申请日2009.07.17
公开(公告)日2009.12.23
IPC分类号H01M8/16; C02F11/00
摘要
本发明公开了一种微生物电池装置及城市污泥的处置方法。所述微生物燃料电池包括阳极室、阴极室、阳极、阴极和导线，所述阳极室和阴极室采用隔离材料隔离，阳极室设有污泥进出口注入和排出污泥;阳极设于阳极室底部被污泥掩埋;污泥沉降后产生的上清液进入阴极室，阴极下表面紧贴于上清液液面，阴极涂催化剂的上表面与空气接触;以导线连接阴、阳两极形成回路。本发明同时提供了利用所属微生物燃料电池处置污泥的方法。作为污泥处置的新途径，本发明可以解决目前污泥处置技术存在的不足，并有效拓展微生物燃料电池的应用领域，适应了当前环保形势的需要。
权利要求书
1、一种城市污泥的处置方法，其特征在于采用微生物燃料电池 技术处置污泥，所述微生物燃料电池采用隔离材料分隔为阳极室与阴 极室，城市污泥注入阳极室作为微生物燃料电池的燃料，城市污泥沉 降产生的上清液渗过隔离材料进入阴极室，阴极被动曝气供氧;以导 线分别从阳极室的阳极与阴极室的阴极引出连接外电阻构成回路消 耗污泥有机物产生电能。
2、根据权利要求1所述城市污泥的处置方法，其特征在于包括 以下步骤：
(1)待处理污泥自然沉降产生上清液;
(2)将阳极埋于污泥中;将阴极安装于上清液液面上，阴极的 下表面与上清液液面紧贴，阴极涂催化剂的上表面与空气接触;
(3)以导线连接微生物燃料电池的阳极和阴极，接通外电路， 构成微生物燃料电池单体，进行产电微生物驯化;微生物驯化完毕后 进行重复的污泥处置与产电操作。
3、根据权利要求2所述城市污泥的处置方法，其特征在于还包 括以下步骤：将至少两个所述的微生物燃料电池单体堆置而成微生物 燃料电池堆后再进行产电微生物驯化;微生物驯化完毕后进行重复的 污泥处置与产电操作。
4、根据权利要求2所述城市污泥的处置方法，其特征在于步骤 (1)所述污泥和上清液之间采用隔离材料隔离。
5、一种实现权利要求1或2所述方法的微生物电池装置，其特 征在于包括阳极室、阳极、隔离材料、阴极和导线，阳极室设有污泥 进出口;所述阳极室内注入待处理污泥，阳极埋于污泥中;阴极一面 紧贴于污泥沉降后产生的上清液液面，阴极涂催化剂的另一面与空气 接触;以导线连接阴、阳两极形成回路。
6、根据权利要求5所述的微生物电池装置，其特征在于所述隔 离材料平行于阳极室底面。
7、根据权利要求5所述的微生物电池装置，其特征在于所述隔 离材料为滤网、纱网、网格布或尼龙布，所述隔离材料的网格孔径为 100～300目。
8、根据权利要求5所述的微生物电池装置，其特征在于所述阳 极材料为碳毡、石墨颗粒或碳纤维刷;所述阴极为附载催化剂的碳布、 碳纸或碳毡;所述催化剂为铂、热解酞菁亚铁、四甲氧基苯基钴卟啉 或二氧化锰。
9、一种实现权利要求3所述方法的微生物电池装置，其特征在 于由至少两个微生物燃料电池单体堆置而成，单体间不相通，每一单 体单独进出料;每一单体的阴、阳极由导线分别引出，首尾相接进行 串联或并联连接;首个单体阳极或阴极与末尾单体阴极或阳极引出的 导线接外阻构成外电路。
10、根据权利要求9所述的微生物电池装置，其特征在于是将一 容器用隔板分成若干竖向平行的小室，每一小室构成一个微生物燃料 电池单体。
说明书
一种微生物电池装置及城市污泥的处置方法
技术领域
本发明属于环境与新能源技术领域，具体涉及一种微生物电池装 置及采用所述装置处置城市污泥的方法。
背景技术
城市污泥是城市污水处理过程中必然产生的沉淀物。目前，我国 城市污泥年产生量已达800万吨干重，并且以每年10～15%的速度递 增。这些污泥多数被简单堆填或随意弃置，大大抵消了污水处理厂净 化环境的功效，严重制约了污水处理事业的健康发展。污泥的不规范 处置已成为当今城市环境的新隐患，如何妥善处置这些数量日益庞 大、高度集中的有机固体废弃物，是污水处理厂最头痛的问题之一。 一般来说，污泥处理与处置费用约占污水处理总费用的30～40%。
现有的污泥处置方式主要有：1)填埋;2)焚烧;3)堆肥化;4) 土地利用。其中，填埋完全将污泥当成废弃物来处置，未发挥其资源 化价值;焚烧法设备要求高、投资与运行成本高，存在二次污染风险; 堆肥化占地面积大、产品附加值较低;而污泥的直接农业利用存在重 金属或病原体等二次污染问题。因此，现有污泥处置方式都存在自身 难以克服的缺陷，而且也不能满足当前的实际需要，随着污水处理量 的提高，迫切需要寻找新的污泥资源化处置出路。
在当今世界化石燃料耗竭与全球气候变暖问题日益严峻的形势 下，废弃生物质(如城市污泥、禽畜粪便、农作物秸杆、高浓度有机 废水)的能源化技术将具有广阔前景。微生物燃料电池(MFC)是将 有机物中的化学能直接转化为电能的发电装置，具有发电与废弃物处 置双重功效。与传统的厌氧产沼气技术相比，MFC直接从废弃物中 可持续地提取电能，避免了能量二次转化与气体储存的需要，且在产 电的同时可有效去除有机物，因此是一项发展潜力巨大的先进生物质 能利用技术，有望成为未来有机废物处理的支柱性技术。
MFC的基本原理为：有机物作为燃料在厌氧阳极室中被微生物 氧化，产生的电子被微生物捕获并传递给电池阳极，电子通过外电路 到达阴极，从而形成回路产生电流，而质子通过交换膜到达阴极，与 氧反应生成水。现有的微生物燃料电池一般结构为：阴、阳极两室， 中间由隔膜分开，阳极室保持厌氧状态，阴极室采用通气方式供氧。
城市污泥中有机物含量高(一般可达40～50%)，蕴含着巨大的 生物质能，若能实现将污泥作为MFC的燃料进行微生物发电，可在 获得电能的同时有效进行污泥处置。通过对现有技术报道和公开的专 利检索发现，目前为止，还未见MFC用于处理城市污泥的技术报道。
如果将现有的传统MFC电池直接应用于实际城市污泥处置存在 着很大的技术难题和瓶颈：1)传统MFC电池普遍采用的质子交换膜 价格昂贵，成本过高;2)污泥中悬浮颗粒有机物含量高，易堵塞传 统MFC电池隔膜空隙;3)阴极氧还原反应需要持续通气供氧，使得 供氧耗能超过产出电能，MFC无法实现自我维持运行;4)传统MFC 电池结构较复杂，不利于实际应用;5)现有MFC电池单体的输出电 压或电流远远不能满足实际应用，推广的意义不大。上述技术瓶颈阻 碍了MFC这一先进生物质能利用技术在城市污泥处理方面的应用和 推广。
因此，要实现利用MFC进行城市污泥微生物产电处理的应用， 必须解决以下技术瓶颈：1)寻找合适低成本隔膜材料解决方案，从 而大幅度降低MFC造价;2)改变设计理念和现有技术方案，寻求简 洁并适用于污泥的MFC构造;3)提升MFC电压。经公开的技术文 献和专利检索，尚未发现将城市污泥作为燃料进行处置的技术报道， 也没有以城市污泥为燃料的新型低成本MFC电池的相关技术报道。
发明内容
本发明的一个目的在于克服现有的微生物燃料电池结构缺陷和 运行方式不利于利用污泥作为燃料以及成本高的缺点，提供一种可以 城市污泥为燃料的新型低成本微生物燃料电池装置。
本发明另一个目的是在上述装置的基础上进行进一步改进和扩 展，即提供一种微生物燃料电池堆装置，所述电池堆以污泥作为燃料， 具有结构紧凑、输出功率密度高、易扩展放大等优点，弥补本发明所 述微生物燃料电池上述装置输出电压不够高的不足，有效提升MFC 电压。
本发明的还有一个目的是提供一种新的城市污泥的处置方法，即 利用微生物燃料电池技术处置污泥同时产生清洁电能。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
提供一种微生物电池装置，包括阳极室、阴极室、阳极、阴极和 导线，所述阳极室和阴极室采用隔离材料隔离，阳极室设有污泥进出 口注入和排出污泥;阳极设于阳极室底部被污泥掩埋;污泥沉降后产 生的上清液进入阴极室，阴极下表面紧贴于上清液液面，阴极涂催化 剂的上表面与空气接触;以导线连接阴、阳两极形成回路。
如果所述污泥和上清液是置于一个容器之中的话，可采用隔离材 料隔离污泥和上清液同时形成阳极室和阴极室。污泥沉降后产生的上 清液渗过隔离材料进入阴极室。
所述隔离材料为网状材料，网格材料的孔径为100～300目，优 选200目，类似尼龙布的难以生物降解的网状材料均可，优选滤网、 滤布，目的是拦住沉泥，不让其上浮。本发明不使用质子交换膜、阴 离子或阳离子交换膜、纳滤膜等较精密的、价格昂贵的膜材料，优选 采用工业中常见的低成本网格布材料，防止污泥膨胀引起的上浮，而 且大大降低成本。
本发明所述的微生物燃料电池结构优选方案：设一敞口容器，由 隔离材料隔为上、下两部分空间，下面部分空间为阳极室，设有污泥 进出口，注入城市污泥;上面部分空间为阴极室，城市污泥自然沉降 后产生的上清液渗过隔离材料进入阴极室;阳极埋于城市污泥之中; 阴极一面紧贴于上清液液面，阴极另一面涂有催化剂，与空气接触; 以导线连接阴、阳两极形成回路。
所述隔离材料最好平行于阳极室底面。
所述阳极选用大比表面积导电材料，可参照现有技术选用，例如 碳毡、石墨颗粒、碳纤维刷等。本发明优选碳毡。所述阴极材料可选 用碳布、碳纸或碳毡等，优选碳毡，其上附载催化剂，催化剂按照现 有常规技术选用，例如铂、热解酞菁亚铁(pyr-FePc)、四甲氧基苯基 钴卟啉(CoTMPP)或二氧化锰。
所述阴极的制备方法，可参照现有常规技术，例如，称取碳载铂 粉末、pyr-FePc或CoTMPP加入适量异丙醇分散剂，然后加入适量 Nafion溶液搅成糊状，超声分散超声分散后均匀涂敷于碳毡，真空 干燥即得载催化剂阴极;或者，按65∶20∶15分别称取碳粉、二氧 化锰粉末和粘结剂PVDF，加入适量分散剂N-甲基吡硌烷酮，超声分 散后均匀涂敷于干燥碳毡，真空干燥得到载催化剂阴极。也可以参照 公开号为CN101355170的专利申请中所涉及的制备方法。
阳极室中加入待处理污泥，接通外电路，进行产电微生物驯化; 待阳极微生物驯化完毕，形成成熟、稳定的生物膜时，可进行重复的 污泥处置与产电操作。每周期中，待电压降至50mV以下时由容器下 方进、出口更换污泥，进入下一周期。污泥经MFC产电消耗后，COD 得到有效去除。
将上述电池作为一种单体，本发明还提供了一种单体的组合应用 方案，可应用于城市污泥处理，并有效提升MFC电压。所述组合的 技术方案是由至少两个所述的电池单体堆置而成，每一单体的阴、阳 极由导线分别引出，首尾相接进行串联或并联连接;单体间不相通， 每一单体单独进出料;首个单体阳极或阴极与末尾单体阴极或阳极引 出的导线接外阻构成外电路。
作为一种典型的技术方案，本发明将一容器用隔板分成若干竖向 平行的小室，每一小室的结构包括阳极室、阳极、隔离材料、阴极和 导线，阳极室设有污泥进出口;城市污泥注入阳极室，城市污泥沉降 后产生的上清液进入阴极室;阳极埋于城市污泥之中;阴极紧贴于上 清液水面处，其下表面与水接触，上表面涂催化剂，与空气接触;每 一小室的阴、阳极由导线分别引出，首尾相接进行串联或并联连接; 每一小室间不相通，单独进出料;首个小室阳极或阴极与末尾小室阴 极或阳极引出的导线接外阻形成回路构成外电路。所述电池堆具有结 构紧凑、输出功率密度高、易扩展放大等优点，克服本发明所属微生 物电池输出电压不够高的不足，有效提升MFC电压。
本发明同时提供了城市污泥的处置方法，采用所述微生物燃料电 池处置污泥，污泥注入阳极室作为微生物燃料电池的燃料，以导线 分别从阳极室的阳极与阴极室的阴极引出连接外电阻构成回路，消耗 污泥有机物化学能产生清洁电能并最终降低污泥的COD值。
或者采用所述微生物燃料电池堆处置污泥，污泥分别注入每一个 电池装置的阳极室作为燃料，微生物电池堆消耗污泥有机物产生电 能。
所述城市污泥的处置方法具体包括以下步骤：
(1)待处理污泥自然沉降产生上清液;
(2)将阳极埋于污泥中;将阴极安装于上清液液面上，阴极的 下表面与上清液液面紧贴，阴极涂催化剂的上表面与空气接触;
(3)以导线连接微生物燃料电池的阳极和阴极，接通外电路， 构成微生物燃料电池单体，进行产电微生物驯化;微生物驯化完毕后 进行重复的污泥处置与产电操作。
本发明的有益效果是：
(1)本发明克服传统污泥处置方法的不足，包括资源浪费、运 行成本高、二次污染等技术难题，提供了一种新的污泥处置方法，以 污泥作为燃料，使污泥COD有效降低，处置污泥的同时产生清洁电 能;本发明提供的微生物燃料电池，可充分利用污泥中有用成分，处 置废物同时产生电能，占地面积小，环境友好，符合清洁能源发展的 要求。
(2)本发明以廉价易得的网格布分隔阳极室与阴极室，阴极采 用被动曝气供氧，构建的微生物燃料电池成本较传统MFC大幅降低， 适宜污泥处理方面的应用。本发明无需通气耗能、维护简便;结构简 洁、紧凑，易扩展放大且不增加占地面积;造价较低，输出功率密度 高、COD去除效果好，适合工业推广应用，有利于扩展MFC的应用 领域。
综上所述，本发明提供了一种新的污泥处置方法，将污泥作为燃 料产生清洁电能的同时达到处置污泥的效果，同时提供了一种可以城 市污泥为燃料的新型低成本微生物燃料电池装置，作为污泥处置新的 技术方案，可以解决目前污泥处置和微生物燃料电池技术存在的不 足，具有广阔应用前景，适应了当前环保形势的需要。