專利名稱：酶強(qiáng)化以剩余污泥為燃料的mfc產(chǎn)電性能及強(qiáng)化污泥減量化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本技術(shù)涉及微生物燃料電池(microbial fuel cell, MFC)領(lǐng)域，具體涉及以剩余污泥為燃料的微生物燃料電池(sludge microbial fuel cell，SMFC)，是在SMFC中加入酶強(qiáng)化其產(chǎn)電性能以及強(qiáng)化污泥減量化。
背景技術(shù)：
目前，我國(guó)污泥產(chǎn)生量約為2500萬(wàn)噸/年(按含水率80 %計(jì)算)。若不及時(shí)進(jìn)行妥善的處理與處置，污泥中的有害成分如重金屬、病原菌、寄生蟲、有機(jī)污染物及臭氣將成為影響城市環(huán)境衛(wèi)生的公害。目前污泥處置的一般方法包括填埋、焚燒、投海等，這些方法不僅要投入大量資金(污泥處理方面的投資可占整個(gè)污水處理廠總運(yùn)行費(fèi)用的50% -70%), 而且如果處理不好還會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的二次污染。微生物燃料電池(microbial fuel cell，MFC)是一種利用微生物將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。，是在酶燃料電池基礎(chǔ)上，伴隨微生物、電化學(xué)及材料等學(xué)科的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。其原理為燃料于陽(yáng)極室在微生物的催化作用下被氧化，產(chǎn)生的電子通過外電路傳遞到陰極與電子受體結(jié)合，從而在外電路形成電流。用MFC處理城市生活污水處理廠的剩余污泥是近幾年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，科研工作者在這方面進(jìn)行了大量的研究。如申請(qǐng)?zhí)枮?01010203582的專利申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N微生物燃料電池及其提高微生物燃料電池產(chǎn)電性能的方法。在燃料中添加有生物溶劑吐溫，吐溫的加入量為5-80mg/L。該方法起到了一定的效果，但是加入了溶劑，成本高。城市生活污水處理廠的剩余污泥的主要成分是碳水化合物和蛋白質(zhì)，而微生物不能直接利用這些大分子的有機(jī)物，只有在碳水化合物和蛋白質(zhì)水解成小分子的糖類和氨基酸時(shí)才能被微生物吸收利用。在自然情況下這些大分子物質(zhì)的水解速率很慢，限制了微生物燃料電池中的產(chǎn)電特性以及污泥減量化的效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是要提供一種啟動(dòng)快、工藝簡(jiǎn)單、操作方便、成本低的酶強(qiáng)化以剩余污泥為燃料的MFC產(chǎn)電性能及強(qiáng)化污泥減量化的方法，該方法處理了城市生活污水處理廠的剩余污泥，強(qiáng)化污泥減量化的同時(shí)提高了 MFC的產(chǎn)電特性能。該方法在處理污泥的同時(shí)回收清潔能源，不僅處理了廢物，而且充分有效的利用了資源。本發(fā)明的理論基礎(chǔ)是酶作為催化劑具有催化效果好，條件溫和的特點(diǎn)。中性蛋白酶能催化蛋白質(zhì)水解為胨、肽或氨基酸，α-淀粉酶能催化淀粉水解為小分子的多糖甚至單糖。禾U用酶的強(qiáng)化可以加快碳水化合物和蛋白質(zhì)的水解，提高電池中小分子的糖類和氨基酸的濃度，提升剩余污泥微生物燃料電池的運(yùn)行效果。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種酶強(qiáng)化以剩余污泥為燃料的MFC產(chǎn)電性能及強(qiáng)化污泥減量化的方法，所述剩余污泥中的總化學(xué)需氧量(TCOD)為10000mg/L，在剩余污泥中加入NaCl增強(qiáng)導(dǎo)電性，并加入中性蛋白酶和α-淀粉酶提高M(jìn)FC產(chǎn)電性能，加入中性蛋白酶和α-淀粉酶后的剩余污泥微生物燃料電池的運(yùn)行溫度為40°C -50°C ；所述NaCl的加入量為每升剩余污泥中加入180mmol-220mmol NaCl ；所述中性蛋白酶和α-淀粉酶的加入量為剩余污泥中每IOOOmg總化學(xué)需氧量 (TCOD)加入8mg-12mg中性蛋白酶和α -淀粉酶，其中中性蛋白酶與α-淀粉酶的質(zhì)量比為 1 1-4。所述剩余污泥中的總化學(xué)需氧量(TCOD)優(yōu)選為10000mg/L。所述NaCl的加入量?jī)?yōu)選為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?jī)?yōu)選為剩余污泥中每IOOOmg總化學(xué)需氧量加入IOmg中性蛋白酶和α -淀粉酶。所述中性蛋白酶與α-淀粉酶的質(zhì)量比優(yōu)選為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電池的運(yùn)行溫度優(yōu)選為40 0C ο下面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的解釋和說(shuō)明本發(fā)明利用城市生活污水處理廠的剩余污泥作為MFC的燃料，加入200mM NaCl (每升剩余污泥中加入200mmol NaCl)增強(qiáng)溶液的導(dǎo)電性，并加入中性蛋白酶和α-淀粉酶，1天就能啟動(dòng)MFC并且獲得較高的電能。將SMFC的溫度恒定在40°C時(shí)酶的強(qiáng)化效果最顯著。當(dāng)中性蛋白酶與α-淀粉酶的濃度比例為2 3時(shí)，可以獲得最大的功率密度為 776mff ·πΓ2。其 TCOD、TSS、VSS 的去除率最大，分別達(dá)到 87. 29%,91. 75%,95. 01%,強(qiáng)化污泥減量化的同時(shí)提高了 MFC的產(chǎn)電特性能。本發(fā)明所述的MFC是現(xiàn)有單室MFC裝置，單室MFC可以省去質(zhì)子交換膜，不僅可以降低成本，由于沒有質(zhì)子交換膜還大大降低了燃料電池的內(nèi)阻，提高M(jìn)FC的功率密度。實(shí)施例中所用的MFC裝置是按照現(xiàn)有設(shè)備組裝的一個(gè)簡(jiǎn)單的單室的MFC裝置，具體結(jié)構(gòu)見圖1。 本發(fā)明為了提高陽(yáng)極微生物可利用的小分子的糖類和氨基酸等物質(zhì)，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質(zhì)水解。陰極為空氣陰極，利用空氣中的氧氣作為電子受體，簡(jiǎn)化了 MFC的結(jié)構(gòu)，降低裝置的成本。為了增加MFC的導(dǎo)電性能，在剩余污泥中加入NaCl，提高M(jìn)FC中的離子濃度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于1、本發(fā)明處理了城市生活污水處理廠的剩余污泥，提高剩余污泥的利用率，以其他方法(焚燒、堆肥、投海、填埋)相比節(jié)約了費(fèi)用，處理過程中不會(huì)產(chǎn)生二次污染。2、本發(fā)明的方法1天就能啟動(dòng)MFC并且獲得較高的電能，獲得的功率密度可達(dá)到 776mff · πΓ2。其中剩余污泥中TCOD, TSS、VSS的去除率最大，分別達(dá)到87. 29%,91. 75%, 95. 01%，強(qiáng)化污泥減量化。3、本發(fā)明的方法在處理污泥的同時(shí)回收清潔能源，不僅處理了廢物，而且充分有效的利用了資源。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例中組裝的MFC裝置示意圖；其中，1是懸浮陰極，2是自來(lái)水，3是剩余污泥，4是陽(yáng)極，5是磁力攪拌子，6是外接電阻，7是電腦連接口，8是數(shù)據(jù)采集器，9 是恒溫磁力攪拌器。
具體實(shí)施方案下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的解釋和說(shuō)明1、剩余污泥的調(diào)理用污水處理廠二沉池的剩余污泥，過篩(孔徑0. 66mm)并在4°C條件下經(jīng)過24h的沉淀后，棄去上清液取濃縮污泥(使剩余污泥的TCOD濃度達(dá)到9000mg-13000mg即可，本發(fā)明實(shí)施例中處理后污泥的具體參數(shù)見表1)。開始運(yùn)行MFC之前污泥在室溫下放置以恢復(fù)微生物的活性。污泥的主要成分是碳水化合物和蛋白質(zhì)，基本參數(shù)如表1所示。表1實(shí)驗(yàn)所用污泥的基本參數(shù)
參數(shù)數(shù)值
TCOD (總化學(xué)需氧量)(mg/L)12600
SCOD(溶解性化學(xué)需氧量)492
(mg/L)
TSS總懸浮固體(g/L)17.6
VSS (揮發(fā)性懸浮固體)(g/L)11.32、MFC的組裝和運(yùn)行，見圖1。將250ml調(diào)理好的剩余污泥加入一個(gè)250ml的燒杯中，用電線串聯(lián)3個(gè)石墨片(每個(gè)石墨片的面積為4cm2)放在小燒杯的底部作為陽(yáng)極，陰極用石墨棒(使其漂浮在MFC的表面并固定好)，陰陽(yáng)極之間連接一個(gè)500 Ω的電阻，電阻兩端并聯(lián)一個(gè)數(shù)據(jù)采集器(實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)MFC的電壓)。把這個(gè)250ml的燒杯放入一個(gè)IOOOml的燒杯中，兩個(gè)燒杯之間加入自來(lái)水至大燒杯800ml刻度線處，在250ml的燒杯中放入一個(gè)磁力攪拌子。將整個(gè)裝置放在恒溫磁力攪拌器上面，設(shè)置溫度即可(具體MFC運(yùn)行溫度對(duì)酶活性的考察見表3和表4)。 MFC運(yùn)行起來(lái)以后要經(jīng)常往兩個(gè)燒杯中加水(小燒杯里加蒸餾水)，使兩個(gè)燒杯里面的液面基本保持一定。當(dāng)MFC的電壓低于50mV時(shí)，停止運(yùn)行。3、具體實(shí)驗(yàn)過程在剩余污泥中加入NaCl (粉末)增強(qiáng)導(dǎo)電性，減小SMFC內(nèi)阻，并加入中性蛋白酶和α-淀粉酶提高M(jìn)FC產(chǎn)電性能；所述NaCl的加入量為每升剩余污泥中加入200mmol NaCl ；所述中性蛋白酶和α-淀粉酶的加入量為剩余污泥中每IOOOmg總化學(xué)需氧量加入 IOmg中性蛋白酶和α-淀粉酶，其中中性蛋白酶與α-淀粉酶的質(zhì)量比為1 1_4，酶的參數(shù)如表2所示，(具體酶加入量的考察見表5)。表2酶的基本參數(shù)
酶
中性蛋白酶 (X-淀粉酶
說(shuō)明書
酶活/U^1最適pH
5000 6000
7.0-7.8 5.5-7.5
4/6頁(yè)
最適溫度/°c
40 50MFC的運(yùn)行溫度是根據(jù)酶的最適溫度再經(jīng)過實(shí)驗(yàn)確定的。在加入的酶的濃度一定的情況下，分別在40°C、45°C、5(TC的溫度下檢測(cè)MFC的產(chǎn)電效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著溫度的上升，MFC的最大功率密度也增加，但是與空白實(shí)驗(yàn)(在裝置中加入與實(shí)驗(yàn)組同濃度的失活酶)相比，在40°C時(shí)酶的強(qiáng)化效果最大，與對(duì)照組相比，最大功率密度分別增加198%、 130%，相比而言在50°C，酶的作用就不是那么顯著，其最大功率密度僅分別增加52%、 33%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于在40°C下酶對(duì)SMFC強(qiáng)化作用。所以從節(jié)能和新能源的產(chǎn)生以及實(shí)際工程的運(yùn)行成本考慮，下一步混合酶(中性蛋白酶濃度和α-淀粉酶)比例的確定的實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行溫度確定為40°C。表3溫度對(duì)α -淀粉酶強(qiáng)化的MFC的功率密度的影響
權(quán)利要求
1.一種酶強(qiáng)化以剩余污泥為燃料的MFC產(chǎn)電性能及強(qiáng)化污泥減量化的方法，其特征是，所述剩余污泥中的總化學(xué)需氧量為9000mg/L-13000mg/L，在剩余污泥中加入NaCl增強(qiáng)導(dǎo)電性，并加入中性蛋白酶和α-淀粉酶提高M(jìn)FC產(chǎn)電性能，加入中性蛋白酶和α-淀粉酶后的剩余污泥微生物燃料電池的運(yùn)行溫度為40°C -50°C ；所述NaCl的加入量為每升剩余污泥中加入180mmol-220mmol NaCl ；所述中性蛋白酶和α-淀粉酶的加入量為剩余污泥中每IOOOmg總化學(xué)需氧量加入 8mg-12mg中性蛋白酶和α-淀粉酶，其中中性蛋白酶與α-淀粉酶的質(zhì)量比為1 1_4。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述酶強(qiáng)化以剩余污泥為燃料的MFC產(chǎn)電性能及強(qiáng)化污泥減量化的方法，其特征是，所述剩余污泥中的總化學(xué)需氧量為10000mg/L。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述酶強(qiáng)化以剩余污泥為燃料的MFC產(chǎn)電性能及強(qiáng)化污泥減量化的方法，其特征是，所述NaCl的加入量為每升剩余污泥中加入200mmol NaCl。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述酶強(qiáng)化以剩余污泥為燃料的MFC產(chǎn)電性能及強(qiáng)化污泥減量化的方法，其特征是，所述中性蛋白酶和α-淀粉酶的加入量為剩余污泥中每IOOOmg總化學(xué)需氧量加入IOmg中性蛋白酶和α -淀粉酶。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述酶強(qiáng)化以剩余污泥為燃料的MFC產(chǎn)電性能及強(qiáng)化污泥減量化的方法，其特征是，所述中性蛋白酶與α-淀粉酶的質(zhì)量比為2 3。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述酶強(qiáng)化以剩余污泥為燃料的MFC產(chǎn)電性能及強(qiáng)化污泥減量化的方法，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電池的運(yùn)行溫度為40°C。
全文摘要
本發(fā)明屬于微生物燃料電池領(lǐng)域，提供了一種酶強(qiáng)化以剩余污泥為燃料的MFC產(chǎn)電性能及強(qiáng)化污泥減量化的方法，在剩余污泥中加入200mM NaCl增強(qiáng)溶液的導(dǎo)電性，并加入中性蛋白酶和α-淀粉酶，直接利用剩余污泥中的產(chǎn)電微生物進(jìn)行產(chǎn)電，1天就能啟動(dòng)MFC并且獲得較高的電能，在40℃時(shí)酶對(duì)SMFC的強(qiáng)化效果最明顯。在酶的總濃度不變的情況下，其酶的質(zhì)量濃度比例為2∶3時(shí)功率密度最大(776mW·m-2)，TCOD、TSS、VSS的去除率最大，分別達(dá)到87.29％、91.75％、95.01％。這是一種啟動(dòng)快、工藝簡(jiǎn)單、操作方便、成本很低的處理城市生活污水處理廠的剩余污泥方法。
文檔編號(hào)C02F11/02GK102569860SQ20111044555
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者劉志華, 張植平, 李小明, 楊麒, 羅琨 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)