申请日2020.01.21
公开(公告)日2020.05.19
IPC分类号C02F11/00; C02F11/04
摘要
本发明公开了一种污泥MFC‑厌氧消化耦合系统，其特征在于，所述污泥MFC‑厌氧消化耦合系统包括密闭的厌氧阳极室和曝气的阴极室，阳极室和阴极室通过连通管道连接，连通管道内设置有质子交换膜，阳极室的碳毡阳极和阴极室内的碳毡阴极通过鳄鱼夹导线连接，阳极和阴极之间设置有外电阻，阳极盖面上设有圆孔连接集气袋，用于收集阳极厌氧污泥发酵产生的甲烷气体。本发明进一步提出了强化上述污泥MFC‑厌氧消化耦合系统性能的方法，向污泥MFC‑厌氧消化耦合系统的阳极厌氧污泥中投加废铁屑得到含铁污泥，以含铁污泥作为阳极底物驯化阳极厌氧污泥中的产电菌及厌氧消化菌。
权利要求书
1.一种污泥MFC-厌氧消化耦合系统，其特征在于，所述污泥MFC-厌氧消化耦合系统包括密闭的厌氧阳极室和曝气的阴极室，阳极室和阴极室通过连通管道连接，连通管道内设置有质子交换膜，阳极室的碳毡阳极和阴极室内的碳毡阴极通过鳄鱼夹导线连接，阳极和阴极之间设置有外电阻，阳极盖面上设有圆孔连接集气袋，用于收集阳极厌氧污泥发酵产生的甲烷气体。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述污泥MFC-厌氧消化耦合系统的反应器构型的大小为12cm×12cm×18cm;阴极碳毡、阳极碳毡的尺寸大小为4cm×5cm×0.3cm;所述质子交换膜的大小为10cm2;所述外电阻大小为1000Ω;所述阳极盖面圆孔直径为1cm。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在阳极加入营养液以培养驯化产电菌及厌氧消化菌，其中，所述营养液按每升去离子水计包含如下组分：3.13g NaHCO3、0.13g KCl、4.22g NaH2PO4、2.75g Na2HPO4、0.56g(NH4)2SO4、0.2g MgSO4·7H2O、2mg H3BO3、2mg FeCl2·4H2O、2mg EDTA、0.4mg ZnCl2·4H2O、0.8mg MnCl2·4H2O、0.2mg CuCl2·2H2O、1.1mg(NH4)6MO7·4H2O、1mg NiCl2·6H2O。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，阴极碳毡、阳极碳毡使用前需经过马弗炉在320-350℃加热20-30min。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的质子交换膜在使用前，先置于20-30℃质量百分浓度为0.5-1%的无水乙醇溶液中浸泡1-2h，冲洗后放入70-80℃质量百分浓度为5-10%的双氧水溶液中浸泡2-3h，最后用超纯水洗涤3-5次后备用。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的阳极污泥为污水处理厂A2/O工艺的剩余污泥和和河道底部厌氧污泥的混合物，污泥取回后经过20-30小时静置沉淀，刮除上部分浮渣及不明杂质，并置于10-20℃条件下保存备用，进料前试验污泥再经筛孔尺寸为0.18mm的筛网去除杂质，沉淀浓缩。
7.一种强化权利要求1-6任一项所述的污泥MFC-厌氧消化耦合系统性能的方法，其特征在于，向污泥MFC-厌氧消化耦合系统的阳极厌氧污泥中投加废铁屑或零价铁得到含铁污泥，以含铁污泥作为阳极底物驯化阳极厌氧污泥中的产电菌及厌氧消化菌。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述废铁屑的投加量为0.5-20g/L。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，向污泥中分别投加相应剂量的废铁屑后，利用氮吹装置向反应器中吹入氮气30-60秒钟，确保反应器中的空气全部被排出，后迅速盖紧有机玻璃盖子，使试验各组装置保持在密闭厌氧的条件下进行。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述阳极室底部配有磁力搅拌装置，装置在运行期间始终保持500-800rpm的速度搅拌，以保证阳极电解液混合均匀并使废铁屑不会大量吸附在磁力搅拌器的旋转转子上;反应器的阴极室曝空气，为阴极反应提供O2作为电子受体。
说明书
一种污泥MFC-厌氧消化耦合系统及其性能强化方法
技术领域
本发明公开了一种污泥MFC-厌氧消化耦合系统及其性能提高方法，属于新能源与环境工程技术领域。
背景技术
MFC(微生物燃料电池)是利用微生物的催化作用，对废水中的有机物进行降解，将有机物的化学能直接转化成电能的一种装置。以常见的MFC为例，在阳极室，微生物(尤其是附着在电极表面上的微生物)对有机物进行厌氧氧化并降解，产生H+、电子和CO2;微生物细胞内的电子通过一系列的呼吸酶传递给细胞外的某些蛋白质(如C型胞外细胞色素)，在通过不同的胞外电子传递方式传递到阳极表面;电子由外电路传递到阴极，H+跨过质子交换膜传递到阴极;在阴极表面，电子、H+和O2发生还原反应，完成整个氧化还原过程。
研究表明，MFC的产电性能很大程度上取决于阳极生物膜上富集的产电菌的数量，而大多数的阳极产电菌属于铁还原菌(IRB)，进一步研究发现，向MFC体系中投加Fe(III)氧化物可以富集这些产电菌，提高电池的产电性能。例如，Fe(OH)3的投加可以促使微生物Fe(III)还原过程中VFA的直接矿化，有利于富集阳极产电菌，改善阳极的氧化过程，提高MFC的产电特性。此外有学者指出，在MFC启动阶段，Fe(III)的加入强化了Shewanellaoneidensis MR-1的发电，加入Fe(III)的最大功率密度可达到158.1mW/m2，而未加入Fe(III)的最大功率密度仅为73.9mW/m2，且Fe(III)对MFC的电压影响很大，表现为Fe(III)浓度越高，电压越高。
而铁亦可以增强厌氧环境的氛围，从而提高厌氧发酵的性能。进一步研究发现，Fe0具有一定的还原性，不仅可以降低厌氧消化系统中的氧化还原电位，作为产甲烷菌的电子供体，而且还可以缓冲酸性环境带来的不利影响。进一步探究其反应机理，铁添加剂的投入可以从两个方面增加甲烷的产量。一方面，一些大分子、长链的有机酸不能被产甲烷菌直接利用，而需要被乙酸菌分解成乙酸盐后才能被产甲烷菌摄取和吸收，而铁的存在则可以增加产乙酸的含量，为产甲烷菌提供更多合适的底物基质，进而增加甲烷产气量;另一方面，铁可以直接作为电子供体，通过甲烷自养菌将CO2还原成CH4，直接提高了甲烷的产量，主要的反应如下：
CO2+4Fe0+8H+=CH4+4Fe2++2H2O
CO2+4H2=CH4+2H2O
公开号为CN 102208661 A的中国专利提供了一种碳材料的表面修饰方法及其在MFC中的应用，具体制备方法是利用强氧化性的金属酸根盐(如重铬酸钾等)对碳材料进行表面修饰处理，改变碳材料表面特性，制备得到MFC阴极并将其应用于MFC。该方法所利用的强氧化性的金属酸根盐对环境污染较大，改性后对MFC的作用不明显。公开号CN 102881906A的中国专利提供了一种碳基材料的修饰方法及其在MFC中的应用，具体制备方法是利用强还原性的水合肼对碳基材料进行表面处理，改变碳基材料表面特性，制备得到MFC阳极并将其应用于MFC。该方法所涉及到的改性物质肼具有一定的毒害性，长期暴露在空气中或短时间受高温作用会爆炸分解，而且能能强烈侵蚀皮肤，对眼睛、肝脏有损害作用，对于环境、人体以及微生物有一定的危险隐患。公开号CN 107522375 A的中国专利提供了一种零价铁和活性炭强化剩余污泥厌氧消化产甲烷的方法，具体制备方法是现将剩余污泥、接种污泥以及水混合，调节pH和含固率，后将混合污泥、活性炭和零价铁加入厌氧消化装置进行厌氧消化。该方法在厌氧消化方面，投加了成本较高的活性炭，而且直接使用的是零价铁，与本发明相比，没有做到能源的二次使用，能耗较高。
在目前的研究领域中，通常是以外加碳源的方式作为MFC阳极底物，维持微生物的新陈代谢活动，而将污泥直接作为碳源供给微生物生长的研究并不多。此外，很少有涉及关于“污泥MFC-厌氧消化耦合系统”的相关报道，几乎绝大多数的研究只仅仅关注MFC产电性能的提高亦或是厌氧发酵产甲烷效率的提升，没有综合考虑“产电”与“厌氧发酵”之间的关系。本发明综合以上不足，构建了“污泥MFC-厌氧消化耦合系统”，以污泥作为系统的阳极底物培养产电菌和厌氧消化菌。与此同时，向该系统中投加废铁屑，以强化系统的综合性能，不仅双重提升了耦合系统的产电性能和厌氧消化性能，收获能源，而且废铁屑的二次利用，降低了资源能耗，绿色无污染，获得了再生应用价值。
发明内容
发明目的：为克服现有技术中存在的技术问题，本发提出了一种污泥MFC-厌氧消化耦合系统及其性能强化方法。
为实现上述技术目的，本发明的污泥MFC-厌氧消化耦合系统包括密闭的厌氧阳极室和曝气的阴极室，阳极室和阴极室通过连通管道连接，连通管道内设置有质子交换膜，阳极室的碳毡阳极和阴极室内的碳毡阴极通过鳄鱼夹导线连接，阳极和阴极之间设置有外电阻，阳极盖面上设有圆孔连接集气袋，用于收集阳极厌氧污泥发酵产生的甲烷气体。
在一种实施方式中，所述污泥MFC-厌氧消化耦合系统反应器构型的大小为12cm×12cm×18cm;阴、阳极碳毡的尺寸大小为4cm×5cm×0.3cm;所述质子交换膜的大小为10cm2;所述外电阻大小为1000Ω;所述阳极盖面圆孔直径为1cm。
其中，在阳极加入营养液以培养驯化产电菌及厌氧消化菌，其中，所述营养液按每升去离子水计包含如下组分：3.13g NaHCO3、0.13g KCl、4.22g NaH2PO4、2.75g Na2HPO4、0.56g(NH4)2SO4、0.2g MgSO4·7H2O、2mg H3BO3、2mg FeCl2·4H2O、2mg EDTA、0.4mg ZnCl2·4H2O、0.8mg MnCl2·4H2O、0.2mg CuCl2·2H2O、1.1mg(NH4)6MO7·4H2O、1mg NiCl2·6H2O。
阴极碳毡、阳极碳毡使用前需经过马弗炉在320-350℃加热20-30min，以增强碳毡的亲水性。
所述的质子交换膜在使用前，先置于20-30℃质量百分浓度为0.5-1%的无水乙醇溶液中浸泡1-2h，冲洗后放入70-80℃质量百分浓度为5-10%的双氧水溶液中浸泡2-3h，最后用超纯水洗涤3-5次后备用。
所述的阳极污泥为污水处理厂A2/O工艺的剩余污泥和和河道底部厌氧污泥的混合物，可按照常规比例进行混合，污泥取回后经过20-30小时静置沉淀，刮除上部分浮渣及不明杂质，并置于10-20℃条件下保存备用，进料前试验污泥再经筛孔尺寸为0.18mm的筛网去除杂质，沉淀浓缩。
本发明进一步提出了强化上述污泥MFC-厌氧消化耦合系统性能的方法，向污泥MFC-厌氧消化耦合系统的阳极厌氧污泥中投加废铁屑或零价铁得到含铁污泥，以含铁污泥作为阳极底物驯化阳极厌氧污泥中的产电菌及厌氧消化菌。
所述废铁屑的投加量为0.5-20g/L。
优选地，向污泥中分别投加相应剂量的废铁屑后，利用氮吹装置向反应器中吹入氮气30-60秒钟，确保反应器中的空气全部被排出，后迅速盖紧有机玻璃盖子，使试验各组装置保持在密闭厌氧的条件下进行。
优选地，所述阳极室底部配有磁力搅拌装置，装置在运行期间始终保持500-800rpm的速度搅拌，以保证阳极电解液混合均匀并使废铁屑不会大量吸附在磁力搅拌器的旋转转子上;反应器的阴极室曝空气，为阴极反应提供O2作为电子受体。
所述反应器在20-30℃的常温条件下运行，观察反应器电压的变化，选用60天为一个运行周期。
有益效果：本发明构建了一套“污泥MFC-厌氧消化耦合系统”，该系统是一种污泥处理处置的新方法，不仅提高了污泥减量的效果，而且强化了污泥MFC-厌氧消化耦合系统的产电性能和厌氧消化性能。在此基础上，向污泥MFC-厌氧消化耦合系统中投加废铁屑，以含铁污泥作为阳极底物驯化阳极污泥中的产电菌及厌氧消化菌，进一步提升了能源物质(包括电能、甲烷、VFA等)的回收和利用，尤其促进了甲烷效率的提高。此外，废铁屑的二次利用，降低了资源能耗，绿色无污染，获得了再生应用价值，实现了能源的定向控制和回收利用。（发明人李超;贺含悦;操家顺;努尔;周康）