[发明专利]微生物燃料电池及木薯废醪液资源化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可以在处理污水的同时回收电能的微生物燃料电池装置，属于环境保护与资源综合利用领域。

背景技术

由于全球石化能源短缺问题以及在使用和开采过程中对环境的危害，寻求可再生的新能源已引起全球关注。生物质是一种可再生能源，储量丰富，作为化石能源的替代能源，其利用可实现CO₂零排放，且其中S、N含量低，可大大减轻温室效应和环境污染。有机废水就是一种可回收能源的生物质能，从有机废水中可回收的能源目前主要有甲烷、氢气和电能。微生物燃料电池(MFC)是一种可以实现能源转换的新的概念和装置。利用微生物燃料电池，既可以实现将葡萄糖等简单小分子直接转化成电能，也可以实现复杂生物质中所蕴含的化学能的转换。应用MFC处理有机废水处理，可达到回收电能及净化废水的双重目的。MFC的经典设计是双室的“H”型结构，其基本原理是：具有胞外直接电子传递能力的微生物附着生长在阳极表面，在氧化有机物的同时获得电子和质子，电子通过一系列的呼吸酶在细胞内传递，于呼吸链末端特定点位将电子传递到阳极表面，同时释放质子，电子通过外电路传递到阴极，同时质子透过阳离子交换膜扩散到阴极室，在阴极表面，电子、质子与氧化剂反应，生成稳定的还原产物，从而完成整个能量转化的电化学过程。

在以生物质为底物的MFC研究中，经历了从利用简单的易降解有机物到复杂的有毒有害工业废水及多元生物质的过程。在生物质产电应用研究中，专利申请号200710144804.9公开了一种微生物燃料电池及利用秸秆发电的方法，该方法通过对秸秆进行汽爆、解毒处理，得到的秸秆固体底物和上清液分别进行产电，在产电过程中加入了纤维素降解混合菌培养液。专利申请号200910041235.4公开了一种微生物电池装置及城市污泥的处置方法，该方法所述微生物燃料电池阳极室和阴极室采用隔离材料隔离，阳极设于底部被污泥掩埋，污泥沉降后上清液进入阴极室与阴极下表面接触，该装置不仅可作为单体应用，还可进行单体堆置的组合应用，为污泥处置提供了新途径；专利申请号200710144550.0公开了一种微生物燃料电池及处理啤酒废水的方法，该方法采用单室筒状MFC，以啤酒废水中的土著微生物作为菌源启动反应器，利用微生物分解代谢降低有机物浓度同时获得电能。专利申请号200510079759.4公开了一种无介体微生物燃料电池，该方法使用生活废水、软骨素废水、糕点厂废水、蔗糖厂废水以及玉米秸秆作为燃料进行产电，得到不同底物下的功率密度。随着研究的深入，微生物燃料电池的应用范围得到极大扩展，但国内外至今还没有有关微生物燃料电池处理燃料乙醇废醪液的报道。

在燃料乙醇工业中，通常以甘蔗、玉米以及木薯等为主要原料，而发展“非粮”生物质乙醇是世界范围内生物质乙醇技术的发展趋势。木薯是非粮农产品，采用木薯为原料生产燃料乙醇符合中国国情。木薯经过预处理、水洗、糖化、发酵后，发酵液经过蒸馏提取乙醇过程中产生的废水为废醪液，木薯废醪液是一种酸性的高浓度有机废水，pH范围4～4.5，COD40000～80000mg/L，BOD 20000～40000mg/L，SS 20000～30000mg/L，色度大，处理量大，每生产1t燃料乙醇将排放13～18t废醪液，处理工艺复杂，能耗高，节能潜力巨大；而另一方面，废醪液中含有的10％～20％固体物质中有70％为有机物，如酵母菌体、糖份、氨基酸、维生素、有机酸等，是一种可以综合利用的有机废水。木薯废醪液所含的蛋白质和脂肪均较低，而纤维素含量较高，不能满足饲料营养的要求，因此木薯废醪液既不适宜直接灌溉农田的处理方法，也不适宜用全糟干燥生产DDGS(全干燥蛋白饲料)的处理工艺，而由于木薯废醪液粘度大、固形颗粒软且疏水性差，导致常规的厌氧-好氧工艺不能有效处理，因此寻求一种木薯废醪液处理与资源化方法，已成为木薯燃料乙醇企业节能减排的关键。

发明内容

本发明的目的是为了解决常规污水处理工艺难以有效实现木薯废醪液资源化的问题，特别是废醪液在MFC中没有直接利用的问题，提供一种微生物燃料电池装置及其利用废醪液发电的方法。本发明利用微生物燃料电池处理废醪液，能够在处理废水的同时获得电能，该方法简单、操作方便、成本低、效率高且无污染。