一种微生物电池装置及城市污泥的处置方法.pdf

本发明公开了一种微生物电池装置及城市污泥的处置方法。所述微生物燃料电池包括阳极室、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。本发明同时提供了利用所属微生物燃料电池处置污泥的方法。作为污泥处置的新途径，本发明可以解决目前污泥处置技术存在的不足，并有效拓展微生物燃料电池的应用领域，适应了当前环保形势的需要。

1、  一种城市污泥的处置方法，其特征在于采用微生物燃料电池技术处置污泥，所述微生物燃料电池采用隔离材料分隔为阳极室与阴极室，城市污泥注入阳极室作为微生物燃料电池的燃料，城市污泥沉降产生的上清液渗过隔离材料进入阴极室，阴极被动曝气供氧；以导线分别从阳极室的阳极与阴极室的阴极引出连接外电阻构成回路消耗污泥有机物产生电能。

2、  根据权利要求1所述城市污泥的处置方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)待处理污泥自然沉降产生上清液；
(2)将阳极埋于污泥中；将阴极安装于上清液液面上，阴极的下表面与上清液液面紧贴，阴极涂催化剂的上表面与空气接触；
(3)以导线连接微生物燃料电池的阳极和阴极，接通外电路，构成微生物燃料电池单体，进行产电微生物驯化；微生物驯化完毕后进行重复的污泥处置与产电操作。

3、  根据权利要求2所述城市污泥的处置方法，其特征在于还包括以下步骤：将至少两个所述的微生物燃料电池单体堆置而成微生物燃料电池堆后再进行产电微生物驯化；微生物驯化完毕后进行重复的污泥处置与产电操作。

4、  根据权利要求2所述城市污泥的处置方法，其特征在于步骤(1)所述污泥和上清液之间采用隔离材料隔离。

5、  一种实现权利要求1或2所述方法的微生物电池装置，其特征在于包括阳极室、阳极、隔离材料、阴极和导线，阳极室设有污泥进出口；所述阳极室内注入待处理污泥，阳极埋于污泥中；阴极一面紧贴于污泥沉降后产生的上清液液面，阴极涂催化剂的另一面与空气接触；以导线连接阴、阳两极形成回路。

6、  根据权利要求5所述的微生物电池装置，其特征在于所述隔离材料平行于阳极室底面。

7、  根据权利要求5所述的微生物电池装置，其特征在于所述隔离材料为滤网、纱网、网格布或尼龙布，所述隔离材料的网格孔径为100～300目。

8、  根据权利要求5所述的微生物电池装置，其特征在于所述阳极材料为碳毡、石墨颗粒或碳纤维刷；所述阴极为附载催化剂的碳布、碳纸或碳毡；所述催化剂为铂、热解酞菁亚铁、四甲氧基苯基钴卟啉或二氧化锰。

9、  一种实现权利要求3所述方法的微生物电池装置，其特征在于由至少两个微生物燃料电池单体堆置而成，单体间不相通，每一单体单独进出料；每一单体的阴、阳极由导线分别引出，首尾相接进行串联或并联连接；首个单体阳极或阴极与末尾单体阴极或阳极引出的导线接外阻构成外电路。

10、  根据权利要求9所述的微生物电池装置，其特征在于是将一容器用隔板分成若干竖向平行的小室，每一小室构成一个微生物燃料电池单体。

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。
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。
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)、四甲氧基苯基钴卟啉(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。也可以参照公开号为CN101355170的专利申请中所涉及的制备方法。
阳极室中加入待处理污泥，接通外电路，进行产电微生物驯化；待阳极微生物驯化完毕，形成成熟、稳定的生物膜时，可进行重复的污泥处置与产电操作。每周期中，待电压降至50mV以下时由容器下方进、出口更换污泥，进入下一周期。污泥经MFC产电消耗后，COD得到有效去除。
将上述电池作为一种单体，本发明还提供了一种单体的组合应用方案，可应用于城市污泥处理，并有效提升MFC电压。所述组合的技术方案是由至少两个所述的电池单体堆置而成，每一单体的阴、阳极由导线分别引出，首尾相接进行串联或并联连接；单体间不相通，每一单体单独进出料；首个单体阳极或阴极与末尾单体阴极或阳极引出的导线接外阻构成外电路。
作为一种典型的技术方案，本发明将一容器用隔板分成若干竖向平行的小室，每一小室的结构包括阳极室、阳极、隔离材料、阴极和导线，阳极室设有污泥进出口；城市污泥注入阳极室，城市污泥沉降后产生的上清液进入阴极室；阳极埋于城市污泥之中；阴极紧贴于上清液水面处，其下表面与水接触，上表面涂催化剂，与空气接触；每一小室的阴、阳极由导线分别引出，首尾相接进行串联或并联连接；每一小室间不相通，单独进出料；首个小室阳极或阴极与末尾小室阴极或阳极引出的导线接外阻形成回路构成外电路。所述电池堆具有结构紧凑、输出功率密度高、易扩展放大等优点，克服本发明所属微生物电池输出电压不够高的不足，有效提升MFC电压。
本发明同时提供了城市污泥的处置方法，采用所述微生物燃料电池处置污泥，污泥注入阳极室作为微生物燃料电池的燃料，以导线分别从阳极室的阳极与阴极室的阴极引出连接外电阻构成回路，消耗污泥有机物化学能产生清洁电能并最终降低污泥的COD值。
或者采用所述微生物燃料电池堆处置污泥，污泥分别注入每一个电池装置的阳极室作为燃料，微生物电池堆消耗污泥有机物产生电能。
所述城市污泥的处置方法具体包括以下步骤：
(1)待处理污泥自然沉降产生上清液；
(2)将阳极埋于污泥中；将阴极安装于上清液液面上，阴极的下表面与上清液液面紧贴，阴极涂催化剂的上表面与空气接触；
(3)以导线连接微生物燃料电池的阳极和阴极，接通外电路，构成微生物燃料电池单体，进行产电微生物驯化；微生物驯化完毕后进行重复的污泥处置与产电操作。
本发明的有益效果是：
(1)本发明克服传统污泥处置方法的不足，包括资源浪费、运行成本高、二次污染等技术难题，提供了一种新的污泥处置方法，以污泥作为燃料，使污泥COD有效降低，处置污泥的同时产生清洁电能；本发明提供的微生物燃料电池，可充分利用污泥中有用成分，处置废物同时产生电能，占地面积小，环境友好，符合清洁能源发展的要求。
(2)本发明以廉价易得的网格布分隔阳极室与阴极室，阴极采用被动曝气供氧，构建的微生物燃料电池成本较传统MFC大幅降低，适宜污泥处理方面的应用。本发明无需通气耗能、维护简便；结构简洁、紧凑，易扩展放大且不增加占地面积；造价较低，输出功率密度高、COD去除效果好，适合工业推广应用，有利于扩展MFC的应用领域。
综上所述，本发明提供了一种新的污泥处置方法，将污泥作为燃料产生清洁电能的同时达到处置污泥的效果，同时提供了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，作为污泥处置新的技术方案，可以解决目前污泥处置和微生物燃料电池技术存在的不足，具有广阔应用前景，适应了当前环保形势的需要。
附图说明
图1处置城市污泥的微生物燃料电池单体结构示意图
图2处置城市污泥的微生物燃料电池产电原理示意图
图3处置城市污泥的微生物燃料电池堆结构示意图
图4实施例2处置城市污泥的微生物燃料电池的产电效果图
图5实施例3处置城市污泥的微生物燃料电池堆的产电效果图
图6实施例5处置城市污泥的微生物燃料电池堆的产电效果图
具体实施方式
本发明构建一种新的微生物燃料电池，所述微生物燃料电池采用隔离材料分隔为阳极室与阴极室，城市污泥注入阳极室作为微生物燃料电池的燃料，城市污泥沉降产生的上清液渗过隔离材料进入阴极室，阴极被动曝气供氧；以导线分别从阳极室的阳极与阴极室的阴极引出连接外电阻构成回路。污泥作为微生物燃料电池通过电池产生清洁电能的同时，污泥也得到有效处置，其COD大大降低。下面结合附图和具体实施例来进一步详细说明本发明，本发明改变了微生物燃料电池的基本构造思路，使利用污泥作为燃料具有实际可行性。在下述的实施例中，只是提供一种典型的构造用以说明本发明，并不因此限定本发明范围。
实施例1 利用微生物燃料电池处置城市污泥
本发明提供一种城市污泥的处置方法，包括以下步骤：
(1)设一敞口容器，将微生物燃料电池的阳极安装于容器底部；将城市污泥置于微生物燃料电池容器中进行自然沉降产生上清液，设置隔离材料将污泥和上清液隔离；
将微生物燃料电池的阴极安装于上清液之上，阴极的一面与上清液表面接触，阴极涂催化剂的一面与空气接触；
(2)以导线连接微生物燃料电池的阳极和阴极，接通外电路，进行产电微生物驯化；阳极微生物驯化完毕后进行重复的污泥处置与产电操作。
为了方便实际操作以及今后的操作标准化，本发明提供一种微生物燃料电池装置来完成上述城市污泥的处置。所述微生物燃料电池的结构如附图1所示，产电原理如附图2所示。所述的微生物燃料电池结构简单，仅由阳极室、阳极、隔离材料、阴极室和阴极组成，与现有的微生物燃料电池相比，省略了膜组件。可采用聚乙烯(或其它绝缘材料)材料制成的敞口容器，容器按照常规技术设置进料口和出料口；隔离材料3将容器分为上方空间4和下方空间1，下方空间1为阳极室，阳极室内放置隔离材料3的尺寸与阳极室横截面相适配并可以有效防止污泥膨胀上浮，隔离材料3一侧的表面积如果与阳极室横截面积相等的话效果比较好，可采用网格布、滤网或滤布作为隔离材料3，材料的网格孔径为100～300目，优选200目，所述隔离材料尽量平行于阳极室底面。
从容器的进料口将城市污泥注入阳极室1内，污泥自然沉降产生的上清液通过隔离材料3进入容器上方空间4。城市污泥自然沉降的时间没有特殊要求，通常容器上方空间4积聚一定体积上清液即可。本发明优选上清液达水深2～4cm厚，保持一定的水深，是为了漂浮阴极电极以及保持下方空间1中污泥的厌氧状态。阳极2埋于污泥中，阳极2通常为长方形，本发明阳极2面积尺寸优选略小于阳极室横截面。阳极2与隔离材料3之间的距离优选为1～3cm；阴极尺寸与阳极室横截面相适配，阴极两面5和6，阴极面5紧贴于上清液水面，涂有催化剂的阴极面6面向空气曝于空气中，阴极与隔离材料之间的距离优选2～4cm；阳极与阴极均有导线引出，负载电阻7接通外电路。
所述阳极选用大比表面积导电材料，如石墨颗粒、碳毡、碳纤维刷等。
所述隔离材料可选用价格低廉、空隙适中的工业用滤网、滤布，纱网、尼龙布等材料。
所述阴极选用呈片状、大比表面积导电材料，如碳毡、碳布、碳纸等。
催化剂可采用铂、热解酞菁亚铁(pyr-FePc)、四甲氧基苯基钴卟啉(CoTMPP)或二氧化锰。
阴极反应：
2O₂+8H⁺+8e^-→4H₂O
阳极反应：
C₂H₄O₂+2H₂O→2CO₂+8H⁺+8e^-
实施例2 污泥微生物燃料电池单体对污泥的处理与产电效果实验
(1)城市污泥样品
供试污泥为北京高碑店污水处理厂的浓缩污泥，采回置于4℃冰箱中保存。污泥理化性质如下：pH为6.86；挥发性有机物含量约为49.5％；总碳，279.4克/千克；总氮，27.6克/千克。
(2)微生物燃料电池的构建
如附图1所示，采用横截面边长为6cm的聚乙烯材料长方体容器，容器总高10cm。容器下方进料口(常规技术，图中未做标出)注入144mL污泥，污泥表面距电池底高度约为4cm，投影面积为25cm(5×5cm)的碳毡作为阳极，置于距污泥表面1cm下方的污泥中。污泥表面覆盖边长为6cm的尼龙布，布孔径为100目。污泥沉降产生上清液渗过尼龙布进入容器上方空间4，紧贴于上清液面放置尺寸与阳极室横截面积相同的碳毡作为阴极，阴极与空气接触的表面涂二氧化锰催化剂。阳极碳毡与阴极分别连接导线，待上清液水深约3cm高时，负载1000Ω电阻接通外电路。
催化剂按照现有常规技术制备，方法如下：剪取碳毡(6×6cm)，按质量比65∶20∶15分别称取碳粉、二氧化锰粉末和粘结剂PVDF适量于小烧杯中混匀，加入适量分散剂N-甲基吡硌烷酮溶液使其成糊状，超声分散20min后，用刷子将糊状混合物均匀涂敷于干燥碳毡表面，100℃真空干燥2h。涂催化剂前后称取碳毡重量，计算催化剂载量，或者可参照公开号为CN101355170的专利申请公开的技术方案。
(3)电池启动运行与城市污泥连续产电及处理效果
本发明上述电池可在室温15～35℃环境中启动运行。启动电池时，将供试污泥(含水率为96.3％，COD为31230mg/L)注入容器内，接通电池回路，负载外阻为1000Ω。待输入电压升至0.3V以上时，表明电池启动成功。当输出电压降至50mV以下时，更换污泥，进行产电试验。为期一年的运行结果表明，所述电池在处理污泥的同时，可稳定地产电。处理后污泥COD为9150mg/L，COD去除率为70.7％。电池的产电性能见附图4所示，由附图4可见电池开路电压为0.72V，最大输出功率密度为29.5mW/m²。本发明所述微生物燃料电池可确保实现城市污泥的处置，且同时产生电能。
实施例3污泥微生物燃料电池单体对污泥的处理与产电效果实验
(1)污泥样品
供试污泥为广州猎德污水处理厂的浓缩污泥，采回置于4℃冰箱中保存。理化性质如下：pH为6.69；挥发性有机物含量为45.2％；总碳232.3克/千克；总氮28.2克/千克。供试污泥含水率为96.7％，COD为29050mg/L。
(2)电池的构建
采用横截面边长为6cm的聚乙烯长方体容器，容器总高10cm。下方由进口注入144mL污泥，污泥表面距电池底高度为4cm，投影面积为25cm(5×5cm)的碳毡作为阳极，置于距污泥表面2cm下方的污泥中，周围填充石墨颗粒为补充阳极，以增加阳极表面积。污泥表面覆盖边长为6cm的尼龙布，布孔径为200目。污泥沉降产生上清液渗过尼龙布进入容器上方空间4，紧贴于上清液面放置尺寸与阳极室横截面积相同的碳毡作为阴极，阴极与空气接触的表面涂铂催化剂层，阳极碳毡与阴极分别连接导线，待上清液水深约2cm高时，负载1000Ω电阻接通外电路。
其中，载铂碳毡阴极制备步骤如下：
1)剪取碳毡(尺寸6×6cm)；
2)称取20％碳载铂粉末0.12g于称量瓶中，再加12mL异丙醇分散剂，然后加入5％(质量分数)Nafion溶液0.46mL搅成糊状，超声分散30分钟；
3)用刷子将糊状混合物均匀地涂在干燥的碳毡上，于100℃真空干燥3小时即制得载铂碳布。
4)涂催化剂前后称取碳毡重量，计算催化剂载量。
(3)电池启动运行与城市污泥连续产电及处理效果
本实施例电池在室温15～35℃环境中启动运行。启动电池时，将供试污泥注入容器内，接通电池回路，负载外阻为1000Ω。待输入电压升至0.3V以上时，表明电池启动成功。当输出电压降至50mV以下时，更换污泥，进行产电试验。为期一年的运行结果表明，所述电池在处理污泥的同时，可稳定地产电。处理后污泥COD为7810mg/L，COD去除率为73.1％。电池的产电性能见附图5所示，由附图5可见电池开路电压为0.70V，最大输出功率密度为34.8mW/m²。
本发明所述微生物燃料电池可成功适用于各种城市污泥的处置，且同时产生电能。实施例1～2中所述容器的尺寸仅用于方便形象地说明本发明，并不因此限定本发明的范围。
实施例4 污泥微生物燃料电池堆
本实施例提供一种电池堆装置示意图如附图3所示。一容器由隔板分成6个竖向平行的小室，每一小室为一微生物电池单体，单体间不相通。单体构造参照实施例1或2所述，导线由阴、阳极分别引出，第一个单体8的阴极导线11与第二个单体9阳极导线12相连接，第二个单体9的阴极导线与第三个单体阳极导线相连接，依此类推，第一个单体8阳极导线13与最后一个单体10阴极引出的导线14接外阻7构成外电路；或者第一个单体的阳极导线与第二个阴极导线相连接，第二个单体的阳极导线与第三个单体阴极导线相连接，依此类推，第一个单体阴极导线与最后一个单体阳极引出的导线接外阻构成外电路。每个单体单独进出料，每个单体的污泥进样、电池堆的启动、运行方法与实施例1～2所述电池相同。
实施例5 污泥微生物燃料电池堆对污泥的处理与产电效果实验
(1)污泥样品
供试污泥为广州猎德污水处理厂的浓缩污泥，采回置于4℃冰箱中保存。理化性质如下：pH为6.69；挥发性有机物含量为45.2％；总碳232.3克/千克；总氮28.2克/千克。供试污泥含水率为96.7％，COD为29050mg/L。
(2)电池堆的构建
本实施例提供另一种电池堆，一容器由隔板分成18个竖向平行的小室，构成18个独立的微生物电池单体。每个电池单体的结构同实施例4。阳极采用碳毡材料，阴极采用碳毡附载MnO₂催化剂，导线的连接方法同实施例4，18个单体电池构成串联即可，单体电池具体如何排列不做特殊要求。
催化剂按照现有常规技术制备，方法如下：剪取碳毡(6×6cm)，按质量比65∶20∶15分别称取碳粉、二氧化锰粉末和粘结剂PVDF适量于小烧杯中混匀，加入适量分散剂N-甲基吡硌烷酮溶液使其成糊状，超声分散20min后，用刷子将糊状混合物均匀涂敷于干燥碳毡表面，100℃真空干燥2h。涂催化剂前后称取碳毡重量，计算催化剂载量，或者可参照公开号为CN101355170的专利申请公开的技术方案。
(3)电池启动运行与城市污泥连续产电及处理效果
本实施例中电池堆在室温15～35℃环境中启动运行。启动电池堆时，将供试污泥(含水率为96.7％，COD为29050mg/L)注入反应器内，用导线将电池堆串联接通电池回路，负载外阻为10000Ω。待输入电压升至3V以上时，表明电池启动成功。当输出电压降至0.5V以下时，更换污泥，进行产电试验。为期一年的运行结果表明，所述电池在处理污泥的同时，可稳定地产电。处理后污泥COD为9376mg/L，COD去除率为67.7％。电池的产电性能见附图6所示，由附图6可见电池开路电压为10.5V，最大输出功率密度为21.1mW/m²。
可见，本发明所述微生物燃料电池堆可适用于城市污泥的处置，且同时产生电能，所述电池堆具有结构紧凑、输出功率密度高、易扩展放大等优点，有效提升MFC电压。