专利名称：一种微生物电池装置及城市污泥的处置方法
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。
技术背景 >
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l)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
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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。
如果所述污泥和上清液是置于一个容器之中的话，可采用隔离材 料隔离污泥和上清液同时形成阳极室和阴极室。污泥沉降后产生的上 清液渗过隔离材料进入阴极室。 '
所述隔离材料为网状材料，网格材料的孔径为100 300目，优 选200目，类似尼龙布的难以生物降解的网状材料均可，优选滤网、 滤布，目的是拦住沉泥，不让其上浮。本发明不使用质子交换膜、阴 离子或阳离子交换膜、纳滤膜等较精密的、价格昂贵的膜材料，优选 采用工业中常见的低成本网格布材料，防止污泥膨胀引起的上浮，而 且大大降低成本。
本发明所述的微生物燃料电池结构优选方案设一敞口容器，由 隔离材料隔为上、下两部分空间，下面部分空间为阳极室，设有污泥 进出口，注入城市污泥；上面部分空间为阴极室，城市污泥自然沉降 后产生的上清液渗过隔离材料进入阴极室；阳极埋于城市污泥之中； 阴极一面紧贴于上清液液面，阴极另一面涂有催化剂，与空气接触； 以导线连接阴、阳两极形成回路。
所述隔离材料最好平行于阳极室底面。
所述阳极选用大比表面积导电材料，可参照现有技术选用，例如 碳毡、石墨颗粒、碳纤维刷等。本发明优选碳毡。所述阴极材料可选 用碳布、碳纸或碳毡等，优选碳毡，其上附载催化剂，催化剂按照现有常规技术选用，例如铂、热解酞菁亚铁(pyr-FePc)、四甲氧基苯基 钴口卜啉(CoTMPP)或二氧化锰。
所述阴极的制备方法，可参照现有常规技术，例如，称取碳载铂 粉末、pyr-FePc或CoTMPP加入适量异丙醇分散剂，然后加入适量 Nafion溶液搅成糊状，超声分散超声分散后均匀涂敷于碳毡，真空 干燥即得载催化剂阴极；或者，按65: 20: 15分别称取碳粉、二氧 化锰粉末和粘结剂PVDF，加入适量分散剂N-甲基吡硌烷酮，超声分 散后均匀涂敷于干燥碳毡，真空干燥得到载催化剂阴极。也可以参照
发明者娜 卢, 周顺桂, 莉 庄, 王跃强 申请人:广东省生态环境与土壤研究所