CN103351093A - 一种剩余污泥厌氧发酵和产电的方法 - Google Patents

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赵孝芹
罗洁瑜
张学洪
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Abstract

本发明公开了一种剩余污泥厌氧发酵和产电的方法。设置一种单室无膜壁式空气阴极微生物燃料电池装置，包括发酵罐、石墨碳棒阳极、载铂碳布空气阴极、导线和电阻箱，石墨碳棒阳极设置在发酵罐内腔中，发酵罐的壁面上设置一个孔，用于固定载铂碳布空气阴极，载铂碳布空气阴极的一侧置于发酵罐内腔与微生物燃料电池的底物接触，另一侧暴露在空气中，利用空气中的氧气作为电子受体，石墨碳棒阳极与载铂碳布空气阴极之间通过导线串联电阻箱构成回路，并设定电池装置的各种运行参数，实现剩余污泥厌氧发酵和产电。本发明方法使用的装置体积小，制作简单，制造成本低，本发明方法反应周期短，装置的装卸、维护简单，污染物降解效果好，产电功率较高。

Description

一种剩余污泥厌氧发酵和产电的方法
技术领域
本发明属于环保和新能源技术领域，特别涉及一种微生物燃料电池结合剩余污泥厌氧发酵和产电的方法。
背景技术
随着城市污水处理率越来越高，污泥产量也不断增加，剩余污泥中成份复杂，并含有病原体、重金属及有机物等对环境有害的物质，处置不当会引起环境的二次污染。目前的处置处理技术主要有卫生填埋、农用、土地利用、焚烧等，随着法律法规对污泥处置的要求越来越严格和环境保护的发展，传统的污泥处置方法已经不适合社会的可持续发展。
剩余污泥厌氧消化结合微生物燃料电池技术在目前污泥处理领域中是较新的课题，采用微生物燃料电池技术可以提高剩余污泥的消化速率，与传统的污泥厌氧消化相比，微生物燃料电池有其自身的优势：首先它将底物直接转化为电能，实现废物资源化利用。其次，操作简单，有机物转化效率较高。第三，传统的厌氧消化的产物不管是甲烷还是氢气，需要除去杂质如硫化氢等腐蚀性物质才能作为能源来利用。为了从气态的能量载体甲烷和氢气中获取能量（电能），在发酵步骤后需要进一步的物化焚化过程来释放能量，在能量转化的过程，伴随着能量的损失，而微生物燃料电池直接转化有机物为电能，降低能量损失，提高污泥厌氧消化过程中能量的转化和利用率。第四，在缺乏电力基础设施的局部地区，微生物燃料电池，具有广泛应用的潜力，扩大了我们对能源需求的多样性。
目前研究的微生物燃料电池存在功率密度低，材料造价昂贵，反应器型式的不确定等问题。为了进一步提高微生物燃料电池的产电功率密度，提高剩余污泥的消化速率，研发适合剩余污泥处理工艺特点的剩余污泥厌氧发酵和产电的方法是非常必要的。
发明内容
本发明的目的是为了提高剩余污泥消化速率和微生物燃料电池的产电性能，提供一种剩余污泥厌氧发酵和产电的方法。
本发明的思路：借助一种单室无膜壁式空气阴极微生物燃料电池装置实现本发明的方法，该装置包括发酵罐、石墨碳棒阳极、载铂碳布空气阴极、导线和电阻箱。石墨碳棒阳极设置在发酵罐内腔中，在发酵罐的壁面上设置一个孔，用于固定载铂碳布空气阴极，载铂碳布空气阴极的一侧置于发酵罐内腔与微生物燃料电池的底物接触，另一侧暴露在空气中，利用空气中的氧气作为电子受体，石墨碳棒阳极与载铂碳布空气阴极之间通过导线串联电阻箱构成回路，并设定电池装置的各种运行参数，如阳极表面积，导线材料，离子浓度剂等，使微生物燃料电池在最优参数下运行，从而提高电池产电性能和污泥消化速率。
具体步骤为：
(1)设置一种单室无膜壁式空气阴极微生物燃料电池装置，包括发酵罐、石墨碳棒阳极、载铂碳布空气阴极、导线和电阻箱；发酵罐顶部的盖子上设置取样口，用于取样测试以监测反应进行的程度并用于排放反应过程中产生的气体；石墨碳棒阳极设置在发酵罐内腔中，在发酵罐的壁面上设置一个孔，用于固定载铂碳布空气阴极，载铂碳布空气阴极的一侧置于发酵罐内腔与微生物燃料电池的底物接触，另一侧暴露在空气中，利用空气中的氧气作为电子受体，石墨碳棒阳极与载铂碳布空气阴极之间通过导线串联电阻箱构成回路。
所述发酵罐采用有机玻璃制作，是反应物进行反应的场所。
所述石墨碳棒阳极为市售，是微生物附着的主要场所并实现电子传递。
所述载铂碳布空气阴极是电子受体发生还原反应的场所。
(2)把步骤(1)设置的电池装置的电路连接好，放在恒温培养箱中，并根据实际需要设定电池装置的运行参数，然后往发酵罐中注入反应液作为微生物燃料电池的底物，盖上发酵罐的盖子，让发酵罐在恒温培养箱中静置反应，直至完成反应周期，即实现剩余污泥厌氧发酵和产电。
本发明方法的优点：
(1)本发明方法使用的装置体积小，制作简单，整个装置无需采用价格高昂的选择性透过膜，直接利用空气中的氧气作为电子受体，极大地降低了制造成本。
(2)本发明方法反应周期短，装置的装卸、维护简单，污染物降解效果好，产电功率较高。
附图说明
图1是本发明方法所用装置的结构示意图。
图中标记：1-发酵罐；2-盖子；3-取样口；4-石墨碳棒阳极；5-导线；6-电阻箱；7-载铂碳布空气阴极。
具体实施方式
实施例：
本实施例以污水处理厂产生的剩余污泥为反应物进行厌氧发酵和产电。
(1)如图1所示，设置一种单室无膜壁式空气阴极微生物燃料电池装置，包括发酵罐1、石墨碳棒阳极4、载铂碳布空气阴极7、导线5和电阻箱6；发酵罐1顶部的盖子2上设置取样口3，用于取样测试以监测反应进行的程度并用于排放反应过程中产生的气体；石墨碳棒阳极4设置在发酵罐1内腔中，在发酵罐1的壁面上设置一个孔，用于固定载铂碳布空气阴极7，载铂碳布空气阴极7的一侧置于发酵罐1内腔与微生物燃料电池的底物接触，另一侧暴露在空气中，利用空气中的氧气作为电子受体，石墨碳棒阳极4与载铂碳布空气阴极7之间通过导线5串联电阻箱6构成回路。
所述发酵罐1为有机玻璃罐，其内径为7厘米，高度20 厘米，可用容积为750 毫升，该发酵罐1是反应物进行反应的场所。
所述石墨碳棒阳极4为市售的直径为1厘米的石墨碳棒，该电极是微生物附着的主要场所并实现电子传递。
所述载铂碳布空气阴极7是含空气扩散层并载有0.35毫克/平方厘米铂催化剂且直径为4厘米的圆形碳布电极，该电极是电子受体发生还原反应的场所。
(2)把步骤(1)设置的电池装置的电路连接好，放在恒温培养箱中，并设置电池装置的运行参数为：在恒温30℃下，石墨碳棒阳极4面积取31.4 平方厘米，石墨碳棒阳极4与载铂碳布空气阴极7的距离为0.5厘米，导线5采用铜线，电阻箱6阻值为1000Ω；然后往发酵罐1中注入720 毫升的反应液作为微生物燃料电池的底物，盖上发酵罐1的盖子2，让发酵罐1在恒温培养箱中静置反应，直至完成反应周期，即实现剩余污泥厌氧发酵和产电。
所述反应液是浓度为21000 毫克/升的污泥加入200毫摩尔的NaCl离子浓度剂。
本实施例反应进行的过程中，产生的电流和电压用万用表测定，每天从取样口3取样并测定电阻箱6两端的电压，结果如下：本实施例方法中使用的电池装置产生的最大输出功率密度为301.3 mW/m2，内阻为92.5 Ω，库仑效率为15.7%，COD去除率为17.6%，污泥体积减少了31.25%；与国内研究的以污泥为底物的微生物燃料电池相比，其产电性能得到了进一步的提高，与单纯的污泥厌氧消化相比，污泥减少量和有机物转化率也得到一定的提高。

Claims (1)

1.一种剩余污泥厌氧发酵和产电的方法，其特征在于具体步骤为：
(1)设置一种单室无膜壁式空气阴极微生物燃料电池装置，包括发酵罐、石墨碳棒阳极、载铂碳布空气阴极、导线和电阻箱；发酵罐顶部的盖子上设置取样口，用于取样测试以监测反应进行的程度并用于排放反应过程中产生的气体；石墨碳棒阳极设置在发酵罐内腔中，在发酵罐的壁面上设置一个孔，用于固定载铂碳布空气阴极，载铂碳布空气阴极的一侧置于发酵罐内腔与微生物燃料电池的底物接触，另一侧暴露在空气中，利用空气中的氧气作为电子受体，石墨碳棒阳极与载铂碳布空气阴极之间通过导线串联电阻箱构成回路；
所述发酵罐采用有机玻璃制作，是反应物进行反应的场所；
所述石墨碳棒阳极为市售，是微生物附着的主要场所并实现电子传递；
所述载铂碳布空气阴极是电子受体发生还原反应的场所；
(2)把步骤(1)设置的电池装置的电路连接好，放在恒温培养箱中，并根据实际需要设定电池装置的运行参数，然后往发酵罐中注入反应液作为微生物燃料电池的底物，盖上发酵罐的盖子，让发酵罐在恒温培养箱中静置反应，直至完成反应周期，即实现剩余污泥厌氧发酵和产电。
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