[发明专利]一种微生物电池装置及城市污泥的处置方法

说明书

技术领域

本发明属于环境与新能源技术领域，具体涉及一种微生物电池装置及采用所述装置处置城市污泥的方法。

背景技术

城市污泥是城市污水处理过程中必然产生的沉淀物。目前，我国城市污泥年产生量已达800万吨干重，并且以每年10～15％的速度递增。这些污泥多数被简单堆填或随意弃置，大大抵消了污水处理厂净化环境的功效，严重制约了污水处理事业的健康发展。污泥的不规范处置已成为当今城市环境的新隐患，如何妥善处置这些数量日益庞大、高度集中的有机固体废弃物，是污水处理厂最头痛的问题之一。一般来说，污泥处理与处置费用约占污水处理总费用的30～40％。

现有的污泥处置方式主要有：1)填埋；2)焚烧；3)堆肥化；4)土地利用。其中，填埋完全将污泥当成废弃物来处置，未发挥其资源化价值；焚烧法设备要求高、投资与运行成本高，存在二次污染风险；堆肥化占地面积大、产品附加值较低；而污泥的直接农业利用存在重金属或病原体等二次污染问题。因此，现有污泥处置方式都存在自身难以克服的缺陷，而且也不能满足当前的实际需要，随着污水处理量的提高，迫切需要寻找新的污泥资源化处置出路。

在当今世界化石燃料耗竭与全球气候变暖问题日益严峻的形势下，废弃生物质(如城市污泥、禽畜粪便、农作物秸杆、高浓度有机废水)的能源化技术将具有广阔前景。微生物燃料电池(MFC)是将有机物中的化学能直接转化为电能的发电装置，具有发电与废弃物处置双重功效。与传统的厌氧产沼气技术相比，MFC直接从废弃物中可持续地提取电能，避免了能量二次转化与气体储存的需要，且在产电的同时可有效去除有机物，因此是一项发展潜力巨大的先进生物质能利用技术，有望成为未来有机废物处理的支柱性技术。

MFC的基本原理为：有机物作为燃料在厌氧阳极室中被微生物氧化，产生的电子被微生物捕获并传递给电池阳极，电子通过外电路到达阴极，从而形成回路产生电流，而质子通过交换膜到达阴极，与氧反应生成水。现有的微生物燃料电池一般结构为：阴、阳极两室，中间由隔膜分开，阳极室保持厌氧状态，阴极室采用通气方式供氧。

城市污泥中有机物含量高(一般可达40～50％)，蕴含着巨大的生物质能，若能实现将污泥作为MFC的燃料进行微生物发电，可在获得电能的同时有效进行污泥处置。通过对现有技术报道和公开的专利检索发现，目前为止，还未见MFC用于处理城市污泥的技术报道。

如果将现有的传统MFC电池直接应用于实际城市污泥处置存在着很大的技术难题和瓶颈：1)传统MFC电池普遍采用的质子交换膜价格昂贵，成本过高；2)污泥中悬浮颗粒有机物含量高，易堵塞传统MFC电池隔膜空隙；3)阴极氧还原反应需要持续通气供氧，使得供氧耗能超过产出电能，MFC无法实现自我维持运行；4)传统MFC电池结构较复杂，不利于实际应用；5)现有MFC电池单体的输出电压或电流远远不能满足实际应用，推广的意义不大。上述技术瓶颈阻碍了MFC这一先进生物质能利用技术在城市污泥处理方面的应用和推广。

因此，要实现利用MFC进行城市污泥微生物产电处理的应用，必须解决以下技术瓶颈：1)寻找合适低成本隔膜材料解决方案，从而大幅度降低MFC造价；2)改变设计理念和现有技术方案，寻求简洁并适用于污泥的MFC构造；3)提升MFC电压。经公开的技术文献和专利检索，尚未发现将城市污泥作为燃料进行处置的技术报道，也没有以城市污泥为燃料的新型低成本MFC电池的相关技术报道。

发明内容

本发明的一个目的在于克服现有的微生物燃料电池结构缺陷和运行方式不利于利用污泥作为燃料以及成本高的缺点，提供一种可以城市污泥为燃料的新型低成本微生物燃料电池装置。

本发明另一个目的是在上述装置的基础上进行进一步改进和扩展，即提供一种微生物燃料电池堆装置，所述电池堆以污泥作为燃料，具有结构紧凑、输出功率密度高、易扩展放大等优点，弥补本发明所述微生物燃料电池上述装置输出电压不够高的不足，有效提升MFC电压。

本发明的还有一个目的是提供一种新的城市污泥的处置方法，即利用微生物燃料电池技术处置污泥同时产生清洁电能。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

提供一种微生物电池装置，包括阳极室、阴极室、阳极、阴极和导线，所述阳极室和阴极室采用隔离材料隔离，阳极室设有污泥进出口注入和排出污泥；阳极设于阳极室底部被污泥掩埋；污泥沉降后产生的上清液进入阴极室，阴极下表面紧贴于上清液液面，阴极涂催化剂的上表面与空气接触；以导线连接阴、阳两极形成回路。