申请日2011.12.27
公开(公告)日2012.07.11
IPC分类号H01M8/16; C02F11/02; C02F11/00
摘要
本发明属于微生物燃料电池领域，提供了一种酶强化以剩余污泥为燃料的MFC产电性能及强化污泥减量化的方法，在剩余污泥中加入200mM NaCl增强溶液的导电性，并加入中性蛋白酶和α-淀粉酶，直接利用剩余污泥中的产电微生物进行产电，1天就能启动MFC并且获得较高的电能，在40℃时酶对SMFC的强化效果最明显。在酶的总浓度不变的情况下，其酶的质量浓度比例为2∶3时功率密度最大(776mW·m-2)，TCOD、TSS、VSS的去除率最大，分别达到87.29%、91.75%、95.01%。这是一种启动快、工艺简单、操作方便、成本很低的处理城市生活污水处理厂的剩余污泥方法。
权利要求书
1.一种酶强化以剩余污泥为燃料的MFC产电性能及强化污泥减 量化的方法，其特征是，所述剩余污泥中的总化学需氧量为9000mg/L -13000mg/L，在剩余污泥中加入NaCl增强导电性，并加入中性蛋白 酶和α-淀粉酶提高MFC产电性能，加入中性蛋白酶和α-淀粉酶后的 剩余污泥微生物燃料电池的运行温度为40℃-50℃;
所述NaCl的加入量为每升剩余污泥中加入180mmol-220mmol NaCl;
所述中性蛋白酶和α-淀粉酶的加入量为剩余污泥中每1000mg 总化学需氧量加入8mg-12mg中性蛋白酶和α-淀粉酶，其中中性蛋 白酶与α-淀粉酶的质量比为1∶1-4。
2.根据权利要求1所述酶强化以剩余污泥为燃料的MFC产电性 能及强化污泥减量化的方法，其特征是，所述剩余污泥中的总化学需 氧量为10000mg/L。
3.根据权利要求1所述酶强化以剩余污泥为燃料的MFC产电性 能及强化污泥减量化的方法，其特征是，所述NaCl的加入量为每升 剩余污泥中加入200mmol NaCl。
4.根据权利要求1所述酶强化以剩余污泥为燃料的MFC产电性 能及强化污泥减量化的方法，其特征是，所述中性蛋白酶和α-淀粉酶 的加入量为剩余污泥中每1000mg总化学需氧量加入10mg中性蛋白 酶和α-淀粉酶。
5.根据权利要求1所述酶强化以剩余污泥为燃料的MFC产电性 能及强化污泥减量化的方法，其特征是，所述中性蛋白酶与α-淀粉酶 的质量比为2∶3。
6.根据权利要求1所述酶强化以剩余污泥为燃料的MFC产电性 能及强化污泥减量化的方法，其特征是，所述加入中性蛋白酶和α- 淀粉酶后的剩余污泥微生物燃料电池的运行温度为40℃。
说明书
酶强化以剩余污泥为燃料的MFC产电性能及强化污泥减量化的方法
技术领域
本技术涉及微生物燃料电池(microbial fuel cell，MFC)领域，具 体涉及以剩余污泥为燃料的微生物燃料电池(sludge microbial fuel cell，SMFC)，是在SMFC中加入酶强化其产电性能以及强化污泥减 量化。
背景技术
目前，我国污泥产生量约为2500万吨/年(按含水率80%计算)。 若不及时进行妥善的处理与处置，污泥中的有害成分如重金属、病原 菌、寄生虫、有机污染物及臭气将成为影响城市环境卫生的公害。目 前污泥处置的一般方法包括填埋、焚烧、投海等，这些方法不仅要投 入大量资金(污泥处理方面的投资可占整个污水处理厂总运行费用的 50%-70%)，而且如果处理不好还会带来严重的二次污染。
微生物燃料电池(microbial fuel cell，MFC)是一种利用微生物将 有机物中的化学能直接转化成电能的装置。，是在酶燃料电池基础上， 伴随微生物、电化学及材料等学科的发展而发展起来的。其原理为燃 料于阳极室在微生物的催化作用下被氧化，产生的电子通过外电路传 递到阴极与电子受体结合，从而在外电路形成电流。
用MFC处理城市生活污水处理厂的剩余污泥是近几年发展起来 的新技术，科研工作者在这方面进行了大量的研究。如申请号为 201010203582的专利申请提供了一种微生物燃料电池及其提高微生 物燃料电池产电性能的方法。在燃料中添加有生物溶剂吐温，吐温的 加入量为5-80mg/L。该方法起到了一定的效果，但是加入了 溶剂，成本高。
城市生活污水处理厂的剩余污泥的主要成分是碳水化合物和蛋 白质，而微生物不能直接利用这些大分子的有机物，只有在碳水化合 物和蛋白质水解成小分子的糖类和氨基酸时才能被微生物吸收利用。 在自然情况下这些大分子物质的水解速率很慢，限制了微生物燃料电 池中的产电特性以及污泥减量化的效果。
发明内容
本发明要解决的问题是要提供一种启动快、工艺简单、操作方便、 成本低的酶强化以剩余污泥为燃料的MFC产电性能及强化污泥减量 化的方法，该方法处理了城市生活污水处理厂的剩余污泥，强化污泥 减量化的同时提高了MFC的产电特性能。该方法在处理污泥的同时 回收清洁能源，不仅处理了废物，而且充分有效的利用了资源。
本发明的理论基础是：酶作为催化剂具有催化效果好，条件温和 的特点。中性蛋白酶能催化蛋白质水解为胨、肽或氨基酸，α-淀粉酶 能催化淀粉水解为小分子的多糖甚至单糖。利用酶的强化可以加快碳 水化合物和蛋白质的水解，提高电池中小分子的糖类和氨基酸的浓 度，提升剩余污泥微生物燃料电池的运行效果。
本发明的技术方案是：
一种酶强化以剩余污泥为燃料的MFC产电性能及强化污泥减量 化的方法，所述剩余污泥中的总化学需氧量(TCOD)为10000mg/L， 在剩余污泥中加入NaCl增强导电性，并加入中性蛋白酶和α-淀粉酶 提高MFC产电性能，加入中性蛋白酶和α-淀粉酶后的剩余污泥微生 物燃料电池的运行温度为40℃-50℃;
所述NaCl的加入量为每升剩余污泥中加入180mmol-220mmol NaCl;
所述中性蛋白酶和α-淀粉酶的加入量为剩余污泥中每1000mg 总化学需氧量(TCOD)加入8mg-12mg中性蛋白酶和α-淀粉酶， 其中中性蛋白酶与α-淀粉酶的质量比为1∶1-4。
所述剩余污泥中的总化学需氧量(TCOD)优选为10000mg/L。
所述NaCl的加入量优选为每升剩余污泥中加入200mmol NaCl。
所述中性蛋白酶和α-淀粉酶的加入量优选为剩余污泥中每1000 mg总化学需氧量加入10mg中性蛋白酶和α-淀粉酶。
所述中性蛋白酶与α-淀粉酶的质量比优选为2∶3。
所述加入中性蛋白酶和α-淀粉酶后的剩余污泥微生物燃料电池 的运行温度优选为40℃。
下面对本发明做进一步的解释和说明：
本发明利用城市生活污水处理厂的剩余污泥作为MFC的燃料， 加入200mM NaCl(每升剩余污泥中加入200mmol NaCl)增强溶液 的导电性，并加入中性蛋白酶和α-淀粉酶，1天就能启动MFC并且 获得较高的电能。将SMFC的温度恒定在40℃时酶的强化效果最显 著。当中性蛋白酶与α-淀粉酶的浓度比例为2∶3时，可以获得最大的 功率密度为776mW·m-2。其TCOD、TSS、VSS的去除率最大，分 别达到87.29%、91.75%、95.01%，强化污泥减量化的同时提高了MFC 的产电特性能。
本发明所述的MFC是现有单室MFC装置，单室MFC可以省去 质子交换膜，不仅可以降低成本，由于没有质子交换膜还大大降低了 燃料电池的内阻，提高MFC的功率密度。实施例中所用的MFC装 置是按照现有设备组装的一个简单的单室的MFC装置，具体结构见 图1。本发明为了提高阳极微生物可利用的小分子的糖类和氨基酸等 物质，在MFC中加入中性蛋白酶和α-淀粉酶催化碳水化合物和蛋白 质水解。阴极为空气阴极，利用空气中的氧气作为电子受体，简化了 MFC的结构，降低装置的成本。为了增加MFC的导电性能，在剩余 污泥中加入NaCl，提高MFC中的离子浓度。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明处理了城市生活污水处理厂的剩余污泥，提高剩 余污泥的利用率，以其他方法(焚烧、堆肥、投海、填 埋)相比节约了费用，处理过程中不会产生二次污染。
2、本发明的方法1天就能启动MFC并且获得较高的电 能，获得的功率密度可达到776mW·m-2。其中剩余污 泥中TCOD、TSS、VSS的去除率最大，分别达到 87.29%、91.75%、95.01%，强化污泥减量化。
3、本发明的方法在处理污泥的同时回收清洁能源，不仅处 理了废物，而且充分有效的利用了资源。