专利名称：使用微生物燃料电池发电的制作方法
使用微生物燃料电池发电政府权益声明本发明在由空军科学研究局(AFOSR)授予的合同FA9550-06-1-0292下受政府支 持完成的。在本发明中政府享有一定权利。
背景技术：
本文涉及发电和燃料电池。废水中的无机污染物包括各种形式的氮，例如氨、亚硝酸盐和硝酸盐。过量的氮 化合物和由废水排出的其它营养成分、肥料以及其它人类活动将引起富营养化、水质和水 生生态系统的恶化。通过耗能硝化/反硝化(denitrification)和厌氧氨氧化(anammox) (厌氧的铵(ammonium)氧化)过程，废水中涉及氮的污染物可以转化成氮气(dinitrogen gas) ο根据氧化的终产物，可以将铵氧化分为不完全或完全氧化。不完全氧化是通过以 下反应的硝化作用的第一步，其终产物不是氮气NH4++1. 502 — N02>H20+2H+完全氧化过程的终产物是氮气，是厌氧氨氧化过程，通过以下反应示出NH/+NCV — N2+2H20发明概述在一方面，微生物燃料电池包括阳极和电连接阳极的阴极。第一流体与阳极接触， 该第一流体包含可以催化铵的氧化的微生物。第二流体与阴极接触，该第二流体包含可以 催化亚硝酸盐的还原的微生物。在另一方面，处理废水包括提供含铵的废水给微生物燃料电池和氧化一部分铵形 成亚硝酸盐。在另一方面，发电包括提供铵给微生物燃料电池和在微生物燃料电池中生物催化
氧化一部份铵。各装置包括一个或多个以下特征。将阳极和阴极安置在一个室 (singlecompartment)中。第一流体和第二流体可以是相同的。在一些情况中，阳极和阴极 不是通过膜分离的。在一些情况中，阳极和阴极是通过阴离子交换膜分离的。微生物燃料电池中可以催化亚硝酸盐还原的微生物也可以催化硝酸盐的还原。可 以催化铵氧化的微生物也可以催化亚硝酸盐的还原。可以催化铵氧化的微生物可以以生物 膜的形式存在于阴极上。在一些情况中，可以催化铵的氧化的微生物是厌氧的。在某些情 况中，可以催化铵的氧化的微生物可以催化铵至氮气的完全氧化。一部分铵可以被氧化形 成亚硝酸盐。一部分亚硝酸盐可以被还原形成氮气。在一些装置中，设置阴极使其相对阳极转动。阴极可包括连接成组的大量阴极元 件。在一些情况中，可以序批式反应器(sequencing batch reactor)形式运转所述微 生物燃料电池。可以运转所述微生物燃料电池进行发电。一些装置包括提供亚硝酸盐给微生物燃料电池。提供亚硝酸盐给微生物燃料电池
4可以包括提供废水给微生物燃料电池。提供铵给微生物燃料电池也可以包括提供废水给微 生物燃料电池。
图1示出两室(two-compartment)微生物燃料电池。图2是转动-阴极(rotating-cathode)微生物燃料电池的示意图。图3是转动-阴极微生物燃料电池的照片。图4A-4C示出表征通过铵发电的曲线。图5A-5B示出铵用量对电流产生的影响。图6A-6B示出加入铵和硝酸盐或铵和亚硝酸盐时电流的产生量和峰值电流(peak current)。图7说明了补充进料溶液和加入氯化铵后的电流的产生量和pH变化。图8A是微生物燃料电池的阴极、阳极上的细菌和最初接种物的变性梯度凝胶电 泳图。图8B是变性梯度凝胶电泳条带序列的系统发育结构。图9A-9C示出微生物燃料电池的阴极电极的扫描电子显微镜照片。发明的详细说明本文描述了用微生物燃料电池(microbial fuel cell) (MFC)发电的技术、设备和 系统的实例。如本文所述，可以利用氮相关的污染物，例如铵在MFC中的完全或不完全氧化 过程来进行发电。在铵不完全氧化的一些装置中，铵被氧化形成亚硝酸盐(在251时& = +0. 47V)。在铵完全氧化的一些装置中，铵被氧化以及亚硝酸盐被还原形成氮气(在25°C时 E0 = +1. 23V)。促进发电的微生物包括厌氧的氨氧化细菌和硝酸盐/亚硝酸盐还原细菌。利用MFC(例如单室MFC或两室MFC)可以实现由铵的氧化来发电。在两室MFC中， 在MFC的阳极室中的第一组条件下进行类似于厌氧氨氧化过程中的铵(电子给体)的氧 化，以及在MFC的阴极室中的第二组条件下进行亚硝酸盐(电子受体)的还原以形成氮气。 通过膜(例如离子交换膜)将阳极室和阴极室分开。可以通过相同的或不同的微生物(例 如阳极室中的厌氧的氨氧化细菌和阴极室中的硝酸盐/亚硝酸盐还原细菌)来催化反应。图1示出了两室MFC 100。MFC 100包括封闭的阳极室(anodechamber) 102。阳极 室 102 被阴离子交换膜 104(Ultrax，Membrane InternationalInc.，NJ)密封且填充了颗 粒状石墨106。阴离子交换膜104促进了阳极上的厌氧条件，并且其和阳离子交换膜不同， 阴离子交换膜104可以抑制铵扩散经过膜从而抑制铵的损失。可以由例如包在阳极室102 外的碳外层(cloth)来制备阴极电极108。将包含铵(例如氨水)以及可为例如废水的流 入液110，加料进入MFC的底部。分布阳极流出液112流经阴极108，形成一个完整的回路。 在阳极室102中，铵可在厌氧条件下部分氧化，从而可以提供电子给阳极电极。在阴极电极 108上，残留的铵好氧(aerobically)氧化成产物亚硝酸盐/硝酸盐，产物亚硝酸盐/硝酸 盐稍后在阴极反应中用作电子受体。当阳极流出液112具有相对低的pH值时，流经阴极电 极108的流出液缓冲阴极电解质的pH值以及减少pH值的增加对发电造成的不利影响。在单室MFC中，在装有阳极和阴极的一个室中发生氧化反应和还原反应。在 相同的条件下(例如在厌氧氨氧化过程中)通过相同的或不同的微生物来完成铵的完全氧化和亚硝酸盐的还原。单室MFC的实例是转动-阴极MFC，其记载于He等人所著 的“Increased power production from a sedimentmicrobial fuel cell with a rotating cathode, “ Biosens. Bioelectron. 2007，22，3252-3255 中，在此将其引入作为参考。图2示出了转动-阴极MFC 200的示意图，其具有阳极电极202、阴极电极204和 参比电极206。阴极电极204可以成型为圆盘状且通过连接至驱动装置210的导电棒208 连接成组。运转驱动装置210以转动棒208从而转动阴极电极204。阴极电极204位于阳 极电极202的上方从而使得一个或多个阴极电极的其中一部分(例如10 60% )浸入流 体212中。在一些装置中，阳极和阴极之间不存在膜。图3是单室转动-阴极MFC 300的实例的照片。如图3所示，阳极电极202 是一块石墨板(6 X 25cm2) (P0C0 Graphite Inc.，Decatur, TX)，其置于矩形塑料室 05[长]X7.5[高]X6[宽]cm3，液体负载为 650mL)的底部。阴极电极204包括10块 直径为 5. 5cm 的圆形石墨粗(graphite felt) (Electrolytica Inc.，Amherst, NY)。石墨 毡通过连接至泵驱动装置210 (Cole-Parmer InstrumentCompany, Vernon Hill, IL)的石墨 棒208(P0C0 Graphite Inc.)连接成组。将阴极电极204安装在阳极电极202的上方从而 使约40%的石墨毡浸入溶液212中。石墨毡204的底部和阳极电极202顶部之间的距离约 为2. 5cm。用铜丝将1000欧姆的电阻连接在阳极和阴极电极之间。在一个实例中，在室温03-25 °C )下以序批式反应器(SBR)形式运转MFC300。如 i己^^于 Strous 等人所著白勺〃 The sequencing batch reactor as a powerfultool for the study of slowly growing anaerobic ammonium-oxidizingmicroorganisms, " App 1. Microbiol. Biotechnol. 1998，50，589-596中，在此将其引入作为参考，其中示出了 SBR培 养生长缓慢的厌氧铵氧化细菌。使用当地废水处理厂的好氧和厌氧污泥的混合物(混合比 率为1 1)接种MFC。每天用1小时泵取1升基础进料溶液(basic feed solution)(不 含铵)使其经过MFC以促进最大程度地除去前一天的残留物。因此，水力停留时间(HRT) 是1天。如记载于 He 等人所著的‘‘Electricity generation from artificial wastewaterusing an upflow microbial fuel cell, " Environ. Sci. Technol. 2005, 39,5262-5267中，在此将其内容引入作为参考，基础进料溶液是每升自来水中包含 1. 5gNaHC03、0. 002g MgS04、0. 015g CaCl2、0. 005g KH2PO4、0. OlgK2HPO4 以及 ImL 痕量成分 的溶液。在进料基础溶液停止后立即向MFC的多个位置加入氯化铵(或其他的铵化合物) (例如使用匙子)。在MFC的底部(阳极电极的顶部)析出的结晶化学试剂稍后在转速为 约1. Irpm的阴极电极转动的搅动下溶解并分散。每30 秒通过数字式万用表(2700, Keithley Instruments, Cleveland, OH)记录 电池电压，如记载于 He 等人所著的"Electricity Production Coupled toAmmonium in a Microbial Fuel Cell, “ Environ, ki. iTechnol. 2009，43，3391-3397 中，在此将其内 容引入作为参考。根据制造者(Cole-ParmeHnstrument Company, Vernon Hills, IL)提 供的方法，使用铵离子电极测定铵氮(ammonium nitrogen)浓度。分光光度计测量亚硝 酸盐禾口销酸盐，如记载于Doane等人所著的"Spectrophotometric determination of nitrate with a singlereagent, “ Anal. Lett. 2003，36，2713—2722 中，在此将其内容引入作 8i 为参考。使用 Benchtop pH meter (UB-10, Denver Instrument, Denver, CO)测量 pH值。以库仑输出(coulomb output)(电流和时间的积分)除总库仑输入(coulombinput) (基于无机铵)来计算库仑效率(coulombic efficiency)，如记载于He等人所著 的"Electricity generation from artificial wastewater using an upflowmicrobial fuel cell, “ Environ, ki. Technol. 2005，39，5262-5267 中。采集阴极电极切片、0. 3g沉积物(阳极)和最初接种物(0. 3g混和污泥)，使用 UltraCLean Soil DNA kit (M0 BIO Laboratories, Carlsbad, CA)并遵循制造者的说明提 取基因组 DNA。使用分光光度计 ND-1000 (NanoDrop Products, Wilmington, DE)基于洸Onm 的吸光度测定DNA浓度。PCR扩增在50 μ L反应物中进行，该反应物包含大约25ng的模板DNA、25 μ L 的 PCR Mastermix(Qiagen)、0. 5mM(每一个)弓I 物禾口双蒸水。使用 Mastercycler gradient (Eppendorf, Hamburg, Germany)进行 PCR 程序。使用的 PCR 引物是 341f (GC) 和907r。PCR程序遵循记载于Scafer等人所著的〃 Denaturing gradient gel electrophoresis in marine microbial ecology“中的禾呈序；Methods in Microbiology, Paul, J.，ed. ；Academic Press =London, 2001 ；pp. 425-468。使用琼脂糖凝胶电泳检测和评 估PCR扩增产物的浓度。如于Kan等人所著的〃 Temporal variation and detection limit of an estuarinebacterioplankton community analyzed by denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE)，“ Aquat. Microb. Ecol. 2006，42，7-18 中所记载的进行变性梯度 凝胶电泳系统(DGGE)，在此将其内容引入作为参考，除了变性剂的线性梯度用40-70%代 替 40-65%。厌氧氨氧化细菌是浮霉菌门(Planktomyucetes phylum)的成员。使用连续PCR 方法(sequential PCR approach)检测阳极和阴极电极上的厌氧氨氧化细菌。首先，使用 Pla46引物和通用引物扩增浮霉菌(Plancotomycetales)特异的16S fRNA基因，如记载 于 Neef 等人所著的"Monitoring a widespread bacterialgroup :in situ detection of planctomycetes with 16S rRNA-targeted probes, " Microbiology(Reading, U. K.)，1998，144，3257-3266 中和记载于 Ferris 等人所著的“Denaturing gradient gel electrophoresis profiles of 16S rRNA-definedpopulations inhabiting a hot spring microbial mat community, " Appl. Environ. Microbiol. 1996,62, 340-346 中。然后，使 用通用细菌特异引物1070f和BC夹板(clamp)弓丨物1392r扩增DGGE用的16S rRNA基因。从DGGE凝胶上切下代表性的条带，并将其于50°C在扩散缓冲液(0. 25M醋酸 铵、IOmM氯化镁和0.1% SDS)中温育30分钟。1微升的上清液用于条带的再扩增。利 用 ExoSAP-IT(USB，Cleveland, 0H)来纯化 PCR 产物，并通过 ABI PRISM3100Genetic Analyzer (Applied Biosystems, Foster City, CA)禾口Bigdye-terminator chemistry,使用 引物341f (无GC)进行测序。使用BLAST将所有的序列和GenBank数据库进行比对，从而 得到最相近匹配的序列并用于下游分析。使用MacVector 10. O软件包(MacVector，he.， Cary, NC)构建系统发育树(phylogenetic tree)。使用CLUSTALW程序进行序列比对。使 用Jukes-Cantor方法计算进化距离以及使用邻位相连法(neighbor-joiningalgorithm) 构建进化树，如分别记载于Jukes等人所著的〃 Evolution of proteinmolecules,“； Mammalian Protein Metabolism, Munro, H. N. , Ed. , AcademicPress :New York, 1969 ；pp. 21-132 的文献中和记载于 Saitou 等人所著的〃 TheNeighbor-Joining Method-a New Method for Reconstructing PhylogeneticTrees, " MoI. Biol. Evol. 1987,4, 406-425的文献中的方法。基于1000个重新取样数据组得到可信度值(bootstrap value)。 代表性的DGGE条带的部分16SrRNA基因的序列已登陆到GenBank数据库中，编号为 FJ418973-FJ418983。运转2个月后，观察到电流的产生。图4A-4C示出了以铵作为阳极燃料所产生的 电。箭头表示补充基础进料溶液和添加化学试剂。图4A示出了向微生物燃料电池中加入不同物质。为了排除离子强度的增加导致 电流的增加的可能性，如所示加入Ig氯化钠(NaCl)且未观察到电流的增加。在不存在铵时 加入硝酸盐或亚硝酸盐对电流的产生不会造成显著的影响。如图4A所示，加入Ig的硝酸 钠(NaNO3)和Ig的亚硝酸钾(KNO2)不产生任何电流。如图所示，加入Ig的氯化铵(NH4Cl) 时，在约12个小时内电流由O逐渐增加至约0. 062mA。第二次加入Ig的氯化铵(NH4Cl)产 生0. 068mA。当新鲜营养成分溶液冲洗过MFC时，产生的电流骤减。图4B示出了重复加入Ig的氯化铵(NH4Cl)(如所示)的情况。MFC产生的电流范 围为约0. 057至约0. 062mA。如图4C所示也加入其他的氨相关化合物，包括2. 2g磷酸铵 (一元的)(NH4H2PO4)和1. 2g硫酸铵((NH4)2SO4)。两种化合物产生的电流约为0. 046mA，此 时的加入量所含有的氮量与Ig氯化铵所含的氮量相同。图5A示出了加入不同量的氯化铵时电流对时间的示意图。箭头表示补充基础进 料溶液和加入氯化铵。如图所示，增加铵的用量(0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g*3.0g)电 流的产生量增加。如图所示电流的生成依赖于铵浓度的现象最高至铵浓度3. Og(74. 7mM)。 最高的峰值电流为0. 078士0. 003mA，其发生于加入62. 3mMNH4Cl后。图5B示出在不同铵用 量时峰值电流的平均值。误差棒表示基于一个反应器三次测量的标准偏差。当不存在铵时， 电流为0.001 士0.002mA。在加入0. 5g氯化铵后电流增加至0. 027士0. 008mA。加入2. 5g 氯化铵后电流增加至0. 078士0. 003mA。加入3. Og氯化铵后电流增加至0. 076士0. OOlmA0图4A-4C和5A-5B示出电流的生成和铵的添加有关，并且铵用作发电的基质 (substrate)(例如阳极燃料)。图6A-6B示出通过厌氧氨氧化类似过程生成电流，其中将硝酸盐和铵或亚硝酸盐 和铵加到MFC中。在图6A中，箭头表示补充基础进料溶液和添加化学试剂。测试开始于加入 Ig NH4Cl(E^Pb)以得到背景电流曲线。和仅加入NH4Cl相比，加入IgNaNOjP Ig NH4Cl(C) 后峰值电流增加至0. 066mA。然后，当冲洗前一次添加的残留硝酸盐时再加入IgNH4Cl (d)。 在加入Ig KNO2和Ig NH4Cl (e)后峰值电流是0. 081mA，在加入2g KNO2和IgNH4Cl (f)后峰 值电流进一步增加至0. 092mA。重现测试证实了通过加入硝酸盐和铵或亚硝酸盐和铵可以 强化电流的生成。图6B示出在指定的用量下基于来自一个反应器三次测量的峰值电流的 平均值。误差棒表示基于来自一个反应器三次测量的标准偏差。图6A-6B示出硝酸盐和亚硝酸盐均促进电流的生成，且至少在一定的范围内，更 大量的亚硝酸盐将生成更大量的电流。这说明了硝酸盐/亚硝酸盐在MFC中的由铵进行发 电的过程中用作电子受体。和亚硝酸盐相比，加入硝酸盐(含有相同的氮当量)引起的电 流增加较少，这表示与硝酸盐相比亚硝酸盐是更好的电子受体。相应地，使用硝酸盐和铵生 成电流可以是通过硝酸盐还原起作用(生成亚硝酸盐)，这不如直接加入亚硝酸盐高效。上述过程遵循以下理论，亚硝酸盐(硝酸盐还原的产物)用作厌氧氨氧化类似过程中的铵氧 化剂，其中厌氧氨氧化类似过程通过铵氧化和亚硝酸盐还原生成电流。在加入24. 9mM NH4Cl后对铵的浓度进行监测。在HRT为1天时，运转1天后除去 49. 2 士 5. 9%的铵。主要产物是亚硝酸盐，其占除去的铵的69. 3 士9. 9%;生成的硝酸盐其占 除去的铵的14. 4士 19.9%。在开放体系MFC中，如图3所示，氨的挥发在铵去除中起作用。 低电解质PH值可能不利于形成氨气，如图7所示，其中电流的生成(曲线700)和pH(曲线 702)以时间的函数形式示出。箭头表示补充基础进料溶液和加入9mM NH4C1。在25°C， 当pH值为新鲜营养成分溶液的pH值(7. 97 士 0. 18)时，约4 9%氨水(aqueousammonium) 为NH3形式，其中pH快速下降，并在运转1天后当pH为5. 72士0. 07时几乎不存在NH3。在 单独加入NH4Cl和HRT为1天时计算出的库仑效率(CE)为0. 06士0. 00%。当HRT增加到 6天时，除去69. 7士3. 6%的铵，并且CE增加至0. 34士0. 02%.分子分析(DGGE)显示在电极上的细菌不同于最初接种物的细菌组成，其中在 阳极和阴极微生物上观察到相似的DGGE条带图案(band pattern)。这在图8A和图 8B中可见，其中图8A示出阴极(C)、阳极㈧和最初接种物⑴上的细菌的DGGE凝胶 图，图8B示出DGGE条带序列的系统发育结构图。最初接种物主要含有β-变形菌纲 (Betaproteobacteria)(条带 12 和 14)和厚壁菌门(Firmicutes)(条带 13)。然而，铵氧 化细菌和反硝化细菌在阳极和阴极的细菌集聚中均更占优势。例如，DGGE条带1和2属于 铵氧化的β -变形菌纲的欧洲亚硝化单胞菌(Nitrosomonas europaea)，条带3、5和7和 自养反硝化细菌丛毛单胞菌属(Comamonas sp.) IA-30紧密相关。条带4和6与分离自活 化污泥的反硝化细菌(DiaphorcAacter nitroreducens)高度相似，条带10和11与反硝化 Y-变形菌纲(Gammproteobacterium)、细菌CYCU-0215类似。没有证据显示在阳极或阴极 上存在厌氧氨氧化细菌。图9A-9C示出MFC的阴极电极的扫描电子显微镜照片(SEM)。图9A示出在阴极电 极的表面上形成的生物膜900。该生物膜包含可以氧化铵的微生物。向反应中加入的铵通 过生物膜中的微生物好氧氧化成亚硝酸盐。生物膜层抑制氧气进入阴极电极的内部，其内 部基本上是缺氧或厌氧的。图9B示出具有内部902和外部904以及表面上的生物膜900 的阴极电极的横断面图。附着在石墨纤维上的少量厌氧细菌(可能是亚硝酸盐还原细菌) 利用从阴极电极上接受电子将亚硝酸盐还原成氮气。图9C示出阴极电极内部的石墨纤维 906的SEM照片。实验结果表示电流的生成和铵的添加有关，以及铵可以用作直接或间接发电的基 质。考虑到在最初的两个月中没有电流生成，没有发生无生命的铵氧化和电流的生成，相反 电流的生成应该和可以生成电流和除去铵的铵氧化群落的富集有关。在不存在亚硝酸盐 时，氧气可以促进将一部分铵(部分氧化)转化至亚硝酸盐。因此，完全厌氧的条件可能不 利于微生物培养除非从外部加入亚硝酸盐。硝酸盐和/或亚硝酸盐在发电中发挥作用，其可能是作为电子受体，这一点通过 加入硝酸盐和铵或亚硝酸盐和铵时，产生的电流增加这一点得到证明。加入硝酸盐或亚硝 酸盐而导致的离子强度升高也是电流增加的原因。然而，当加入相同量的硝酸盐和铵或亚 硝酸盐和铵时，加入亚硝酸盐生成的电流比加入硝酸盐生成的电流多19.7%，这表示了亚 硝酸盐或硝酸盐除了增加离子浓度外还发挥更多的作用。相信硝酸盐和亚硝酸盐均用作MFC阴极的电子受体。DGGE分析显示不同反硝化细菌富集在两个电极上。其中，条带10和11类似于 Y-变形菌纲(Gammaproteobacterium) CYCU-0215，其分离自活化污泥体系且被鉴定为主 要的还原硝酸盐的反硝化细菌，如记载于You所著的〃 Identification of denitrifying bacteria diversity in an activated sludge system byusing nitrite reductase genes, “ Biotechnol. Lett. 2005，27，1477-1482，在此将其内容引入作为参考。另外，丛 毛单胞菌属和D. nitroreducens (条带3_7)属于丛毛单胞菌科(Comamonadaceae)、β -变 形菌纲，其在反硝化细菌群落中被发现，如记载于Khan等人所著的〃 Members of the family Comamonadaceae asprimary poly(3-hydroxybutyrate)-degrading denitrifiers in activated sludge asrevealed by a polyphasic approach, " App1. Environ. Microbiol. 2002，68，3206-3214，在此将其内容引入作为参考。基于本文所述的结果，反硝化细菌可以和铵氧化细菌一起发挥作用以促进电子 从铵输送至硝酸盐，以及因此生成电流。和亚硝酸盐相比，加入硝酸盐(含相同的氮当 量)引起的电流增加较少，这可能是因为亚硝酸盐是末端电子受体(terminal electron acceptor)而硝酸盐不是。因此，通过硝酸盐和铵生成电流取决于硝酸盐还原(生成亚硝酸 盐)。这和以下发现一致在铵和硝酸盐的氧化过程中，认为亚硝酸盐(硝酸盐还原的产物) 是氨的氧化剂，如记载于Thamdrup等人所著的〃 Production of N_2 through anaerobic ammoniumoxidation coupled to nitrate reduction in marine sediments, " App 1. Environ. Microbiol. 2002，68，1312-1318，在此将其内容引入作为参考。基于所述这些发现，提出好氧/厌氧的铵氧化过程对该转动阴极MFC中的电子传 送进行说明。由于氧的存在(阳极和阴极电势均大于OV (相对于Ag/AgCl)，表示氧气进入系 统内)和对于阳极和阴极电极铵均可利用，认为好氧铵氧化是主要过程。这和以下结果一 致在阳极和阴极电极上发现铵氧化细菌(欧洲亚硝化单胞菌)均为主要菌。已知欧洲亚硝 化单胞菌可以通过氨单加氧酶(AMO)和羟胺氧化酶(dihydroxylamine oxidoreductase) (HAO)的连续作用从铵的氧化中得到生长所需的能量。还已知欧洲亚硝化单胞菌可以使用 亚硝酸盐作为氧化剂对铵进行厌氧氧化。这里提出，在阳极电极上，大多数的欧洲亚硝化单胞菌进行好氧铵氧化，消耗氧气 并引起缺氧铵氧化，消耗氧气，并引起缺氧环境，用于少数欧洲亚硝化单胞菌进行厌氧铵氧 化，从而传送电子至阳极电极。阳极电极上存在的反硝化细菌通过吸收亚硝酸盐加速铵氧 化。同样，通过外部的好氧生物膜消耗氧气在阴极电极内部形成了微厌氧条件(见图9B)。 结果是，反硝化细菌一部分通过接受阴极电极的电子以还原亚硝酸盐(好氧铵氧化的产 物)。亚硝酸盐的积聚表明铵的去除可归因于部分硝化。强化的厌氧条件改善了发电效率。本文所述的铵进料MFC在一定的条件(例如限制碳的条件(carbon-1 imited conditions))下可以用于从废水和农业废物中除去铵氮。为了在MFC中实现铵的去除，可 以使用将铵转化成亚硝酸盐的预处理步骤，与厌氧氨氧化过程类似。然而，和厌氧氨氧化相 比，铵进料MFC发电作为额外优势，因此对于消耗能量的废水处理是更有利的。尽管该文献包含很多详细说明，但不应该将这些详细说明解释为对任何发明或所 要求的范围的限制，而应该解释为对特定实施方案的特征的详细说明。也可以在单一实施 方案中组合使用在本文献的分开的实施方案的上下文中所述的一些特征。相反地，也可以在多个实施方案中独立使用或以任何合适的子组合体使用单一实施方案的上下文中所述 的不同特征。另外，虽然可以按照某些实施方案以及甚至如最初权利要求所述的使用上述 特征，权利要求的组合中的一种或多种特征在一些情况中可以从该组合中删除，以及权利 要求的组合可以直接用作子组合体或子组合体的变体。
权利要求
1.微生物燃料电池，其包含 阳极；电连接阳极的阴极；与阳极接触的第一流体，其包含可以催化铵的氧化的微生物；以及 与阴极接触的第二流体，其包含可以催化亚硝酸盐的还原的微生物。
2.处理废水的方法，该方法包括提供含铵的废水给微生物燃料电池，该微生物燃料电池包含 阳极；电连接阳极的阴极；与阳极接触的第一流体，其包含可以催化铵的氧化的微生物；以及 与阴极接触的第二流体，其包含可以催化亚硝酸盐的还原的微生物；以及 氧化一部分铵形成亚硝酸盐。
3.发电方法，该方法包括提供铵给微生物燃料电池，该微生物燃料电池包含 阳极；电连接阳极的阴极；与阳极接触的第一流体，其包含可以催化铵的氧化的微生物；以及 与阴极接触的第二流体，其包含可以催化亚硝酸盐的还原的微生物；以及 在微生物燃料电池中生物催化氧化一部分铵从而发电。
4.根据前述权利要求中任一项所述的微生物燃料电池，其中将所述阳极和阴极安置在 一个室中，且所述第一流体和第二流体是相同的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的微生物燃料电池，其中所述阳极和阴极不通过膜 分离。
6.根据权利要求1 3中任一项所述的微生物燃料电池，其中所述阳极和阴极通过阴 离子交换膜分离。
7.根据前述权利要求中任一项所述的微生物燃料电池，其中所述可以催化亚硝酸盐的 还原的微生物可以催化硝酸盐的还原。
8.根据前述权利要求中任一项所述的微生物燃料电池，其中所述可以催化铵的氧化的 微生物可以催化亚硝酸盐的还原。
9.根据前述权利要求中任一项所述的微生物燃料电池，其中所述可以催化铵的氧化的 微生物以生物膜的形式存在于阴极上。
10.根据前述权利要求中任一项所述的微生物燃料电池，其中所述可以催化铵的氧化 的微生物是厌氧的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的微生物燃料电池，其中设置所述阴极使其相对 阳极转动。
12.根据前述权利要求中任一项所述的微生物燃料电池，其中所述阴极包含连接成组 的大量阴极元件。
13.根据前述权利要求中任一项所述的微生物燃料电池，其中所述可以催化铵的氧化 的微生物可以催化铵至氮气的完全氧化。
14.根据前述权利要求中任一项所述的微生物燃料电池，其中可以序批式反应器形式 运转所述微生物燃料电池。
15.根据前述权利要求中任一项所述的微生物燃料电池，其中可以运转所述微生物燃 料电池进行发电。
16.权利要求2所述的方法，其还包括氧化一部分铵来形成氮气。
17.权利要求2所述的方法，其还包括还原一部分亚硝酸盐来形成氮气。
18.权利要求2或权利要求3所述的方法，其还包括提供亚硝酸盐给微生物燃料电池。
19.权利要求3所述的方法，其中提供铵给微生物燃料电池包括提供废水给微生物燃 料电池。
20.权利要求3的方法，其还包括提供亚硝酸盐给微生物燃料电池以及生物催化还原 一部分亚硝酸盐。
全文摘要
本发明涉及一种发电用微生物燃料电池。该微生物燃料电池包括阳极和电连接阳极的阴极。阳极与第一流体接触，该第一流体含有可以催化铵的氧化的微生物。阴极与第二流体接触，该第二流体含有可以催化亚硝酸盐的还原的微生物。将阳极和阴极安置在一个室中，阴极相对阳极转动。微生物燃料电池可用于除去废水中的铵、发电或同时用于除去废水中的铵和发电。
文档编号H01M8/16GK102099953SQ200980127325
公开日2011年6月15日 申请日期2009年5月13日 优先权日2008年5月13日
发明者何振, 弗洛里安·曼斯菲尔德, 肯尼斯·H·尼尔森 申请人:南加州大学