酶強化以剩餘汙泥為燃料的mfc產電性能及強化汙泥減量化的方法

2023-04-24 20:41:56

專利名稱：酶強化以剩餘汙泥為燃料的mfc產電性能及強化汙泥減量化的方法
技術領域：
本技術涉及微生物燃料電池(microbial fuel cell, MFC)領域，具體涉及以剩餘汙泥為燃料的微生物燃料電池(sludge microbial fuel cell，SMFC)，是在SMFC中加入酶強化其產電性能以及強化汙泥減量化。
背景技術：
目前，我國汙泥產生量約為2500萬噸/年(按含水率80 %計算)。若不及時進行妥善的處理與處置，汙泥中的有害成分如重金屬、病原菌、寄生蟲、有機汙染物及臭氣將成為影響城市環境衛生的公害。目前汙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(汙泥處理方面的投資可佔整個汙水處理廠總運行費用的50% -70%), 而且如果處理不好還會帶來嚴重的二次汙染。微生物燃料電池(microbial fuel cell，MFC)是一種利用微生物將有機物中的化學能直接轉化成電能的裝置。，是在酶燃料電池基礎上，伴隨微生物、電化學及材料等學科的發展而發展起來的。其原理為燃料於陽極室在微生物的催化作用下被氧化，產生的電子通過外電路傳遞到陰極與電子受體結合，從而在外電路形成電流。用MFC處理城市生活汙水處理廠的剩餘汙泥是近幾年發展起來的新技術，科研工作者在這方面進行了大量的研究。如申請號為201010203582的專利申請提供了一種微生物燃料電池及其提高微生物燃料電池產電性能的方法。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。城市生活汙水處理廠的剩餘汙泥的主要成分是碳水化合物和蛋白質，而微生物不能直接利用這些大分子的有機物，只有在碳水化合物和蛋白質水解成小分子的糖類和胺基酸時才能被微生物吸收利用。在自然情況下這些大分子物質的水解速率很慢，限制了微生物燃料電池中的產電特性以及汙泥減量化的效果。

發明內容
本發明要解決的問題是要提供一種啟動快、工藝簡單、操作方便、成本低的酶強化以剩餘汙泥為燃料的MFC產電性能及強化汙泥減量化的方法，該方法處理了城市生活汙水處理廠的剩餘汙泥，強化汙泥減量化的同時提高了 MFC的產電特性能。該方法在處理汙泥的同時回收清潔能源，不僅處理了廢物，而且充分有效的利用了資源。本發明的理論基礎是酶作為催化劑具有催化效果好，條件溫和的特點。中性蛋白酶能催化蛋白質水解為腖、肽或胺基酸，α-澱粉酶能催化澱粉水解為小分子的多糖甚至單糖。禾U用酶的強化可以加快碳水化合物和蛋白質的水解，提高電池中小分子的糖類和胺基酸的濃度，提升剩餘汙泥微生物燃料電池的運行效果。本發明的技術方案是一種酶強化以剩餘汙泥為燃料的MFC產電性能及強化汙泥減量化的方法，所述剩餘汙泥中的總化學需氧量(TCOD)為10000mg/L，在剩餘汙泥中加入NaCl增強導電性，並加入中性蛋白酶和α-澱粉酶提高MFC產電性能，加入中性蛋白酶和α-澱粉酶後的剩餘汙泥微生物燃料電池的運行溫度為40°C -50°C ；所述NaCl的加入量為每升剩餘汙泥中加入180mmol-220mmol NaCl ；所述中性蛋白酶和α-澱粉酶的加入量為剩餘汙泥中每IOOOmg總化學需氧量 (TCOD)加入8mg-12mg中性蛋白酶和α -澱粉酶，其中中性蛋白酶與α-澱粉酶的質量比為 1 1-4。所述剩餘汙泥中的總化學需氧量(TCOD)優選為10000mg/L。所述NaCl的加入量優選為每升剩餘汙泥中加入200mmol NaCl。所述中性蛋白酶和α -澱粉酶的加入量優選為剩餘汙泥中每IOOOmg總化學需氧量加入IOmg中性蛋白酶和α -澱粉酶。所述中性蛋白酶與α-澱粉酶的質量比優選為2 3。所述加入中性蛋白酶和α -澱粉酶後的剩餘汙泥微生物燃料電池的運行溫度優選為40 0C ο下面對本發明做進一步的解釋和說明本發明利用城市生活汙水處理廠的剩餘汙泥作為MFC的燃料，加入200mM NaCl (每升剩餘汙泥中加入200mmol NaCl)增強溶液的導電性，並加入中性蛋白酶和α-澱粉酶，1天就能啟動MFC並且獲得較高的電能。將SMFC的溫度恆定在40°C時酶的強化效果最顯著。當中性蛋白酶與α-澱粉酶的濃度比例為2 3時，可以獲得最大的功率密度為 776mff ·πΓ2。其 TCOD、TSS、VSS 的去除率最大，分別達到 87. 29%,91. 75%,95. 01%,強化汙泥減量化的同時提高了 MFC的產電特性能。本發明所述的MFC是現有單室MFC裝置，單室MFC可以省去質子交換膜，不僅可以降低成本，由於沒有質子交換膜還大大降低了燃料電池的內阻，提高MFC的功率密度。實施例中所用的MFC裝置是按照現有設備組裝的一個簡單的單室的MFC裝置，具體結構見圖1。 本發明為了提高陽極微生物可利用的小分子的糖類和胺基酸等物質，在MFC中加入中性蛋白酶和α-澱粉酶催化碳水化合物和蛋白質水解。陰極為空氣陰極，利用空氣中的氧氣作為電子受體，簡化了 MFC的結構，降低裝置的成本。為了增加MFC的導電性能，在剩餘汙泥中加入NaCl，提高MFC中的離子濃度。與現有技術相比，本發明的優勢在於1、本發明處理了城市生活汙水處理廠的剩餘汙泥，提高剩餘汙泥的利用率，以其他方法(焚燒、堆肥、投海、填埋)相比節約了費用，處理過程中不會產生二次汙染。2、本發明的方法1天就能啟動MFC並且獲得較高的電能，獲得的功率密度可達到 776mff · πΓ2。其中剩餘汙泥中TCOD, TSS、VSS的去除率最大，分別達到87. 29%,91. 75%, 95. 01%，強化汙泥減量化。3、本發明的方法在處理汙泥的同時回收清潔能源，不僅處理了廢物，而且充分有效的利用了資源。


圖1是本發明實施例中組裝的MFC裝置示意圖；其中，1是懸浮陰極，2是自來水，3是剩餘汙泥，4是陽極，5是磁力攪拌子，6是外接電阻，7是電腦連接口，8是數據採集器，9 是恆溫磁力攪拌器。
具體實施方案下面結合具體實施方式
對本發明做進一步的解釋和說明1、剩餘汙泥的調理用汙水處理廠二沉池的剩餘汙泥，過篩(孔徑0. 66mm)並在4°C條件下經過24h的沉澱後，棄去上清液取濃縮汙泥(使剩餘汙泥的TCOD濃度達到9000mg-13000mg即可，本發明實施例中處理後汙泥的具體參數見表1)。開始運行MFC之前汙泥在室溫下放置以恢復微生物的活性。汙泥的主要成分是碳水化合物和蛋白質，基本參數如表1所示。表1實驗所用汙泥的基本參數
參數數值
TCOD (總化學需氧量)(mg/L)12600
SCOD(溶解性化學需氧量)492
(mg/L)
TSS總懸浮固體(g/L)17.6
VSS (揮發性懸浮固體)(g/L)11.32、MFC的組裝和運行，見圖1。將250ml調理好的剩餘汙泥加入一個250ml的燒杯中，用電線串聯3個石墨片(每個石墨片的面積為4cm2)放在小燒杯的底部作為陽極，陰極用石墨棒(使其漂浮在MFC的表面並固定好)，陰陽極之間連接一個500 Ω的電阻，電阻兩端並聯一個數據採集器(實時監測MFC的電壓)。把這個250ml的燒杯放入一個IOOOml的燒杯中，兩個燒杯之間加入自來水至大燒杯800ml刻度線處，在250ml的燒杯中放入一個磁力攪拌子。將整個裝置放在恆溫磁力攪拌器上面，設置溫度即可(具體MFC運行溫度對酶活性的考察見表3和表4)。 MFC運行起來以後要經常往兩個燒杯中加水(小燒杯裡加蒸餾水)，使兩個燒杯裡面的液面基本保持一定。當MFC的電壓低於50mV時，停止運行。3、具體實驗過程在剩餘汙泥中加入NaCl (粉末)增強導電性，減小SMFC內阻，並加入中性蛋白酶和α-澱粉酶提高MFC產電性能；所述NaCl的加入量為每升剩餘汙泥中加入200mmol NaCl ；所述中性蛋白酶和α-澱粉酶的加入量為剩餘汙泥中每IOOOmg總化學需氧量加入 IOmg中性蛋白酶和α-澱粉酶，其中中性蛋白酶與α-澱粉酶的質量比為1 1_4，酶的參數如表2所示，(具體酶加入量的考察見表5)。表2酶的基本參數
酶
中性蛋白酶 (X-澱粉酶
說明書
酶活/U^1最適pH
5000 6000
7.0-7.8 5.5-7.5
4/6頁
最適溫度/°c
40 50MFC的運行溫度是根據酶的最適溫度再經過實驗確定的。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MFC的產電效果，實驗結果表明隨著溫度的上升，MFC的最大功率密度也增加，但是與空白實驗(在裝置中加入與實驗組同濃度的失活酶)相比，在40°C時酶的強化效果最大，與對照組相比，最大功率密度分別增加198%、 130%，相比而言在50°C，酶的作用就不是那麼顯著，其最大功率密度僅分別增加52%、 33%，遠遠低於在40°C下酶對SMFC強化作用。所以從節能和新能源的產生以及實際工程的運行成本考慮，下一步混合酶(中性蛋白酶濃度和α-澱粉酶)比例的確定的實驗的運行溫度確定為40°C。表3溫度對α -澱粉酶強化的MFC的功率密度的影響
權利要求
1.一種酶強化以剩餘汙泥為燃料的MFC產電性能及強化汙泥減量化的方法，其特徵是，所述剩餘汙泥中的總化學需氧量為9000mg/L-13000mg/L，在剩餘汙泥中加入NaCl增強導電性，並加入中性蛋白酶和α-澱粉酶提高MFC產電性能，加入中性蛋白酶和α-澱粉酶後的剩餘汙泥微生物燃料電池的運行溫度為40°C -50°C ；所述NaCl的加入量為每升剩餘汙泥中加入180mmol-220mmol NaCl ；所述中性蛋白酶和α-澱粉酶的加入量為剩餘汙泥中每IOOOmg總化學需氧量加入 8mg-12mg中性蛋白酶和α-澱粉酶，其中中性蛋白酶與α-澱粉酶的質量比為1 1_4。
2.根據權利要求1所述酶強化以剩餘汙泥為燃料的MFC產電性能及強化汙泥減量化的方法，其特徵是，所述剩餘汙泥中的總化學需氧量為10000mg/L。
3.根據權利要求1所述酶強化以剩餘汙泥為燃料的MFC產電性能及強化汙泥減量化的方法，其特徵是，所述NaCl的加入量為每升剩餘汙泥中加入200mmol NaCl。
4.根據權利要求1所述酶強化以剩餘汙泥為燃料的MFC產電性能及強化汙泥減量化的方法，其特徵是，所述中性蛋白酶和α-澱粉酶的加入量為剩餘汙泥中每IOOOmg總化學需氧量加入IOmg中性蛋白酶和α -澱粉酶。
5.根據權利要求1所述酶強化以剩餘汙泥為燃料的MFC產電性能及強化汙泥減量化的方法，其特徵是，所述中性蛋白酶與α-澱粉酶的質量比為2 3。
6.根據權利要求1所述酶強化以剩餘汙泥為燃料的MFC產電性能及強化汙泥減量化的方法，其特徵是，所述加入中性蛋白酶和α-澱粉酶後的剩餘汙泥微生物燃料電池的運行溫度為40°C。
全文摘要
本發明屬於微生物燃料電池領域，提供了一種酶強化以剩餘汙泥為燃料的MFC產電性能及強化汙泥減量化的方法，在剩餘汙泥中加入200mM NaCl增強溶液的導電性，並加入中性蛋白酶和α-澱粉酶，直接利用剩餘汙泥中的產電微生物進行產電，1天就能啟動MFC並且獲得較高的電能，在40℃時酶對SMFC的強化效果最明顯。在酶的總濃度不變的情況下，其酶的質量濃度比例為2∶3時功率密度最大(776mW·m-2)，TCOD、TSS、VSS的去除率最大，分別達到87.29％、91.75％、95.01％。這是一種啟動快、工藝簡單、操作方便、成本很低的處理城市生活汙水處理廠的剩餘汙泥方法。
文檔編號C02F11/02GK102569860SQ20111044555
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月27日 優先權日2011年12月27日
發明者劉志華, 張植平, 李小明, 楊麒, 羅琨 申請人:湖南大學