外加酶强化剩余污泥微生物燃料电池产电特性的研究

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1、外加酶强化剩余污泥微生物燃料电池产电特性的研究    杨慧1，3，刘志华1，3，李小明1，2，3*，杨麒1，3*，方丽1，3，黄华军1，3，曾光明1，3，李硕4    ( 1. 湖南大学环境科学与工程学院，长沙 410082; 2. 广西大学环境学院，南宁 530004; 3. 环境生物与控制教育部重点实验室( 湖南大学) ，长沙 410082; 4. 中机国际工程设计研究院有限责任公司，长沙 410007)外加酶强化剩余污泥微生物燃料电池产电特性的研究    杨慧1，3，刘志华1，3，李小明1，2，3*，杨麒1，3*，

2、方丽1，3，黄华军1，3，曾光明1，3，李硕4    ( 1. 湖南大学环境科学与工程学院，长沙 410082; 2. 广西大学环境学院，南宁 530004; 3. 环境生物与控制教育部重点实验室( 湖南大学) ，长沙 410082; 4. 中机国际工程设计研究院有限责任公司，长沙 410007)    摘要: 以剩余污泥作为接种液和基质，探讨了外加酶( 中性蛋白酶、α-淀粉酶) 强化单室型剩余污泥微生物燃料电池产电效率的可行性，研究了酶投加量对微生物燃料电池的产电特性及剩余污泥减量的影响． 结果表明，在相同条件下，实验

3、组产生的最大功率密度远远高于对照组; 当酶的总投加量为10 mg·g－ 1时，最大输出功率密度及污泥水解效率达到最大，即中性蛋白酶组的最大功率密度、库仑效率、TCOD 去除率、TSS 去除率、VSS 去除率分别为 507 mW·m－ 2、3. 98%、88. 31%、83. 18%、89. 03%，而 α-淀粉酶组则分别为700 mW·m－ 2、5. 11%、94. 09%、98. 02%、98. 80%． 本实验采用向剩余污泥中投加酶的方法，成功增强了微生物燃料电池的产电效率，同时对剩余污泥有效地进行了处理，为微生物燃

4、料电池的实际应用提供了新途径．    关键词: 剩余污泥; 外加酶; 微生物燃料电池; 功率密度; 减量化    中图分类号: X172   文献标识码: A   文章编号: 0250-3301( 2012) 01-0216-06    微生物燃料电池( microbial fuel cell，MFC) 是将燃料中的化学能直接转化为电能的高效、清洁的新型产电技术［1 ～4］． 与传统的燃料电池相比，MFC具有广泛的燃料来源并能达到产电与污染物处理的双重功效． 目前，微生物燃料电池已应用于高浓度有机废水［5 ～7］、垃圾渗

5、滤液［8］及工业废水［9］等的处理，实现了废水处理的资源化利用，符合可持续发展战略，因此近年来正受到国内外研究者的关注．    剩余污泥是活性污泥法处理污水的产物，含有大量的有机质，如蛋白质、碳水化合物和脂肪等长链分子有机物，具备作为 MFC 潜在燃料的条件［10］． 但是，这些物质大部分是高分子有机物，难以被微生物直接利用． Jiang［11］、郑峣［12］等分别研究了以剩余污泥为燃料的双室、单室 MFC 产电特性，但获得的最大输出功率密度都较低，污泥中有机物缓慢的水解速率，限制了 MFC 产电效率． 如何有效地实现污

6、泥中高分子有机物的水解，提高溶解性化学需氧量浓度，是强化以剩余污泥为燃料的 MFC 产电特性和污泥减量化的关键． 近年来，采用外加酶促进污泥水解效率的研究已有不少，酶强化污泥水解技术不仅可以改善污泥消化性能，强化污泥水解效率，且经济效益高，无二次污染问题． Roman［13］、Pei［14］、罗琨［15］等的研究表明纤维素酶、蛋白酶、α-淀粉酶等能够显著提高剩余污泥水解效率，强化剩余污泥水解． 但利用外加酶促进剩余污泥 MFC 效能的研究国内外鲜见报道．    本实验实现了外加酶强化污泥水解技术和剩余污泥微生物燃料电池(

7、 surplus sludge microbial fuelcell，SSMFC) 的成功结合，考察了酶投加量( 10 ～ 30mg·g－ 1) 对 SSMFC 产电效率的影响，并确定最优酶量; 分析了系统运行过程中，基质剩余污泥性质及酶活的变化．    1 材料与方法    1. 1 SSMFC 装置结构    SSMFC 反应器所采用的无膜单室微生物燃料电池为一圆柱形玻璃容器，有效容积250 mL，如图1所示． 阳极( 面积为 12 cm2) 为片状石墨电极; 阴极为普通杆状石墨电极( 未做包括镀 Pt 等任何处理)

8、 ，使其一侧暴露于空气处悬浮状态． 两极之间用铜导线连接，外电路接 500 Ω 电阻( 除测极化曲线外) 作为负载． 采用 USB-1208LS 型电压数字采集卡( 美国Measurement Computing 公司) 采集输出电压并输入电脑，频率为每 1 min 记录一次．        1. 2 材料与运行