CN111170599A - 一种污泥mfc-厌氧消化耦合系统及其性能强化方法 - Google Patents

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CN111170599A CN202010068539.6A CN202010068539A CN111170599A CN 111170599 A CN111170599 A CN 111170599A CN 202010068539 A CN202010068539 A CN 202010068539A CN 111170599 A CN111170599 A CN 111170599A
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Abstract

本发明公开了一种污泥MFC‑厌氧消化耦合系统，其特征在于，所述污泥MFC‑厌氧消化耦合系统包括密闭的厌氧阳极室和曝气的阴极室，阳极室和阴极室通过连通管道连接，连通管道内设置有质子交换膜，阳极室的碳毡阳极和阴极室内的碳毡阴极通过鳄鱼夹导线连接，阳极和阴极之间设置有外电阻，阳极盖面上设有圆孔连接集气袋，用于收集阳极厌氧污泥发酵产生的甲烷气体。本发明进一步提出了强化上述污泥MFC‑厌氧消化耦合系统性能的方法，向污泥MFC‑厌氧消化耦合系统的阳极厌氧污泥中投加废铁屑得到含铁污泥，以含铁污泥作为阳极底物驯化阳极厌氧污泥中的产电菌及厌氧消化菌。

Description

一种污泥MFC-厌氧消化耦合系统及其性能强化方法
技术领域
本发明公开了一种污泥MFC-厌氧消化耦合系统及其性能提高方法，属于新能源与环境工程技术领域。
背景技术
MFC(微生物燃料电池)是利用微生物的催化作用，对废水中的有机物进行降解，将有机物的化学能直接转化成电能的一种装置。以常见的MFC为例，在阳极室，微生物(尤其是附着在电极表面上的微生物)对有机物进行厌氧氧化并降解，产生H+、电子和CO2；微生物细胞内的电子通过一系列的呼吸酶传递给细胞外的某些蛋白质(如C型胞外细胞色素)，在通过不同的胞外电子传递方式传递到阳极表面；电子由外电路传递到阴极，H+跨过质子交换膜传递到阴极；在阴极表面，电子、H+和O2发生还原反应，完成整个氧化还原过程。
研究表明，MFC的产电性能很大程度上取决于阳极生物膜上富集的产电菌的数量，而大多数的阳极产电菌属于铁还原菌(IRB)，进一步研究发现，向MFC体系中投加Fe(III)氧化物可以富集这些产电菌，提高电池的产电性能。例如，Fe(OH)3的投加可以促使微生物Fe(III)还原过程中VFA的直接矿化，有利于富集阳极产电菌，改善阳极的氧化过程，提高MFC的产电特性。此外有学者指出，在MFC启动阶段，Fe(III)的加入强化了Shewanellaoneidensis MR-1的发电，加入Fe(III)的最大功率密度可达到158.1mW/m2，而未加入Fe(III)的最大功率密度仅为73.9mW/m2，且Fe(III)对MFC的电压影响很大，表现为Fe(III)浓度越高，电压越高。
而铁亦可以增强厌氧环境的氛围，从而提高厌氧发酵的性能。进一步研究发现，Fe0具有一定的还原性，不仅可以降低厌氧消化系统中的氧化还原电位，作为产甲烷菌的电子供体，而且还可以缓冲酸性环境带来的不利影响。进一步探究其反应机理，铁添加剂的投入可以从两个方面增加甲烷的产量。一方面，一些大分子、长链的有机酸不能被产甲烷菌直接利用，而需要被乙酸菌分解成乙酸盐后才能被产甲烷菌摄取和吸收，而铁的存在则可以增加产乙酸的含量，为产甲烷菌提供更多合适的底物基质，进而增加甲烷产气量；另一方面，铁可以直接作为电子供体，通过甲烷自养菌将CO2还原成CH4，直接提高了甲烷的产量，主要的反应如下：
CO2+4Fe0+8H+＝CH4+4Fe2++2H2O
CO2+4H2＝CH4+2H2O
公开号为CN 102208661 A的中国专利提供了一种碳材料的表面修饰方法及其在MFC中的应用，具体制备方法是利用强氧化性的金属酸根盐(如重铬酸钾等)对碳材料进行表面修饰处理，改变碳材料表面特性，制备得到MFC阴极并将其应用于MFC。该方法所利用的强氧化性的金属酸根盐对环境污染较大，改性后对MFC的作用不明显。公开号CN 102881906A的中国专利提供了一种碳基材料的修饰方法及其在MFC中的应用，具体制备方法是利用强还原性的水合肼对碳基材料进行表面处理，改变碳基材料表面特性，制备得到MFC阳极并将其应用于MFC。该方法所涉及到的改性物质肼具有一定的毒害性，长期暴露在空气中或短时间受高温作用会爆炸分解，而且能能强烈侵蚀皮肤，对眼睛、肝脏有损害作用，对于环境、人体以及微生物有一定的危险隐患。公开号CN 107522375 A的中国专利提供了一种零价铁和活性炭强化剩余污泥厌氧消化产甲烷的方法，具体制备方法是现将剩余污泥、接种污泥以及水混合，调节pH和含固率，后将混合污泥、活性炭和零价铁加入厌氧消化装置进行厌氧消化。该方法在厌氧消化方面，投加了成本较高的活性炭，而且直接使用的是零价铁，与本发明相比，没有做到能源的二次使用，能耗较高。
在目前的研究领域中，通常是以外加碳源的方式作为MFC阳极底物，维持微生物的新陈代谢活动，而将污泥直接作为碳源供给微生物生长的研究并不多。此外，很少有涉及关于“污泥MFC-厌氧消化耦合系统”的相关报道，几乎绝大多数的研究只仅仅关注MFC产电性能的提高亦或是厌氧发酵产甲烷效率的提升，没有综合考虑“产电”与“厌氧发酵”之间的关系。本发明综合以上不足，构建了“污泥MFC-厌氧消化耦合系统”，以污泥作为系统的阳极底物培养产电菌和厌氧消化菌。与此同时，向该系统中投加废铁屑，以强化系统的综合性能，不仅双重提升了耦合系统的产电性能和厌氧消化性能，收获能源，而且废铁屑的二次利用，降低了资源能耗，绿色无污染，获得了再生应用价值。
发明内容
发明目的：为克服现有技术中存在的技术问题，本发提出了一种污泥MFC-厌氧消化耦合系统及其性能强化方法。
为实现上述技术目的，本发明的污泥MFC-厌氧消化耦合系统包括密闭的厌氧阳极室和曝气的阴极室，阳极室和阴极室通过连通管道连接，连通管道内设置有质子交换膜，阳极室的碳毡阳极和阴极室内的碳毡阴极通过鳄鱼夹导线连接，阳极和阴极之间设置有外电阻，阳极盖面上设有圆孔连接集气袋，用于收集阳极厌氧污泥发酵产生的甲烷气体。
在一种实施方式中，所述污泥MFC-厌氧消化耦合系统反应器构型的大小为12cm×12cm×18cm；阴、阳极碳毡的尺寸大小为4cm×5cm×0.3cm；所述质子交换膜的大小为10cm2；所述外电阻大小为1000Ω；所述阳极盖面圆孔直径为1cm。
其中，在阳极加入营养液以培养驯化产电菌及厌氧消化菌，其中，所述营养液按每升去离子水计包含如下组分：3.13g NaHCO3、0.13g KCl、4.22g NaH2PO4、2.75g Na2HPO4、0.56g(NH4)2SO4、0.2g MgSO4·7H2O、2mg H3BO3、2mg FeCl2·4H2O、2mg EDTA、0.4mg ZnCl2·4H2O、0.8mg MnCl2·4H2O、0.2mg CuCl2·2H2O、1.1mg(NH4)6MO7·4H2O、1mg NiCl2·6H2O。
阴极碳毡、阳极碳毡使用前需经过马弗炉在320-350℃加热20-30min，以增强碳毡的亲水性。
所述的质子交换膜在使用前，先置于20-30℃质量百分浓度为0.5-1％的无水乙醇溶液中浸泡1-2h，冲洗后放入70-80℃质量百分浓度为5-10％的双氧水溶液中浸泡2-3h，最后用超纯水洗涤3-5次后备用。
所述的阳极污泥为污水处理厂A2/O工艺的剩余污泥和和河道底部厌氧污泥的混合物，可按照常规比例进行混合，污泥取回后经过20-30小时静置沉淀，刮除上部分浮渣及不明杂质，并置于10-20℃条件下保存备用，进料前试验污泥再经筛孔尺寸为0.18mm的筛网去除杂质，沉淀浓缩。
本发明进一步提出了强化上述污泥MFC-厌氧消化耦合系统性能的方法，向污泥MFC-厌氧消化耦合系统的阳极厌氧污泥中投加废铁屑或零价铁得到含铁污泥，以含铁污泥作为阳极底物驯化阳极厌氧污泥中的产电菌及厌氧消化菌。
所述废铁屑的投加量为0.5-20g/L。
优选地，向污泥中分别投加相应剂量的废铁屑后，利用氮吹装置向反应器中吹入氮气30-60秒钟，确保反应器中的空气全部被排出，后迅速盖紧有机玻璃盖子，使试验各组装置保持在密闭厌氧的条件下进行。
优选地，所述阳极室底部配有磁力搅拌装置，装置在运行期间始终保持500-800rpm的速度搅拌，以保证阳极电解液混合均匀并使废铁屑不会大量吸附在磁力搅拌器的旋转转子上；反应器的阴极室曝空气，为阴极反应提供O2作为电子受体。
所述反应器在20-30℃的常温条件下运行，观察反应器电压的变化，选用60天为一个运行周期。
有益效果：本发明构建了一套“污泥MFC-厌氧消化耦合系统”，该系统是一种污泥处理处置的新方法，不仅提高了污泥减量的效果，而且强化了污泥MFC-厌氧消化耦合系统的产电性能和厌氧消化性能。在此基础上，向污泥MFC-厌氧消化耦合系统中投加废铁屑，以含铁污泥作为阳极底物驯化阳极污泥中的产电菌及厌氧消化菌，进一步提升了能源物质(包括电能、甲烷、VFA等)的回收和利用，尤其促进了甲烷效率的提高。此外，废铁屑的二次利用，降低了资源能耗，绿色无污染，获得了再生应用价值，实现了能源的定向控制和回收利用。
附图说明
图1是不同废铁屑投加量下污泥MFC-厌氧消化耦合系统运行时间-电压图；
图2是不同废铁屑投加量下污泥MFC-厌氧消化耦合系统的极化曲线与功率密度曲线；
图3是不同废铁屑投加量下污泥MFC-厌氧消化耦合系统的循环伏安曲线；
图4是不同废铁屑投加量下污泥MFC-厌氧消化耦合系统的挥发性脂肪酸含量图；
图5是不同废铁屑投加量下污泥MFC-厌氧消化耦合系统的累积甲烷产量图；
图6是不同废铁屑投加量下污泥MFC-厌氧消化耦合系统阳极SEM图，其中，(a)为5g/L废铁屑投加量下，耦合系统阳极碳毡表面的SEM图；(b)为10g/L废铁屑投加量下，耦合系统阳极碳毡表面的SEM图；(c)为未投加废铁屑的污泥MFC-厌氧消化耦合系统控制试验组阳极碳毡表面的SEM图；
图7是投加0.5、1g和未投加零价铁后MFC驯化阶段的电压变化图；
图8是投加0.5、1g和未投加零价铁后MFC稳定阶段的功率密度图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例详细说明本发明。
本实施例提供了一种污泥MFC-厌氧消化耦合系统以及利用废铁屑强化性能的方法。首先构建一套“污泥MFC-厌氧消化耦合系统”，并向污泥MFC-厌氧消化耦合系统中投加一些列不同浓度(N0～N5)的废铁屑，其中，N0为不投加废铁屑，作为控制组，N1～N5分别为：0.5g/L，1g/L，5g/L，10g/L，20g/L，然后以含铁污泥作为阳极底物驯化阳极污泥中的产电菌及厌氧消化菌。污泥MFC-厌氧消化耦合系统的反应器采用MFC双室构型(12cm×12cm×18cm)，包括密闭的厌氧阳极室和曝气的阴极室，阳极室和阴极室通过连通管道连接，连通管道内设置有质子交换膜(膜面积10cm2)，阳极室的碳毡阳极(4cm×5cm×0.3cm)和阴极室内的碳毡阴极(4cm×5cm×0.3cm)通过鳄鱼夹导线连接，阳极和阴极之间设置有外电阻(1000Ω)，阳极盖面上设有圆孔连接集气袋。
其中：
(1)污泥MFC-厌氧消化耦合系统反应器阳极的营养液包含(每升去离子水)：NaHCO3(3.13g)、KCl(0.13g)、NaH2PO4(4.22g)、Na2HPO4(2.75g)、(NH4)2SO4(0.56g)、MgSO4·7H2O(0.2g)。此外，为了维持微生物的代谢和生长，还需在溶液中加入微量元素，包括(每升去离子水)：H3BO3(2mg)、FeCl2·4H2O(2mg)、EDTA(2mg)、ZnCl2·4H2O(0.4mg)、MnCl2·4H2O(0.8mg)、CuCl2·2H2O(0.2mg)、(NH4)6MO7·4H2O(1.1mg)、NiCl2·6H2O(1mg)。
(2)阴、阳极碳毡使用前需经过马弗炉在320℃加热20min，以增强碳毡的亲水性。
(3)质子交换膜在使用前，先置于20-30℃质量百分浓度为0.5-1％的无水乙醇溶液中浸泡1-2h，冲洗后放入70-80℃质量百分浓度为5-10％的双氧水溶液中浸泡2-3h，最后用超纯水洗涤3-5次后备用。具体地，在废铁屑投加量为5g/L的系统中，质子交换膜在使用前，先置于20℃质量百分浓度为0.5％的无水乙醇溶液中浸泡1h，冲洗后放入70℃质量百分浓度为5％的双氧水溶液中浸泡2h，最后用超纯水洗涤3次后备用；而在废铁屑投加量为10g/L的系统中，质子交换膜在使用前，先置于25℃质量百分浓度为0.8％的无水乙醇溶液中浸泡1.5h，冲洗后放入75℃质量百分浓度为7％的双氧水溶液中浸泡2.5h，最后用超纯水洗涤4次后备用
(4)阳极污泥取回后经过24-28小时静置沉淀，刮除上部分浮渣及不明杂质，并置于10℃-15℃条件下保存备用，进料前试验污泥再经筛孔尺寸为0.18mm的筛网去除杂质，沉淀浓缩。
(5)在驯化后的污泥中投加的废铁屑后，以含铁污泥作为阳极底物驯化污泥中的产电菌及厌氧消化菌，利用氮吹装置向反应器中吹入氮气30秒钟，确保反应器中的空气全部被排出，后迅速盖紧有机玻璃盖子，使试验各组装置保持在密闭厌氧的条件下进行。阳极室底部配有磁力搅拌装置，装置在运行期间始终保持500rpm的中等速度搅拌，反应器在20℃的常温条件下运行，选用60天为一个运行周期。
不同废铁屑投加量下污泥MFC-厌氧消化耦合系统的极化曲线与功率密度曲线分析数据表如表1所示。
表1经MnO2修饰和未经MnO2修饰污泥MFC-厌氧消化耦合系统阳极的参数对比分析表
Figure BDA0002376668740000061
投加了5g/L废铁屑污泥MFC-厌氧消化耦合系统的电压变化图如图1所示。由图1可知，该投加量下耦合系统的最大峰值电压为328.4mV，相较于控制试验组(不投加废铁屑)，电压有了明显的提升。投加了5g/L废铁屑耦合系统的极化曲线与功率密度曲线如图2所示，由图2并结合表1可知，该投加量下耦合系统的电功率密度为39.05mW/m2，拟合得出的电阻值为356.73Ω，相较于控制试验组，电功率密度提高27.9mW/m2，电阻值降低了173.29Ω，电化学性能有了明显的改善。投加了5g/L废铁屑耦合系统的循环伏安曲线如图3所示，从图中可知，该投加量下耦合系统在-0.6V附近表现出微弱的氧化峰，而控制试验组并没有明显的氧化还原峰，说明该投加量下的MFC污泥混合液呈现一定的还原性。此外，循环伏安曲线的峰面积可以反映电活性物质发生氧化和还原反应所交换的电量，因此，氧化峰和还原峰所包络面积的大小实际反映了电极内部的极化状态和活性物质的利用率。结合试验结果分析，该投加量下两峰之间包络的面积大于控制试验组，说明该投加量下，电活性物质交换的电量较多，产电效率提升。
投加了5g/L废铁屑耦合系统的挥发性脂肪酸含量如图4所示，从图中可知，该投加量下耦合系统中的乙酸含量为753.6mg/L，相较于控制试验组提高了65％。
投加了5g/L废铁屑耦合系统中的累积甲烷产量如图5所示，从图中可知，该投加量下耦合系统的甲烷累积产量为104.6mL/gVS，与控制试验组相比，甲烷累积产量提升了1.9倍，厌氧消化效果明显。
图6(a)为5g/L废铁屑投加量下，耦合系统阳极碳毡表面的SEM图。由图可知，该投加量下的生物膜较为密集，而且形成较为松散的网状结构，说明该电极上富集了一定的产电菌和厌氧硝化菌，一定程度上强化了耦合系统的综合性能。
投加了10g/L废铁屑污泥MFC-厌氧消化耦合系统的电压变化图如图1所示。由图1可知，该投加量下耦合系统的最大峰值电压为345.9mV，相较于控制试验组，电压提高了149.1mV。投加了10g/L废铁屑耦合系统的极化曲线与功率密度曲线如图2所示，由图2并结合表1可知，该投加量下耦合系统的电功率密度为43.22mW/m2，拟合得出的电阻值为351.49Ω，相较于控制试验组，电功率密度提高32.07mW/m2，电阻值降低了178.53Ω，电化学性能有了显著的改善。投加了10g/L废铁屑耦合系统的循环伏安曲线如图3所示，从图中可知，该投加量下耦合系统在-0.5V附近表现出微弱的氧化峰，而控制试验组并没有明显的氧化还原峰，说明该投加量下的MFC污泥混合液呈现一定的还原性。此外，根据以上分析，该投加量下两峰之间包络的面积大于控制试验组，说明该投加量下，电活性物质交换的电量较多，产电效率提升。
投加了10g/L废铁屑耦合系统的挥发性脂肪酸含量如图4所示，从图中可知，该投加量下耦合系统中的乙酸含量为633.4mg/L，相较于控制试验组提高了39％。
投加了10g/L废铁屑耦合系统的累积甲烷产量如图5所示，从图中可知，该投加量下耦合系统的甲烷累积产量为77.1mL/gVS，与控制试验组相比，甲烷累积产量提升了22.9mL/gVS，厌氧消化效果显著。
图6(b)为10g/L废铁屑投加量下，耦合系统阳极碳毡表面的SEM图。由图可知，该投加量下的生物膜十分密集，而且成十分紧密的网状结构，说明该电极上富集了很多的产电菌和厌氧消化菌，强化了耦合系统的综合性能。
未投加废铁屑的污泥MFC-厌氧消化耦合系统控制试验组的电压变化图如图1所示。由图1可知，耦合系统控制试验组的最大峰值电压为196.8mV。耦合系统控制试验组的极化曲线与功率密度曲线如图2所示，由图2并结合表1可知，耦合系统控制试验组的电功率密度为11.15mW/m2，拟合得出的电阻值为530.02Ω。耦合系统控制试验组的循环伏安曲线如图3所示，从图中可知，耦合系统控制试验组未出现明显的氧化还原峰，且两峰之间包络的面积较小，电化学性能较差。耦合系统的挥发性脂肪酸含量如图4所示，从图中可知，耦合系统中的乙酸含量为456.1mg/L。耦合系统控制试验组的累积甲烷产量如图5所示，从图中可知，耦合系统控制试验组的甲烷累积产量为54.2mL/gVS。图6(c)为耦合系统控制试验组阳极碳毡表面的SEM图。由图可知耦合系统控制试验组表面的生物膜十分松散，呈现稀疏的点状形态，说明该电极上的产电菌和厌氧消化菌较少，耦合系统的综合性能较低。
综上所述，本发明构建一套“污泥MFC-厌氧消化耦合系统”，该系统是一种污泥处理处置的新方法，不仅提高了污泥减量的效果，而且强化了污泥MFC-厌氧消化耦合系统的产电性能和厌氧消化性能。在此基础上，向污泥MFC-厌氧消化耦合系统中投加废铁屑或零价铁，以含铁污泥作为阳极底物驯化阳极污泥中的产电菌及厌氧消化菌，进一步提升了能源物质(包括电能、甲烷、VFA等)的回收和利用，尤其促进了甲烷效率的提高。本发明方法操作简单，效果明显，并将废铁屑二次利用，减少资源能耗，实现了能源的定向控制和回收利用。
本申请还研究了投加零价铁对系统的影响。在初始启动阶段，向双室构型的MFC反应器中分别投加0.5g、1.0g零价铁，以含铁污泥作为阳极底物驯化阳极污泥的产电菌。反应器采用MFC双室构型(12cm×12cm×18cm)，包括密闭的厌氧阳极室和曝气的阴极室，阳极室和阴极室通过连通管道连接，连通管道内设置有质子交换膜(膜面积10cm2)，阳极室的碳毡阴极(4cm×5cm×0.3cm)和阴极室内的碳毡阴极(4cm×5cm×0.3cm)通过鳄鱼夹导线连接，阳极和阴极之间设置有外电阻(1000Ω)。其中：
(1)阴、阳极碳毡使用前需经过马弗炉在320℃加热20min，以增强碳毡的亲水性。
(2)质子交换膜在使用前，先置于20℃质量百分浓度为0.5％的无水乙醇溶液中浸泡1h，冲洗后放入70℃质量百分浓度为5％的双氧水溶液中浸泡2h，最后用超纯水洗涤3次后备用。
投加了0.5g零价铁的碳毡电极表面的生物膜十分密集，而且成十分紧密的网状结构，说明该碳毡上富集了很多的产电菌集团，对于提高MFC的启动电压有十分积极的正面效果；投加了0.5g零价铁后MFC驯化阶段的电压变化图如图7所示。由图7可知，投加了0.5g零价铁后MFC在驯化阶段的电压有了明显的提升，最大电压可达215.3mV，且最大启动电压所需要的时间较短，历经400h就达到了电压的最大值。此外，从图8，即投加了0.5g零价铁后MFC稳定阶段的电功率密度图可知，投加了0.5g零价铁后，MFC的电功率密度有了显著的提升，最大功率密度可达21.1mW/m2。
投加了1g零价铁后MFC驯化阶段的电压变化图如图4所示。由图7可知，投加了1g零价铁后MFC在驯化阶段的电压有了一定的提升，最大电压可达204.3mV，历经500h达到了电压的最大值。此外，从图8，即投加了1g零价铁后MFC稳定阶段的电功率密度图可知，投加了1g零价铁后，MFC的电功率密度有了一定的提升，最大功率密度可达10.1mW/m2。
在初始启动阶段，常规培养污泥，即不向双室构型的MFC反应器中投加零价铁，以常规污泥为阳极底物进行产电菌的驯化。
未投加零价铁的碳毡电极表面的生物膜十分松散，呈现稀疏的点状形态，说明该碳毡上的产电菌集团不多，对于提高MFC的启动电压没有较大的效果；未投加零价铁的MFC驯化阶段的电压变化图如图7所示。由图7可知，未投加零价铁的MFC在驯化阶段的电压最大仅为197.1mV，相比于投加了零价铁的MFC反应器，电压较低；此外，从图8可知，未投加零价铁的MFC稳定阶段的最大电功率密仅为8.5mW/m2，相比于投加了零价铁的MFC反应器，电功率密较低。
可以看出，在驯化阶段，通过向MFC中投加零价铁，以含铁污泥作为阳极底物驯化阳极污泥中的产电菌，打破了在MFC启动成功后再缓慢提高其电压、电功率密度的常规思路。在驯化阶段成功富集了铁还原菌等产电微生物以及丰厚的生物膜，一方面，适量的零价铁对微生物不会有毒害作用，不会影响电极的导电性，对电池内阻也不会产生负面的影响；另一方面，通过外源投加零价铁，以含铁污泥作为阳极底物驯化阳极污泥中的产电菌，能够显著提高MFC的产电效能，即缩短MFC的启动时间，提高MFC的电压和电功率密度。此外，本发明方法操作简单，效果明显，为污泥的处理处置与MFC电能输出的提升提供了一种新途径。

Claims (10)

1.一种污泥MFC-厌氧消化耦合系统，其特征在于，所述污泥MFC-厌氧消化耦合系统包括密闭的厌氧阳极室和曝气的阴极室，阳极室和阴极室通过连通管道连接，连通管道内设置有质子交换膜，阳极室的碳毡阳极和阴极室内的碳毡阴极通过鳄鱼夹导线连接，阳极和阴极之间设置有外电阻，阳极盖面上设有圆孔连接集气袋，用于收集阳极厌氧污泥发酵产生的甲烷气体。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述污泥MFC-厌氧消化耦合系统的反应器构型的大小为12cm×12cm×18cm；阴极碳毡、阳极碳毡的尺寸大小为4cm×5cm×0.3cm；所述质子交换膜的大小为10cm2；所述外电阻大小为1000Ω；所述阳极盖面圆孔直径为1cm。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在阳极加入营养液以培养驯化产电菌及厌氧消化菌，其中，所述营养液按每升去离子水计包含如下组分：3.13g NaHCO3、0.13g KCl、4.22g NaH2PO4、2.75g Na2HPO4、0.56g(NH4)2SO4、0.2g MgSO4·7H2O、2mg H3BO3、2mg FeCl2·4H2O、2mg EDTA、0.4mg ZnCl2·4H2O、0.8mg MnCl2·4H2O、0.2mg CuCl2·2H2O、1.1mg(NH4)6MO7·4H2O、1mg NiCl2·6H2O。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，阴极碳毡、阳极碳毡使用前需经过马弗炉在320-350℃加热20-30min。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的质子交换膜在使用前，先置于20-30℃质量百分浓度为0.5-1％的无水乙醇溶液中浸泡1-2h，冲洗后放入70-80℃质量百分浓度为5-10％的双氧水溶液中浸泡2-3h，最后用超纯水洗涤3-5次后备用。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的阳极污泥为污水处理厂A2/O工艺的剩余污泥和和河道底部厌氧污泥的混合物，污泥取回后经过20-30小时静置沉淀，刮除上部分浮渣及不明杂质，并置于10-20℃条件下保存备用，进料前试验污泥再经筛孔尺寸为0.18mm的筛网去除杂质，沉淀浓缩。
7.一种强化权利要求1-6任一项所述的污泥MFC-厌氧消化耦合系统性能的方法，其特征在于，向污泥MFC-厌氧消化耦合系统的阳极厌氧污泥中投加废铁屑或零价铁得到含铁污泥，以含铁污泥作为阳极底物驯化阳极厌氧污泥中的产电菌及厌氧消化菌。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述废铁屑的投加量为0.5-20g/L。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，向污泥中分别投加相应剂量的废铁屑后，利用氮吹装置向反应器中吹入氮气30-60秒钟，确保反应器中的空气全部被排出，后迅速盖紧有机玻璃盖子，使试验各组装置保持在密闭厌氧的条件下进行。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述阳极室底部配有磁力搅拌装置，装置在运行期间始终保持500-800rpm的速度搅拌，以保证阳极电解液混合均匀并使废铁屑不会大量吸附在磁力搅拌器的旋转转子上；反应器的阴极室曝空气，为阴极反应提供O2作为电子受体。
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