申请日2000.03.17
公开(公告)日2002.08.14
IPC分类号C02F3/00; H01M8/16
摘要
本发明提供一种使用废水作燃料的生物燃料电池。本发明使用废水和活性污泥中的电化学活性微生物氧化废水中所含的有机物。氧化所产生的电子流出微生物的细胞外,并直接转移到电极上,从而可以同时产生电流和纯化废水。根据本发明,使用电化学活性微生物的生物燃料电池可以产生高达0.22mA的电流,并使作为燃料的废水的化学需氧量从1900ppm降低到55ppm。此外,生物燃料电池的效率随废水的种类和浓度而变化。
摘要附图
权利要求书
1、一种生物燃料电池，其包括位于生物燃料电池内部的分别含导电 介质的阴极隔室和阳极隔室;安置在阳极隔室中的阳极;安置在阴极隔 室中的阴极;和介于阴极隔室和阳极隔室之间用于分隔阳极隔室和阴极 隔室的离子交换膜，其中的阳极隔室含有废水和活性污泥并在生物燃料 电池的操作过程中维持厌氧条件。
2、权利要求1的生物燃料电池，其中活性污泥和废水选自淀粉废水、 畜牧废水、来自化粪池的废水、以及它们的结合的组中。
3、权利要求1的生物燃料电池，其中的阳极隔室含有污泥和废水。
4、一种使用权利要求1的生物燃料电池处理废水同时生成电流的方 法，该方法包括：
向生物燃料电池的阳极隔室中加入废水和活性污泥，
向阳极隔室中通入氮气使阳极隔室除去溶解氧，从而使阳极隔室维 持在厌氧条件，
向阴极隔室中连续通入空气，从而使阴极隔室保持在被氧饱和的条 件下，和
将废水和活性污泥中存在的电化学活性的微生物富集培养，
其中培养的活性细菌用作微生物催化剂，废水中的有机物用作燃料。
说明书
一种用于废水处理的使用废水和活性污泥的生物燃料电池
技术领域
本发明涉及使用废水作为燃料的生物燃料电池。更具体地说，本发 明涉及使用废水中所含有机物作为燃料的生物燃料电池，该生物燃料电 池能够处理含有机物的废水同时能产生电。按照本发明的生物燃料电池 能使从废水中所含有机物通过微生物分解代谢而产生的还原能力直接转 化为电能。
背景技术
生物燃料电池是一种装置，其使用生物或生物的局部，并通过生物 的能量新陈代谢而产生的还原能力直接转化为电能。例如在微生物燃料 电池中，为了使用微生物作催化剂将底物氧化之后产生的还原能力转化 为电能，微生物能量新陈代谢而产生的电子可以从微生物转移到电极。 但是，绝大多数生物包括微生物的细胞外所包裹的一层油脂膜是非导电 性材料。因此，微生物和电极之间的电子交换不能有效地进行。所以， 当使用微生物体作为催化剂时，要使用适当的电子转移介质以利于微生 物和电极之间的电子交换。作为电子转移介质，所使用的电子载体在氧 化态和还原态都显示很强的亲脂性，因而可以通过膜。
更具体地，Roller等建议在生物燃料电池中使用普通变形杆菌属，埃 希氏杆菌属coli，Atcaligenes eutrophus，定氮菌类chroococum，或芽胞杆菌 属subtilis等作催化剂，并用劳思氏紫、亚甲蓝、亮甲酚蓝、苄基紫精等 作电子转移介质(参见，Roller et a1.，1984，Journal of chemical Technology and Biotechnology 34B：3-12)。按照Roller等的建议，当生物燃料电池的 效率按氧消耗量来比较时，会随细菌的种类和电子转移介质的种类的不 同而显著地变化。
此外，Bennetto等报道了一种使用糖作燃料，使用变形杆菌属的细菌 作催化剂，劳思氏紫作电子转移介质的燃料电池。该燃料电池据报导可 以产生高达44库仑的电量(参见，Bennetto，et al.，1985，Biotechnology Letters，7：699-704)。另外Robin等也披露了一种使用普通变形杆菌属作生 物催化剂，2-羟基-1，4-萘醌(HNQ)作为电子转移介质，葡萄糖作燃料的燃 料电池。按照Robin等的生物燃料电池具有0.5毫安和0.7伏特的电动力 (参见，Robin，et al.，1993，Applied Biochemistry and Biotechnology 39/40：27-40)。此外，Habermann和Pommer报道了一种燃料电池，使用 钴氧化物或钼/钒合金等作电极，通过废水中所含还原硫酸盐细菌所产生 的硫化氢作燃料，能产生150毫安/平方厘米的电流(参见，Habermann and Pommer，1991，Applied Microbiology and Biotechnology 33：128-133)。
近来，有多种厌氧细菌使用铁离子，四价锰，六价铀或六价钼等用 作电子受体。可以用作还原金属盐细菌底物的物质包括脂肪族化合物如 乳酸，丙酮酸，乙酸，丙酸，戊酸和醇等，和芳香族化合物如甲苯，苯 酚，甲酚，苯甲酸，苄醇和苯甲醛等(参见，Lovley and Klug，1990，Applied and Environmental Microbiology 556：1858-1864)。厌氧细菌根据它们能量 新陈代谢的性质可划分为发酵性细菌和呼吸性细菌。发酵性细菌可以把 糖和蛋白质等分解成有机酸，而呼吸性细菌通过合适的电子受体的还原 把发酵性产物完全氧化。可用于厌氧呼吸性细菌氧化有机物过程中的电 子受体包括二价铁氧化物，硝酸盐，二氧化锰，硫酸盐，碳酸盐等。在 这些电子受体中，已知二价铁氧化物通过特定电子给体的氧化所产生的 还原能力可以得到最大的能量，能量水平按照硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐 顺序降低(参见，Byoung-Hong，Kim，Microorganism Physiology，Academy Press Co.，Ltd.，Seoul，Korea，1995)。
已知，当还原铁细菌在厌氧条件下培养，由于作为电子受体的铁化 合物在水中较低的溶解度，大约有65%的细胞色素排列在外细胞膜上。 通过这样细胞色素的排列，细胞内有机物氧化后产生的还原能力转移到 细胞外，可以还原细胞外的铁离子(参见，Mayers and Mayers，Joumal of Bacteriology 174：3429-3478，1972)。此外据报导，Schewanella putrefaciens IR-1，一种还原铁细菌，在提供乳酸或氢之后，无需电子转移介质作电子 给体就能产生电(参见，Park et al.，1996，Abstract，I&EC Special Symp.，Sept.， 16-19)。
同时，由于引入废水处理厂的废水中所含铁的浓度较高，且铁氢氧 化物可用作脱磷试剂，因此废水处理厂中的铁具有相对高的浓度(参见， Ledeckee et al.，1989，Water Science and Technology 21：325-337)。因此， 据报道在废水处理装置中绝大多数活性污泥中含有还原铁的细菌(参见， Nielson et al.，1996，Water Science and Technology 34：129-136)。还有报道 称，在活性污泥的厌氧储存条件下，铁离子被活性污泥所含的微生物还 原，并且还原铁细菌的含量很显著(参见，Rasmussen et al.，1994，Water Research 28：417-425)。
基于以上表述的事实，活性污泥和废水所含的多种微生物在阳极区 域厌氧培养时，只有在电极电势与培养液中其它组分的电势不同的条件 下，使用电极作为电子受体的微生物才可以最终存活。因此，采用该方 法，废水或活性污泥所含多种微生物中的具有电化学活性的细菌可以选 择性富集培养，多种废水中固有的具有相对电化学活性的微生物可以分 离。
发明公开
因此本发明的目的是提供一种生物燃料电池，其可以通过使用多种 废水和污泥进行有效的电极反应，无需使用电子转移介质就能同时纯化 废水并产生电。
本发明的另一目的是提供一种通过使用废水和污泥中有电化学活性 的微生物而对废水进行处理并产生电的方法。
根据本发明，上述各目的可以通过生物燃料电池实现，在该生物燃 料电池内部包括分别含有导电介质的阴极隔室和阳极隔室;安置在阳极 隔室中的阳极;安置在阴极隔室中的阴极;以及介于阴极隔室和阳极隔 室之间用于分隔阳极隔室和阴极隔室的离子交换膜，其中的阳极隔室中 含有废水和污泥。
如上所述，按照本发明的生物燃料电池，在废水和活性污泥所含微 生物之中，具有电化学活性的物种在使用有一定电势的电极作电子受体 的条件下可以生长，从而富集培养。因此，按照本发明的生物燃料电池 通过使用富集培养的微生物为催化剂，以废水中的有机物为燃料进行操 作。