[发明专利]一种污泥MFC-厌氧消化耦合系统及其性能强化方法

说明书

本发明公开了一种污泥MFC‑厌氧消化耦合系统，其特征在于，所述污泥MFC‑厌氧消化耦合系统包括密闭的厌氧阳极室和曝气的阴极室，阳极室和阴极室通过连通管道连接，连通管道内设置有质子交换膜，阳极室的碳毡阳极和阴极室内的碳毡阴极通过鳄鱼夹导线连接，阳极和阴极之间设置有外电阻，阳极盖面上设有圆孔连接集气袋，用于收集阳极厌氧污泥发酵产生的甲烷气体。本发明进一步提出了强化上述污泥MFC‑厌氧消化耦合系统性能的方法，向污泥MFC‑厌氧消化耦合系统的阳极厌氧污泥中投加废铁屑得到含铁污泥，以含铁污泥作为阳极底物驯化阳极厌氧污泥中的产电菌及厌氧消化菌。

技术领域

本发明公开了一种污泥MFC-厌氧消化耦合系统及其性能提高方法，属于新能源与环境工程技术领域。

背景技术

MFC(微生物燃料电池)是利用微生物的催化作用，对废水中的有机物进行降解，将有机物的化学能直接转化成电能的一种装置。以常见的MFC为例，在阳极室，微生物(尤其是附着在电极表面上的微生物)对有机物进行厌氧氧化并降解，产生H⁺、电子和CO₂；微生物细胞内的电子通过一系列的呼吸酶传递给细胞外的某些蛋白质(如C型胞外细胞色素)，在通过不同的胞外电子传递方式传递到阳极表面；电子由外电路传递到阴极，H⁺跨过质子交换膜传递到阴极；在阴极表面，电子、H⁺和O₂发生还原反应，完成整个氧化还原过程。

研究表明，MFC的产电性能很大程度上取决于阳极生物膜上富集的产电菌的数量，而大多数的阳极产电菌属于铁还原菌(IRB)，进一步研究发现，向MFC体系中投加Fe(III)氧化物可以富集这些产电菌，提高电池的产电性能。例如，Fe(OH)₃的投加可以促使微生物Fe(III)还原过程中VFA的直接矿化，有利于富集阳极产电菌，改善阳极的氧化过程，提高MFC的产电特性。此外有学者指出，在MFC启动阶段，Fe(III)的加入强化了Shewanellaoneidensis MR-1的发电，加入Fe(III)的最大功率密度可达到158.1mW/m²，而未加入Fe(III)的最大功率密度仅为73.9mW/m²，且Fe(III)对MFC的电压影响很大，表现为Fe(III)浓度越高，电压越高。

而铁亦可以增强厌氧环境的氛围，从而提高厌氧发酵的性能。进一步研究发现，Fe⁰具有一定的还原性，不仅可以降低厌氧消化系统中的氧化还原电位，作为产甲烷菌的电子供体，而且还可以缓冲酸性环境带来的不利影响。进一步探究其反应机理，铁添加剂的投入可以从两个方面增加甲烷的产量。一方面，一些大分子、长链的有机酸不能被产甲烷菌直接利用，而需要被乙酸菌分解成乙酸盐后才能被产甲烷菌摄取和吸收，而铁的存在则可以增加产乙酸的含量，为产甲烷菌提供更多合适的底物基质，进而增加甲烷产气量；另一方面，铁可以直接作为电子供体，通过甲烷自养菌将CO₂还原成CH₄，直接提高了甲烷的产量，主要的反应如下：

CO₂+4Fe⁰+8H⁺＝CH₄+4Fe²⁺+2H₂O

CO₂+4H₂＝CH₄+2H₂O