[發明專利]一種污泥MFC-厭氧消化耦合系統及其性能強化方法

在審

• 申請號: 202010068539.6
• 申請日: 2020-01-21
• 公開（公告）號: CN111170599A
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 李超;賀含悅;操家順;努爾;周康
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: C02F11/00
• 分類號: C02F11/00;C02F11/04
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 黃天天

本發明公開了一種污泥MFC?厭氧消化耦合系統，其特征在于，所述污泥MFC?厭氧消化耦合系統包括密閉的厭氧陽極室和曝氣的陰極室，陽極室和陰極室通過連通管道連接，連通管道內設置有質子交換膜，陽極室的碳氈陽極和陰極室內的碳氈陰極通過鱷魚夾導線連接，陽極和陰極之間設置有外電阻，陽極蓋面上設有圓孔連接集氣袋，用于收集陽極厭氧污泥發酵產生的甲烷氣體。本發明進一步提出了強化上述污泥MFC?厭氧消化耦合系統性能的方法，向污泥MFC?厭氧消化耦合系統的陽極厭氧污泥中投加廢鐵屑得到含鐵污泥，以含鐵污泥作為陽極底物馴化陽極厭氧污泥中的產電菌及厭氧消化菌。

技術領域

本發明公開了一種污泥MFC-厭氧消化耦合系統及其性能提高方法，屬于新能源與環境工程技術領域。

背景技術

MFC(微生物燃料電池)是利用微生物的催化作用，對廢水中的有機物進行降解，將有機物的化學能直接轉化成電能的一種裝置。以常見的MFC為例，在陽極室，微生物(尤其是附著在電極表面上的微生物)對有機物進行厭氧氧化并降解，產生H⁺、電子和CO₂；微生物細胞內的電子通過一系列的呼吸酶傳遞給細胞外的某些蛋白質(如C型胞外細胞色素)，在通過不同的胞外電子傳遞方式傳遞到陽極表面；電子由外電路傳遞到陰極，H⁺跨過質子交換膜傳遞到陰極；在陰極表面，電子、H⁺和O₂發生還原反應，完成整個氧化還原過程。

研究表明，MFC的產電性能很大程度上取決于陽極生物膜上富集的產電菌的數量，而大多數的陽極產電菌屬于鐵還原菌(IRB)，進一步研究發現，向MFC體系中投加Fe(III)氧化物可以富集這些產電菌，提高電池的產電性能。例如，Fe(OH)₃的投加可以促使微生物Fe(III)還原過程中VFA的直接礦化，有利于富集陽極產電菌，改善陽極的氧化過程，提高MFC的產電特性。此外有學者指出，在MFC啟動階段，Fe(III)的加入強化了Shewanellaoneidensis MR-1的發電，加入Fe(III)的最大功率密度可達到158.1mW/m²，而未加入Fe(III)的最大功率密度僅為73.9mW/m²，且Fe(III)對MFC的電壓影響很大，表現為Fe(III)濃度越高，電壓越高。

而鐵亦可以增強厭氧環境的氛圍，從而提高厭氧發酵的性能。進一步研究發現，Fe⁰具有一定的還原性，不僅可以降低厭氧消化系統中的氧化還原電位，作為產甲烷菌的電子供體，而且還可以緩沖酸性環境帶來的不利影響。進一步探究其反應機理，鐵添加劑的投入可以從兩個方面增加甲烷的產量。一方面，一些大分子、長鏈的有機酸不能被產甲烷菌直接利用，而需要被乙酸菌分解成乙酸鹽后才能被產甲烷菌攝取和吸收，而鐵的存在則可以增加產乙酸的含量，為產甲烷菌提供更多合適的底物基質，進而增加甲烷產氣量；另一方面，鐵可以直接作為電子供體，通過甲烷自養菌將CO₂還原成CH₄，直接提高了甲烷的產量，主要的反應如下：

CO₂+4Fe⁰+8H⁺＝CH₄+4Fe²⁺+2H₂O

CO₂+4H₂＝CH₄+2H₂O