申请日2011.01.14
公开(公告)日2016.04.06
IPC分类号H01M16/00
摘要
描述了一种进行优化来用于初步水处理和能量生成的模块化装置和用于操作所述装置的方法。
权利要求书
1.一种模块化水处理系统，包括多个微生物燃料电池(MFC)，其中多个MFC中的各个MFC均包括通过传导材料连接到阴极上的阳极，以及其中：
所述阳极与第一微生物群体在物理上相关联;以及
所述阴极与第二微生物群体在物理上相关联，输送至阴极电极的电子用作能量源，能量源用于物理上与阴极相关联的独特的微生物群体，其中所述第二微生物群体的至少一部分在阴极表面上生长，
所述阳极与所述阴极之间的距离小于3cm，
所述阳极与所述阴极之间没有质子选择材料，
所述阴极的表面面积为所述阳极的表面面积的至少两倍。
2.根据权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述水处理系统还包括所述阳极与所述阴极之间的多孔绝缘材料。
3.根据权利要求2所述的水处理系统，其特征在于，所述多孔绝缘材料具有不大于大约30μm的孔径。
4.根据权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述第一微生物群体为了微生物能够使用用于能量的多样化碳源在厌氧环境中生长而富集。
5.根据权利要求4所述的水处理系统，其特征在于，所述第二微生物群体为了微生物能够使用用于能量的来自阴极的电子在需氧环境中生长而富集。
6.根据权利要求5所述的水处理系统，其特征在于，所述第一微生物群体和所述第二微生物群体来自于相同的亲生微生物群体。
7.根据权利要求6所述的水处理系统，其特征在于，所述亲生微生物群体为天然存在于污水废水或污泥中的微生物群体。
8.根据权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述阳极定位在所述阴极的内部。
9.根据权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述阳极和所述阴极以不大于2cm来分开。
10.根据权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述阳极包括通过保持材料保持就位的多个传导性颗粒。
11.根据权利要求10所述的水处理系统，其特征在于，所述多个传导性颗粒包括石墨粒子、石墨毡、石墨布、石墨刷或它们的组合。
12.根据权利要求10所述的水处理系统，其特征在于，所述保持材料包括钛筛网、不锈钢筛网、塑料筛网或它们的组合。
13.根据权利要求10所述的水处理系统，其特征在于，所述阴极还包括通过保持材料保持就位的多个传导性颗粒。
14.根据权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述阴极或所述阳极为筒或柱。
15.根据权利要求8所述的水处理系统，其特征在于，所述水处理系统还包括定位在所述阳极的第一端处的液体流入器件和定位在所述阳极的第二端处的液体流出器件。
16.根据权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述MFC的至少一个子集串接地操作。
17.根据权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述MFC的至少一个子集并联地操作。
说明书
模块化能量回收水处理装置
技术领域
本申请请求享有2010年1月14日提交的序号为61/294,841的美国临时专利申请的优先权的权益;该申请通过引用将其全部结合到本文中。
背景技术
在常规废水处理设备中，污泥是一级处理期间从原污水中收集的致密材料与二级处理和三级处理步骤期间快速生长的次生生物质的混合物。根据由美国环境保护局(EPA)制定的法规，通过任何单个废水设备产生的污泥必须经过一种处理策略，该处理策略将导致总挥发性悬浮固体(VSS)的38%的减少和小于2x106群体形成单位的粪便大肠菌的最终浓度。在满足这些标准之后，处理的污泥被认作为B类生物固体，且可丢弃在垃圾中，或丢弃在应用于如由清洁水法的40CFRPart503限定的限制地点的土地中。
污泥处理策略通常利用微生物体的活性来从废水流中除去有机污染物。策略包括用于废水和污泥处理的需氧方法和厌氧方法。然而，此种常规策略遭受许多缺点。例如，需氧方法需要大量能量输入使反应器内容物混合和充气。这些污泥处理方法还导致必须处理较大体积的次生生物质，导致了用于处理和用于清理的额外能量成本。
例如，厌氧污泥消化过程使得能够通过甲烷生成作用和共同生成来进行有限量的能量回收。然而，通过此种过程的能量产生是低效的，且通常必须焚烧作为废气的过多甲烷。厌氧消化池还需要很长的停留时间，且必须使用若干反应器来处理城市中产生的较大污泥量。结果，此种消化池需要比它们能够产生的高得多的水平的能量，以及用于操作的较大土地面积。厌氧污泥消化还产生大量次生生物质和顽固固体废物产品，需要附加处理成本和清理成本。
微生物燃料电池(MFC)提供了使用微生物来将储存在有机碳化合物(废物)中的能量转变成电力的潜在可能。电子经由MFC系统的流动导致促进一级污泥减少、减小的二级污泥的量和直接发电。MFC的催化活性通过微生物(通常是细菌)生成，微生物附接到电极的传导表面上且形成电化学活性生物膜。在阳极处的生物膜内的微生物从污泥、废水或其它液体输入中的有机成分以酶的方式获取电子，且将电子传递至电极。微生物必须执行至电极表面的电子传递来保持生物功能，换言之，微生物"呼吸"使电极表面得以存活。由于MFC系统设计成用以通过电流生成来将电能立即移离微生物，故微生物不能使用能量来用于生长和用于构成生物质。此外，能量远离微生物的移动还促进了微生物的代谢，且增大了一级污泥的减少速率。
现有MFC装置中的反应的完成在物理上分开但电性连结的隔间中发生，隔间具有不同的细菌生物膜。在氧气或其它氧化剂如亚硝酸盐、硫酸盐或重金属的减少期间，阴极用作能量源。阴极浸没在液体中，且因此通过穿过回路输送的能源来限制阴极上的细菌生长，且因此相对于常规需氧处理系统，减少了生物质的产生。此外，与阴极的生物催化氧化还原反应引起了新的水的产生。例如，当氧气为氧化剂时，例如，在MFC操作期间从阳极隔间穿过阴极隔间的每四个电子和两个质子可产生一个新的水分子。水的产生是生物催化的，且可基于怎样操作MFC系统来优化水的产生。
MFC系统的产物包括：1)来自于阳极的处理的非饮用水(至二级水平)或饮用水和二氧化碳;2)例如，当包括作为氧化剂的氧气时，从阴极发展出新水源;以及3)两个隔间中的生物电化学反应产生的电力。
研究已经示出结合作为燃料源的污泥操作的MFC系统能够在十二小时的停留时间内分解40%至80%之间的初始有机内容物(Logan,B.E.(2005)WasteScienceandTechnology152:31-37;Scott,K.andC.Murano(2007)JournalofChemicalTechnology&Biotechnology82:92-100;Mohan,S.V.等人,(2008)BiosensorsandBioelectronics23:1326-1332)。然而，该工作是在实验室中进行的，使用了容纳30毫升至500毫升的废水的反应器。
需要可在工业规模上有效地处理废水的基于MFC的系统。
发明内容
本文的特征在于模块系统，该模块系统包括用于处理较大体积的废水的多个微生物燃料电池(MFC)。系统内的MFC可串接地或并联地布置，且可优化特定的MFC来用于特定的目的(例如，用以分解流入物的特定成分、用以容纳特定的体积等)。例如，一个或多个MFC的阳极可包含生物膜，为了有机体已使生物膜富集，其破坏特定有机材料、传递电子和/或存在于厌氧环境中。一个或多个MFC的阴极可包含生物膜，生物膜已富集而存在于需氧环境中和/或减少氧化剂。
MFC的阳极可定位在阴极的内部，以便允许厌氧环境存在于阳极隔间中，而需氧环境存在于阴极隔间中。在某些实施例中，阴极具有大于阳极的表面面积。在另外的实施例中，阳极与阴极之间的距离小于大约2cm。
另外的特征在于制造生物膜的方法，生物膜为了特定有机体而富集。某些方法仅使用废水源，且不需要添加有选择的碳源。
另外的特征在于用于加强包含MFC的系统中的废水的处理的方法，该方法包括以下步骤：(a)监测从反应器生成的电流;以及(b)当观察到电流减少时，将新鲜流入物添加到系统中。
本文所述的系统产生来自于阳极的处理的非饮用水(即，部分纯化的)或饮用水和二氧化碳;来自于阴极的新的水;以及两个隔间中的生物电化学反应产生的电力。生物质产生和直接发电的下降减少了总体成本(相对于保持厌氧消化池或需氧消化池)，同时实现了相似的或较好的有机氧化速率和有效能量回收。系统还通过将能量移离微生物作为电力且限定细胞外呼吸作用比二氧化碳还原对于甲烷在能量上更有利的环境，减少了废气甲烷(重要的温室气体)的产生。例如，由系统产生的二氧化碳可用作用于光合池的燃料，例如，其可用作用于肥料或用以产生生物燃料的生物质。此外，系统提供了相对于处理的废水和消耗的能量的多样性。例如，可优化系统来用于在低峰值需求(例如，64mgL-1天-1)下减少污泥和在高峰值需求(例如，1kW/m3)下产生电力。
通过以下详细描述和权利要求其它特征和优点将变得明显。