（环境工程专业论文）外加酶强化剩余污泥微生物燃料电池的产电性能及基质变化研究.pdf

q i， i 1 0：，i“ l j 2 t h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e sa n dc h a n g e so nt h es u b s t r a t e so fm i c r o b i a lf u e l c e l l su s i n ge x c e s ss l u d g ea sf u e la n de h a n c e db ya d d i t i o n a le n z y m e y a n gh u i b e ( s h a n x iu n i v e r s i t y ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e e n v i r o m n e n t a le n g m e e n n g 一- i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl ix i a o m i n ga n ds e n i o re n g i n e e rl i uy a n g m a y ，2 0 1 1 5 舢62洲80 川9i 脚y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：凉慧 日期：勿，1 年夕月 j f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：赤多莹 导师签 日期：勿1 年歹y j fj日 b 期：沙1 1 年【其f 日 外加酶强化剩余污泥微，物燃料电池的产电性能及荩质变化研究 摘要 微生物燃料电池( m i c r o b i a lf u e lc e l l ，简称m f c ) 是近年发展起来的一种将 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。与传统的氢氧 燃料电池( r f c ) 、固体氧化物燃料电池( s o f c a ) 等相比，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。研究证明，与以纯物质为燃料 相比，以混合物为燃料的m f c 产生的最大功率密度低，但利用混合有机物作燃 料更具有实际应用价值。目前一些研究者将m f c 的研究应用于污水、污泥、垃 圾渗滤液等环境污染物的治理，这些污染物不仅能得到有效处理，还能产生清 洁能源。 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m f c 燃料的潜在条件。但直接 以剩余污泥作为燃料，m f c 的最大功率密度及污泥的水解率都较低。这可能是 因为大分子有机物的水解速率较慢，限制了有机物生物降解速率，影响m f c 产 电效率及污泥减量过程。如何有效地水解污泥中高分子有机物，提高s c o d 浓 度，是强化以剩余污泥为燃料的m f c 产电特性和污泥减量化的关键。酶强化污 泥技术不仅改善污泥消化性能，强化污泥水解效率，且经济效益高，无二次污 染问题。 本实验将酶促污泥水解作用与剩余污泥微生物燃料电池相结合，考察外加 酶( 中性蛋白酶、a 淀粉酶) 对以剩余污泥为燃料的微生物燃料电池产电特性 的强化作用及对污泥减量程度的影响。结果表明：外加酶对微生物燃料电池产 电特性具有显著的强化作用，同时剩余污泥的减量化程度也得到明显提高；酶 最佳投加量1 0m g g 以时，s s m f c 输出的最大功率密度及污泥减量取得最大值， 即中性蛋白酶组产生的最大功率密度、库仑效率、t c o d 去除率、t s s 去除率、 v s s 去除率分别为5 0 7m w m 、3 9 8 、8 8 31 、8 3 18 、8 9 0 3 ，而0 【淀 粉酶组产生的最大功率密度、库仑效率、t c o d 去除率、t s s 去除率、v s s 去除 率分别为7 0 0 m w m 、5 1 l 、9 4 0 9 、9 8 0 2 、9 8 8 0 ；仅淀粉酶对m f c 产电特性及污泥减量的强化作用强于中性蛋白酶；系统运行过程中，酶活性、 蛋白质、溶解性糖都先迅速增加至最大值后缓慢降低。 关键词：外加酶；剩余污泥；微生物燃料电池；功率密度；减量化 i i 硕士学位论文 a b s t r a c t m i c r o b i a lf u e lc e l lt h a tc o n v e r tt h ec h e m i c a le n e r g yi nt h ef u e li n t oe l e c t r i c a l e n e r g yi sh i g h l ya c t i v ea n dc l e a n i n gt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s c o m p a r e dt ot h e t r a d i t i o n a lh y d r o g e nf u e lc e l la n ds o l i do x i d ef u e lc e l l ，t h em i c r o b i a lf u e lc e l ln o t o n l vh a se x t e n s i v ef u e l ，b u ta l s oc a na t t a i nd o u b l ee f f e c t so fp r o d u c i n ge l e c t r i c i t y a n dd e g r a d a t i o no fp o l l u t a n t s s o m er e s e a r c h e sp r o v e dt h a tt h em a x i m u mo u t p u t p o w e rd e n s i t yp r o d u c e db ym f c w i t hm i x t u r ew a sl o w e rt h a nb ym f cw i t hp u r e ， b u tt h em f cw i t hm i x t u r ep o s s e s s e st h ev a l u eo fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n a tp r e s e n t ， af e wo fr e s e a r c h e r sa p p l ym f ct ot h et r e a t m e n to fp o l l u t a n t ss u c ha ss e w a g e ， s l u d g e ，l a n d f i l ll e a c h a t ea n ds oo n t h r o u g ht h em i c r o b i a lf u e lc e l l s ，t h e r ea r el o t s o fc l e a n i n ge l e c t r i c i t yt ob ep r o d u c e da n dt h o s ep o l l u t a n t sc o u l db er e d u c e d s u r p l u ss l u d g ei st h ep r o d u c t i o no fu s i n ga c t i v es l u d g et o d e a lw i t hs e w a g e ， a n dh a sm u c ho r g a n i cc o n t e n t ，s u c ha sp r o t o n ，c a r b o h y d r a t e ，a n df a t s os u r p l u s s l u d g ei sap o t e n t i a lf u e l h o w e v e r ，t h em f c w h i c hd i r e c t l yu s es u r p l u ss l u d g ea s s u b s t r a t ep r o d u c e se x t r e m e l yl o wt h em a x i m u mo u t p u tp o w e rd e n s i t ya n dt h e r e d u c t i o no fe x c e s ss l u d g e t h er e a s o ni st h a ts l o wh y d r o l y s i sr a t eo fh u g eo r g a n i c s u b s t a n c el i m i t st h ed e g r a d a t i o no fo r g a n i c sb ym i c r o o r g a n i s m ，a n de v e nh a sg r e a t i m p a c t o nt h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c i n ge l e c t r i c t y a n dr e d u c t i o no fe x c e s s s l u d g e h o wi m p r o v eh y d r o l y s i sa n dt h es c o di s t h ek e yt oe n h a n c et h ep o w e r p r o d u c e db ym i c r o b i a lf u e l c e l la n dt h er e d u c t i o no fs u r p l u ss l u d g e e n h a n c e d h y d r o l y s i sb ya d d i t i o n a le n z y m ec a nn o to n l yi m p r o v es l u d g ed i g e s t i b i l i t y ，b u t a l s or e d u c ed i s p o s a lc o s t s ，a n di t sp r o d u c t sa r eh a r m l e s st oe n v i r o n m e n t c o m b i n i n gt h es l u d g eh y d r o l y s i sw i t hs u r p l u ss u l d g em f c ，t h e e f f e c t so f c o m m e r c i a le n z y m ep r e p a r a t i o nc o n t a i n i n ga l p h aa m y l a s ea n dn e u t r a lp r o t e a s eo n t h ef e a t u r e so fe l e c t r i c i t yp r o d u c t i o na n dh y d r o l y s i s o fe x c e s ss l u d g ew e r e i n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a t a d d i t i o n a le n z y m eg r e a t l ye n h a n c e dt h e m a x i m u mo u t p u tp o w e rc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h er e d u c t i o no fs u r p l u ss l u d g e t h e m a x i m u mo u t p u tp o w e rd e s t i n i e s ，c o u l o m be f f i c i e n c y ，e f f i c i e n c yo fr e d u c i n g t c o d ，e f f i c i e n c y o fr e d u c i n gt s sa n de f f i c i e n c yo fr e d u c i n gv s sc o u l d r e s p e c t i v e l yr e a c hu pt o5 0 7w m 2 ( 7 0 0 r o w m 。2 ) ，3 9 8 ( 5 11 ) ，8 8 31 ( 9 4 0 9 ) ，8 3 18 ( 9 8 0 2 ) a n d8 9 0 3 ( 9 8 8 0 ) f o rp r o t e a s e ( a a m y l a s e ) a tt h e d o s a g eo f10m g g m o r e o v e r ，a a m y l a s eh a dh i g h e re f f i c i e n c yt h a np r o t e a s ei n t h ep r o m o t i o no fe l e c t r i c i t yg e n e r a t i o n d u r i n gt h es y s t e mo p e r a t i o n ，t h ea c t i v i t y i i i 外加酶强化剩余污泥微生物燃料电池的产电性能及摹质变化研究 o fe n z y m e ，p r o t e i na n d g l u c o s ea l l f i r s t q u i c k l yi n c r e a s e da n dt h e ns l o w l y d e c r e a s e d k e yw o r d s a d d i t i o n a le n z y m e ；s u r p l u ss l u d g e ；m i c r o b i a lf u e lc e l l ；p o w e rd e s t i n y ； r e d u c t i o n i v 硕- j ：学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i i i 附表索引i x 第l 章绪论1 1 1 课题研究的背景与意义1 1 1 1 课题研究的背景。_ 1 1 1 2 课题研究的意义l 1 2 微生物燃料电池( m f c ) 2 1 2 1m f c 的工作原理2 1 2 2 m f c 的分类一3 1 2 3 m f c 的优势及研究进展4 1 3 剩余污泥4 1 3 1 污水处理厂的剩余污泥现状4 1 3 2 剩余污泥的产生、特性与危害5 1 3 3 剩余污泥的处理、处置与资源化一5 1 z il 晦6 1 4 1 酶的概念【39 1 6 1 4 2 酶的分类、组成及作用机制6 1 4 3 酶的显著特性【4 2 1 8 1 4 4 酶活性9 1 4 5 酶动力学分析【4 1 1 1 0 1 5 胞外酶水解剩余污泥1 1 1 5 1 胞外酶水解剩余污泥的原理l l 1 5 2 胞外酶水解剩余污泥的显著特性1 2 1 5 3 胞外酶水解剩余污泥的研究现状1 3 1 5 4 胞外酶水解剩余污泥的影响因素13 1 6 以剩余污泥为燃料的m f c 研究现状1 5 1 7 课题研究的主要内容1 6 第2 章酶强化s s m f c 产电特性1 7 v # i - n 酶强化剩余污泥微生物燃料电池的产电性能及基质变化研究 2 1 前言17 2 2 材料与方法17 2 2 1 实验材料l7 2 2 2 实验设计18 2 2 3 测定分析方法18 2 3 实验装置与仪器1 9 2 - 3 1 实验装置一19 2 3 2 实验主要仪器1 9 2 4 结果与讨论2 0 2 4 1a 淀粉酶的强化作用2 0 2 4 2 中性蛋白酶的强化作用2 0 2 5 小结2 2 第3 章外加酶s s m f c 产电特性的影响因素2 3 3 1 前言2 3 3 2 材料与方法2 3 3 2 1 实验材料2 3 3 2 2 实验设计2 3 3 2 3 测定分析方法2 4 3 3 实验装置与仪器2 4 3 3 1 实验装置2 4 3 3 2 实验主要仪器2 4 3 4 结果与分析2 2 4 3 4 1 酶投加量对s s m f c 产电特性的影响2 4 3 4 2 温度对s s m f c 产电特性的影响2 4 3 5 讨论2 4 3 5 1 最佳酶投加量2 4 3 5 2 最适温度2 4 3 6 小结2 4 第4 章外加酶s s m f c 的基质变化分析：2 4 4 1 前言2 4 4 2 材料与方法2 4 4 2 1 实验材料2 4 4 2 2 实验设计2 4 4 2 3 测定分析方法2 4 4 3 实验装置与仪器2 4 v i 硕i ：学位论文 4 3 1 实验装置2 4 4 3 2 实验主要仪器2 4 4 4 结果与分析2 4 4 4 1 污泥固相基质( t s s 、v s s ) 的变化2 4 4 4 2 污泥固相基质( t c o d ) 的变化2 4 4 4 3 污泥液相基质( s c o d 、蛋白质、溶解性糖) 的变化一2 4 4 5 讨论2 4 4 6 j 、结2 4 第5 章反应体系中酶活性变化一2 4 5 1 前言2 4 5 2 材料与方法2 4 5 2 1 实验材料2 4 5 2 2 实验设计2 4 5 2 3 测定分析方法2 4 5 3 实验装置与仪器2 4 5 3 1 实验装置2 4 5 3 2 实验主要仪器2 4 5 4 结果与分析2 4 5 5 讨论2 4 5 6 爿、结2 4 结论2 4 参考文献2 4 致 谢2 4 附录b 攻读学位期间所发表的学术论文目录一2 4 v i i 外加酶强化剩余污泥微生物燃料电池的产电件能及基质变化研究 插图索引 图1 1 典型双室微生物燃料电池示意图2 图1 2 上流式m f c ( a ) 和堆叠式m f c ( b ) 3 图1 3 底物与酶的结合8 图1 4 酶加速反应机理( 降低a g 木) 1 0 图1 5 作用物浓度与酶反应速度的关系10 图1 6 胞外酶水解有机物过程1 1 图2 1s s m f c 实验装置19 图2 2 淀粉酶对s s m f c 功率密度的影响2 0 图2 3 中性蛋白酶对s s m f c 功率密度的影响2l 图3 1 淀粉酶投加量对s s m f c 功率密度的影响2 4 图3 2 淀粉酶投加量对污泥减量化的影响2 4 图3 3 中性蛋白酶投加量对s s m f c 功率密度的影响2 4 图3 4 中性蛋白酶酶投加量对污泥减量化的影响2 4 图3 5 淀粉酶、中性蛋白酶投加量对库仑效率的影响一2 4 图3 6 温度对a 淀粉酶s s m f c 产电特性的影响2 4 图3 7 温度对中性蛋白酶s s m f c 产电特性的影响2 4 图4 1s c o d 与电压的变化2 4 图4 2 仅淀粉酶作用下蛋白质、溶解性糖与电压的关系2 4 图4 3 中性蛋白酶作用下蛋白质、溶解性糖与电压的关系2 4 图5 1 酶活力随时间的变化2 4 硕十学位论文 附表索引 表1 1 酶的分类7 表2 1 试验中用的酶17 表4 10 【淀粉酶s s m f c 中污泥t s s 和v s s 的变化2 4 表4 2 中性蛋白酶s s m f c 中污泥t s s 和v s s 的变化2 4 表4 3 外加酶s s m f c 中污泥t c o d 的变化2 4 硕一i ：学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 1 1 1 课题研究的背景 随着全球经济迅速发展、人口日益剧增，城市污水处理厂的建设规模与处 理程度也在不断扩大和提高，导致剩余污泥的产量与日俱增。目前，我国每年 产生的剩余污泥量高达1 亿吨以上，污泥处理的投资与运行费用占整个城市污 水处理厂的5 0 6 0 t 卜引。剩余污泥的成分相当复杂，不仅含有细菌、病原微 生物、寄生虫卵及重金属离子，而且含有各种难降解的合成有机物，如可吸附 性有机卤素( a o x ) 、阴离子合成洗涤剂( l a s ) 、多氯联苯( p c b ) 等，置于 环境中会产生大量恶臭气味，若不加以控制，必会造成严重的二次污染【3 】。但 剩余污泥中含有大量蛋白质、脂肪等有机营养物质，若将其直接作为污泥处理 会造成资源的浪费。目前，许多国家已不再将剩余污泥作为无价值的废弃物而 简单处理并丢弃，而是将污泥作为一种可回收利用的资源与能源的载体，污泥 的处置向着无害化、减量化、稳定化、资源化的方向发展【4 】。 微生物燃料电池( m i c r o b i a lf u e lc e l l ，s s m f c ) 是一种利用微生物作生物催 化剂，将蕴含在燃料中的化学能直接转化为电能的高效、环境友好的新型产电 装置，与传统的氢氧燃料电池( r f c ) 、固体氧化物燃料电池( s o f c a ) 等相 比，燃料来源广泛，并能达到产电与废物处理的双赢局面【5 】。剩余污泥中含有 大量的有机营养物质具有作为燃料的潜能，但所含的有机物大部分处在固相 中，不能被微生物直接利用，从而阻碍m f c 的产电效率及污泥减量程度。因 此促进剩余污泥微生物燃料电池中( s s m f c ) 污泥的水解是增强s s m f c 产电 效率的关键。 1 1 2 课题研究的意义 可再生的新能源与人们赖以生存的环境质量，都是目前举世瞩目的重大问 题。s s m f c 既能提高环境质量，又能产生可再生替代性能源，因此促进污泥 水解，有效地改善s s m f c 装置，增强产电效率及污泥减量程度，是一个具有 广阔发展前景和重要意义的研究方向。目前，国内外有关利用生物技术对剩余 污泥资源化处理的研究领域主要有厌氧或好氧堆肥、厌氧产甲烷、发酵产氢、 微生物燃料电池等【2 6 】，但污泥的处理效率都较低。为了提高污泥的处理效率， 许多研究者采取物理法、化学法或生物法等对污泥进行预处理。相对于这些预 处理方法，外加酶技术不但可以改善污泥的消化性能，而且还效率高、成本低、 外加酶强化剩余污泥微生物燃料电池的产电性能及基质变化研究 无二次污染7 1 。因此，本文着重考察了外加酶对s s m f c 的产电特性及污泥性 质变化影响，各因素对外加酶s s m f c 产电特性及污泥性质变化的影响，系统 运行过程中酶活性的变化，以及其在实际应用方面的研究进展，为该领域的进 一步研究提供重要依据。 1 2 微生物燃料电池( m f c ) 1 2 1m f c 的工作原理 微生物燃料电池是利用厌氧条件下的微生物作为生物催化剂，将储存在有 机物中的化学能直接转化为电能的新型产电技术。这些微生物都吸附在阳极表 面，发生氧化反应降解有机物或污染物产生电子和质子。产生的电子通过外电 路传递到阴极，从而产生外电路电流；产生的质子通过分隔材料( 盐桥或质子 交换膜( p e m ) ) 或直接通过电解液达到阴极，在阴极与电子、氧化物( 氧气、 铁氰化钾等) 发生还原反应，完成电池内部电荷传递的整个过程 8 - 9 l 。图1 1 为典型的双室m f c 产电装置及其工作原理示意图 1 0 l ，包括阳极室、阴极室及 两者之间的分隔材料质子交换膜。 r e s i s t a n e e 图1 1 典型双室微生物燃料电池示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fat y p i c a lt w o - c h a m b e rm i c r o b i a lf u e lc e l l 典型电极反应如下( 以醋酸为例) ： 阳极反应：c h 3 c o o 。+ 2 h 2 0 一2 c 0 2 + 7 h + + 8 e 。 阴极反应：0 2 + 4 e + 4 h + 一2 h 2 0 2 硕一j 二学位论文 整个反应过程是底物燃料( 纯化学物质如蛋白质【1 、醋酸盐【1 2 l 等和混合有机 物如淀粉废水f 13 1 、黄姜废水【1 4 1 、啤酒废水1 15 1 等) 被微生物降解为c 0 2 和h 2 0 ， 并伴随着电流的产生。 1 2 2 m f c 的分类 微生物燃料电池是生物电池的一种，利用吸附在阳极表面的微生物作为催 化剂。m f c 的种类多样，可按不同的分类方式。按m f c 反应装置的结构，m f c 可分为双室m f c 和单室m f c 。典型的双室m f c 包括阳极、阴极室，中间通 过p e m 或盐桥连接。单室m f c 从电极构型上可分为：阴阳极与膜压制为一体 ( “三合一”电极) 、阴极与膜压制为一体( “二合一”电极) 、无质子交换膜或 多孔膜；从外形上又可分为管型、平板型 1 6 , 1 7 1 。单室m f c 以空气中的氧气作 为氧化剂，不需要曝气，所以结构简单、成本低，更适用于规模化。在两种典 型m f c 装置的基础上，许多研究者将其进行了相应的改进，使其具有更大的 实际应用价值，如类似于流化床反应器的填料式m f c 、上流式m f c ( 图1 2 a ) 、 堆叠式m f c ( 图1 2 b ) 等 1 0 , 1 8 - 1 9 】。 g r a n u l a r a n o d e r u b b e r g a s k e t b s c r e w b o | l 图1 2 上流式m f c ( a ) 和堆叠式m f c ( b ) f i g 1 2s c h e m a t i c so fm e d i a t o r - a n dm e m b r a n e l e s sm f cw i t hc y l i n d r i c a ls h a p e ( a ) ； s t a c k e dm f c sc o n s i s t i n go fs i xi n d i v i d u a lu n i t sw i t hg r a n u l a rg r a p h i t ea n o d e ( b ) 按m f c 中阳极表面所吸附的微生物种类多少，m f c 大致可分为单种菌群 m f c 和混合菌群m f c ，其中混合菌群m f c 更具有实际意义，因为混合菌群有 更高的底物降解速率和能量输出效率，并且更有益于电极表面富集优势菌种。 这句话是否有必要：无论m f c 如何分类或改进，其优势、特征及基本工 3 外力酶强化剩余污泥微生物燃料电池的产电惟能及基质变化研究 作原理都是一致的。 1 2 3 m f c 的优势及研究进展 与传统燃料电池相比，作为一种理想的新型清洁能源技术，m f c 具有以 下优势【2 0 , 2 1 】：( 1 ) 底物燃料来源广泛，醋酸盐、葡萄糖等纯物质燃料及生活污 水、垃圾渗滤液等复杂污染物都可最为m f c 的燃料；( 2 ) 反应条件温和，m f c 是利用微生物作为催化剂，在常温甚至低温下都能有效运行；( 3 ) 清洁、环保， m f c 最终产生的气体是c 0 2 ，其对环境无污染，无需处理；( 4 ) 无耗能、高产 能，m f c 运行中，无需能量输入，仅需通风补充阴极的气体( 0 2 ) 或维持阴 极与空气接触良好；( 5 ) 生物相容性良好，m f c 可直接以人体内的葡萄糖作 为燃料、氧气作为电子接受体，从而m f c 能方便地植入人体内，作为心脏起 搏器等人造器官的电源。 在全球能源短缺与环境污染的双重危机下，m f c 因其独特的优势深受研 究者的关注。尽管目前有关m f c 的研究还处于试验期，离实际应用有一定的 距离，然而m f c 在许多方面的潜在发展及应用前景都令人们满意。例如m f c 能够以废液( 工业废水、垃圾渗滤液 2 2 , 2 3 】等) 、废物( 剩余污泥【2 4 1 等) 直接作 为燃料，在产生电能的同时，这些物质被m f c 中的微生物降解，达到产能与 净化环境的双重效果；m f c 将燃料中的化学能直接转化为电能的转化效率非 常高，理论上能够建造出既便宜又持久的产电系统；m f c 通过一定的改装可 以成为新型的生物传感器或人体起搏器，即利用人体内的体液直接作为m f c 的燃料，使其成为人体内的填埋型驱动能源。随着交叉学科的深入研究，特别 是生物电化学、生物传感器的研究、以及电极修饰、纳米科学等的研究，例如 m o o n 等【25 】采用无介体双室微生物燃料电池构建了b o d 传感器，从而使生物 传感器的寿命延长到5 年以上；吴锋等【2 6 j 利用单室微生物燃料电池构建了低成 本的b o d 生物传感器。并且m f c 也将应用于环保、医学、备用电力设施、移 动装置、航海等领域。 1 3 剩余污泥 1 3 1 污水处理厂的剩余污泥现状 随着工业化和城市化的迅速发展，全球环境污染问题日益严重。目前城市 污水处理厂所采用的污水处理技术主要是活性污泥法，在处理过程中会伴随大 量剩余污泥的产生。据中国环境公告：l9 9 9 年，我国有2 8 3 座污水处理厂运行， 每天污水处理量为12 0 0 万吨，剩余污泥年产生量达1314 万吨( 含水量9 7 ) ； 至2 0 0 4 年，我国投入运营的污水处理厂已有7 0 0 多座，日污水处理量约4 5 0 0 万吨【2 】。据统计，2 0 10 年，我国污水处理厂产生的剩余污泥干重高达3 6 0 万吨。 4 硕i ：学位论文 这些剩余污泥必须经过一定的处理，才能排入环境中，然而污泥处理所需成本 十分高。我国剩余污泥处置费用占整个污水处理厂总投资的2 5 6 0 f 27 1 。 因而，研究高效、清洁、环保的剩余污泥处理技术，不仅能降低处理成本， 而且还能积极推动我国和全世界污泥处理技术的发展，其具有重要的实际应用 价值。 1 3 2 剩余污泥的产生、特性与危害 剩余污泥是由活性污泥法处理污水所产生的伴随物：正常条件下，活性污 泥中的微生物不断地进行新陈代谢( 合成代谢和分解代谢) ，但随活性污泥持 续增长，曝气池内的污泥越积越多，必须排除一部分污泥，才能保持污水处理 系统正常运行，从而被排出的那一部分就成为剩余污泥。由此可知，剩余污泥 的组成与活性污泥相同，即由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物、无 机物所组成的集合体，含水量高达9 0 以上，并且成分复杂，其中包含重金属、 病原菌、寄生虫卵及难降解合成有机物等有害物质。若不加以处理，将污泥直 接排入环境中，会产生恶臭气体，造成“二次污染”，最终严重危害到人类的身 体健康【2 1 。 。 从微生物所需营养考虑，剩余污泥含有大量碳水化合物、蛋白质等营养物 质及氮磷营养元素，具备作为m f c 底物燃料的基本条件1 2 8 1 。 “q 1 3 3 剩余污泥的处理、处置与资源化 目前，较为成熟的污泥处理技术主要是农业利用、填埋、焚烧等【2 9 。3 0 】，但 这些技术存在很多问题：剩余污泥中含有大量诸如重金属等有害物质，这些有 毒物质不仅会长期残留在土壤中，还会被农作物吸收，最终影响人们的身体健 康；剩余污泥的填埋处理不仅占用大量的土地资源，而且若填埋不当或由于外 界条件影响，将会造成沥滤液的渗出，污染地下水，影响给水水质；焚烧可迅 速氧化污泥并释放一定的能量，但焚烧过程能耗高、成本高，并产生大量废气， 若不加以处理会造成二次污染。因而，这些传统的污泥处理方法应得到有效地 改进，努力寻求一种清洁高效地处理污泥技术，实现污泥稳定化、无害化、减 量化、资源化【3 卜3 3 】。 根据剩余污泥的自身特性，即含有蛋白质、脂肪、碳水化合物等有机营养 物质，使得污泥处理工艺等技术研究在许多领域有所突破，为污泥资源化利用 奠定了重要基础。这其中包括： ( 1 ) 污泥超声波破解技术【34 1 。原理主要是利用极短时间内的超声空化作用 所形成的局部高温、高压条件，并伴随着强烈的微射流和冲击波，轰击微生物 细胞，使其细胞壁破裂，细胞的内含物溶出，固相c o d 转化为液相c o d ，从而 大幅度提高污泥水解速率。污泥超声波破解技术可以应用于污泥消化预处理， 外加酶强化剩余污泥微乍物燃料电池的产电性能及雇质变化研究 从而强化消化效率，剩余污泥被破解后进行回流，经过再次处理减少污泥排放 量。目前，德国在污泥超声波破解污泥技术方面的研究处于世界前列。 ( 2 ) 污泥好氧消化【3 5 。36 。污泥好氧消化技术本质上就是活性污泥法的 继续，其原理为在剩余污泥中微生物的内源代谢过程中，进行曝气通入氧气， 使得污泥中的微生物有机体进行自身氧化分解，转化为二氧化碳、水和氨气等， 从而达到污泥的稳定化。目前，许多发达国家都采用污泥好氧消化技术，如美 国、加拿大等。 ( 3 ) 污泥厌氧消化【3 7 j 。从生物能源利用及环境保护角度出发，剩余污泥 的厌氧消化技术是一种可持续发展的处理技术，其中以中温3 3 3 5 厌氧消化 为主。污泥经过厌氧消化后，4 0 5 0 的有机物被分解，部分寄生虫卵、致病 菌被杀死，且消化后产生的甲烷可被利用。但污泥厌氧消化仍存在一些缺点， 如中温厌氧消化反应速度慢、污泥停留时间长、池体体积大、操作管理复杂等。 ( 4 ) 污泥湿式空气氧化【3 8 】。其工作原理是将剩余污泥置于密闭反应器中， 高温高压条件下向反应器中通入空气或氧气作为氧化剂，将污泥中的有机物氧 化分解为无机物。湿式氧化过程包括水解、裂解和氧化等。剩余污泥经过湿式 氧化后，脱水性及强，且灭菌率高。 1 4 酶 1 4 1 酶的概念【3 9 】 酶是由生物体细胞产生的一种生物催化剂，位于细胞体内或被分泌到细胞 体外。除了少数是具有催化活性的r n a 分子以外，几乎所有的酶都是蛋白质。 所有生物体的新陈代谢中的各种化学反应都是在酶促作用下进行的。酶是促进 一切代谢反应的物质，若没有酶，代谢会停止，生命也立即停止。例如食物只 有在酶的催化作用下分解为小分子物质，才能透过肠壁，从而被组织吸收和利 用。 1 4 2 酶的分类、组成及作用机制 1 4 2 1 酶的分类1 4 0 l 19 6 1 年国际生化联合会酶学委员会根据酶催化反应的类型提出将酶分为6 类，如表1 1 ： ( 1 ) 氧化还原酶在生物体内促进底物氧化或还原的酶，参与产能、解毒 和某些生理活性物质的合成，如各种脱氢酶、氧化酶、过氧化物酶等。 ( 2 ) 转移酶在生物体内使某些基团从一个化合物转移到另一个化合物， 参与蛋白质、核酸、脂肪及糖的代