模块化能量回收水处理装置的制造方法
【专利说明】
[00011本发明为分案申请，其母案的申请号为201180014050.X，申请日为2011年1月14日 且发明名称为"模块化能量回收水处理装置"。
技术领域
[0002] 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】
[0003] 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2 X 106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40 CFR Part 503限定的限制地点的土地中。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006 ]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。
[0007]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。
[0008] 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。
[0009] 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) Waste Science and Technology 152:31-37; Scott, K. and C. Murano (2007) Journal of Chemical Technology & Biotechnology 82: 92- 100; Mohan, S.V.等人，（2008) Biosensors and Bioelectronics 23: 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。
[0010] 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】
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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，天- 1)下减少污 泥和在高峰值需求(例如，lkw/m3)下产生电力。
[0016] 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。
【附图说明】
[0017] 图1示出了示例性模块化废水处理系统。
[0018] 图2为a)具有如表1中的第一列所列出的水质值的初始污泥样本；以及b)具有如表 1中的第二列列出的水质值的处理的流出物的图像。
[0019] 图3示出了基于用Sanger技术的16s rRNA测序的原污泥样本的系统发育多样性。 选择了200个复制品来用于测序。该结果示出了原样本中的a)主要细菌门；b)主要的细菌种 类；以及c)主要的细菌属。
[0020] 图4示出了用于MFC第1柱的a)门，b)种类和c)属的与阳极石墨粒子相关联的生物 质的系统发育多样性；以及用于MFC第3柱的a)门，b)种类和c)属的与阳极石墨粒子相关联 的生物质的系统发育多样性。DNA从与阳极相关联的材料获取，且使用非特异性引物454测 序技术来测序。用语"其它"表示仅代表〈0.1%的种群蕴藏量的细菌门、细菌种类和/或细菌 属。用语〃未知的〃表示使用APIS分析软件的模糊或重叠的蛋白质匹配。
【具体实施方式】
[0021] 图1中描绘出了本文描述的模块化MFC系统的示例性实施例。各个柱均代表一个 MFC模块，且所有柱都可并联地操作来用于污泥分解。
[0022] 一级污泥经由MFC的顶部处的污泥流入器件流入，且经由柱的底部处的处理的流 出器件离开。在某些实施例中，流入器件和流出器件的功能能够颠倒来除去和/或防止堵 塞。柱包含内部阳极和外部阴极。阳极包括用钛筛网框住的石墨粒子。阴极为填充有石墨粒 子的双层的钛筛网。使用阳极与阴极之间的最小间距lcm)来便于最佳物质传递。阳极的 外层被包在尼龙筛网中（大约30μπι的孔径）。系统浸没入水或另一液体流出物(例如，一级澄 清流出物或二级澄清流出物）中来最大限度地减小阴极表面处的次生生物质的生长。
[0023]待处理的流入物可来自于任何来源，例如，包括在MFC中处理的任何基于水的混合 物来产生饮用水、可再利用的废水和其它形式的接近可饮用的水。流入物的实例包括污泥； 废水;溢出物;工业废水，如造纸或磨削的副产物;食品工业的废水，如啤酒厂的废水;农业 废水;住宅废水;城市废水;动物废水或农业废水;污水;来自于水体的水(a water from a body of water);以及厌氧消化池的流出物。
[0024] 〃处理〃表示破坏废水中的有机物质。有效的处理可表示为以下的减少:a)总悬浮 固体(例如，在10天周期内从22000mg/L至6600mg/L);(b)生物需氧量(例如，在5天的停留时 间内从4500mg/L至2250mg/L) ; (c)甲烧生成作用（例如，在10天的周期内从1.4ppm至 0.7ppm);以及(d)气味(例如，在5天的周期内H2S从21ppm至llppm)。
[0025]大体上，通过与电极的传导表面物理上相关联的微生物群体来生成MFC的催化活 性。如果微生物群体的至少一部分在电极表面上生长而作为生物膜，则微生物群体与电极〃