子受体，利用万用表在线监测电压，每隔5分钟记录一次数据。每隔30min从阳极取一次样，测定葡萄糖浓度变化。

所述的微生物燃料电池为双室微生物燃料电池，阳极室用橡胶塞密封以保证厌氧条件，阴极室保持开放，阴阳两极室由质子交换膜相隔，所用电极为碳纸电极。

所述的接种污泥取自于某污水处理厂的厌氧污泥，经0.5mm的网筛过滤，在常温下静置10d。挥发性悬浮固体浓度为5.6g/l，ph为7.2。

通过水解，葡萄糖逐渐从米饭中释放出来，且浓度随时间的增加而增加。随着葡萄糖的消耗，电压呈现逐渐上升的趋势。本实施例中获得的最大电压为0.393v，每克米饭可产生91.34mv电压。

上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。