申请日2011.12.27
公开(公告)日2014.06.11
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℃;
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2﹕3。
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。
说明书
酶强化以剩余污泥为燃料的MFC产电性能的方法
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1000mg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。
