专利名称：模块化能量回收水处理装置的制作方法
技术领域：
本申请请求享有2010年I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2 X IO6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。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) Waste Scienceand Technology 152:31-37; Scott, K.and C.Murano (2007) Journal of ChemicalTechnology & Biotechnology 82: 92- 100; Mohan, S.V.等人，(2008) Biosensorsand 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。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，e^gL—1天―1)下减少污泥和在高峰值需求(例如，lkW/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。
图1示出了示例性模块化废水处理系统。图2为a)具有如表I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I中的第二列列出的水质值的处理的流出物的图像。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。图4示出了用于MFC第I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。
具体实施例方式图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。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Icm)来便于最佳物质传递。阳极的外层被包在尼龙筛网中(大约30 μ m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。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 waterfrom a body of water);以及厌氧消化池的流出物。〃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2Ippm至Ilppm)。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〃物理上相关联〃。〃微生物〃或〃微生物体〃可为任何显微镜可见的尺寸的有机体，例如，包括细菌、真菌、藻类、古细菌、原生生物、浮游生物等。微生物可为单细胞或多细胞的。与阳极物理上相关联的微生物以酶的方式从流入物中的有机成分中获取电子且将电子传递至阳极电极。电子形式的能量远离微生物的移动导致促进的微生物代谢且加强了流入物的治理。输送至阴极电极的电子可用作能量源，能量源用于物理上与阴极相关联的独特的微生物群体。可通过穿过回路输送的这些能量源来限制阴极上的细菌生长。电极可填充有或灌注有适合的微生物群落。可使用起始群落例如野生类型(亲生)群落(即，自然地存在于流入物中)或人工微生物库。可通过向反应器注入待使用的流入物且保持一定周期来选择和建立局部群落来获得停留群落。在阳极处，微生物生成电子，电子被传递至阳极电极。阴极可包括微生物群体，在微生物群体处，在适合的氧化剂减少期间使用包括质子的阳离子和电子。因此，阴极可与微生物群体相关联来用于消耗阳离子和/或非生物催化剂，如金属(例如，钼、碳化钨、氧化钴)或基于碳或石墨的介质，以便于从反应器除去质子和其它阳离子，优选作为可用的最终产物，如水。例如，非生物催化剂包括用薄层涂布基底材料，薄层为钨-碳化物-钴、钛、氧化锰(IV)、钥、钨或它们的组合的薄层。不同的涂布技术还可便于用于氧的非生物减少的较高催化表面面积。例如，阳极相关联的微生物群体可为了能够在厌氧环境中生长的微生物而富集，使用多种碳源来用于能量，作为电极上的生物膜生长和/或将电子传递至电极。与阴极物理上相关联的微生物群体可为了微生物而富集，这些微生物具有改善其作为MFC中阴极相关联的微生物群体的能力的特征。例如，阴极相关联的微生物群体可为了能够在需氧环境中生长的微生物而富集，使用从阴极获得电子来用于能量，且/或作为生物膜在电极上生长。〃电极〃表示导体，电流可经由导体进入或离开金属介质。在MFC中使用的电极可包括允许微生物附着的任何传导材料。电极可完全由用于传导电子的材料制成，或可包含用于传导质子的材料。适合的材料的实例包括金属、金属化合物、非金属或它们的组合。金属的实例包括钛、钼和金；金属化合物的实例包括氧化钴、氧化钌、碳化钨、钨-碳化物-钴；不锈钢；或它们的组合。非金属的实例包括石墨、掺杂石墨的陶瓷和传导性聚合物，如聚苯胺。电极可为固体、合成物或混合物，如颗粒的收集器，颗粒的收集器使用例如有助于聚集和固定颗粒的材料(如，粘着剂、胶、粘合剂或连结剂)被压成或形成相关的形状。可通过保持材料(例如，保持器件)，如纸张、膜、筛网、筛子、格栅等来将颗粒保持为相关的形状或形式。保持材料可包括金属，例如，钛，而电极材料例如可为石墨粒子、大孔气凝胶、石墨纤维刷、石墨多孔板、石墨多孔球、石墨织造纤维、石墨毡、石墨布或不同的传导性大表面面积颗粒的组合。当使用颗粒时，颗粒可为任何形状和任何尺寸，例如，渣块、结、纤维或小球，颗粒可为规则的形状，如球形、椭圆体或晶体，或无规则的形状，且可为变化的尺寸。例如，用于保持材料的其它适合材料为包括金属或金属合成物(如，不锈钢、钛或高密度聚乙烯)的筛子或布。保持材料可向电极材料提供待处理的流入物的通路。因此，空隙可存在于保持材料中。如果存在的话，空隙可为将不允许电极材料通过而同时允许阳离子和其它材料往返于电极或电极材料流动的尺寸。电极可包括多层的保持材料，如填充有或交织有传导材料的金属筛网。例如，电极可设计成包括层，例如，其具有保持材料的多层或多页，且包含在保持器件的相邻层之间的为传导材料(如，粒子)的层，导致保持器件和传导材料的交替的层。此种构造增大了电极尺寸和表面面积。此种构造还便于在电极内发展出生物化学梯度。电极可具有柱形状，例如，电极具有保持材料的至少两层、至少两页、至少两个褶层。保持材料的独立层可以固定距离分开，例如，如大约0.5cm、大约0.75cm、大约1cm、大约1.25cm。保持材料的相邻层之间的空隙可填充有电极材料，如传导材料，如用以增大表面面积的多个粒子或多孔粒子，例如，粒子可为长方形、圆形或椭圆形的形状，其中的直径范围例如沿轴线或较长轴线从大约2_至沿较长轴线的大约5_。例如，保持材料可根据传导片、膜、栅格或筛网构造，例如，保持材料可由非传导塑料、金属或其它传导材料(如，钛或不锈钢)构成。在阴极中，层或多层可加强质子流，这继而又加强还原反应。阳极类似于具有一种结构的填充床反应器，阳极例如由多孔石墨粒子构成，例如，石墨粒子具有沿其最长轴线从大约2_至大约5_的范围内的直径，且使用聚集器件或固定器件(如，胶、粘着剂、粘合剂或连结剂)或通过保持材料(如栅格或筛网)来在结构上保持和定形。保持材料可由非传导材料如塑料，或金属或其它传导材料如钛制成。例如，钛为传导性的、抗腐蚀、耐用的且具有补充微生物作用的固有催化性质。因此，例如，保持材料可为织造的钛材料，其便于在阳极隔间与阴极隔间之间交换离子的径向物质传递。不锈钢或其它复合金属筛网可用于填充床型电极构造。碳化钨或氧化钴用作用于阳极的成本效益合算的非生物催化器件。阴极表面面积与阳极表面面积的比可构造成相同或不同。例如，阴极可构造成较大的，或具有比阳极中更大的表面面积。例如，阴极表面面积与阳极表面面积的比可为至少大约1:1、大约1.25:1、大约1.5: 1、大约1.75: 1、大约2: 1、大约2.25: 1、大约2.5:1、大约2.75: 1、大约3: 1、大约3.25: 1、大约3.5: 1、大约3.75: 1、大约4: 1、大约4.25:
1、大约4.5: 1、大约4.75:1或大约5:1。可通过操作参数来确定电极尺寸和形状。例如，电极的尺寸和形状可确定为用以增大表面面积与体积的比，例如，通过增大多孔性、增加表面粗糙度或改变给定传导材料的外形。例如，这可通过施加涂层、限定制造工序、减小颗粒尺寸和/或调整筛网尺寸来实现。表面面积可部分地取决于所期望的停留时间、流入物的废流和流动动力。例如，不应当将颗粒电极材料填充得过于致密，因为这将增加停留时间，从而降低效率。此外，应当将电极设计成用以便于良好的传导性。适合的空隙容积(与电极的填充床结构或复合结构相关联的接触传导颗粒之间的空间)可选择成用以允许材料、固体颗粒和流体通过，以及用以减少电极更换/维护的需要。如果传导颗粒之间的空隙容积很大，则系统的内部电阻增大，从而导致电极处的氧化还原反应的减小。同样，阳极可为多层构造，使用了本文所述的材料，同时保持厌氧状态。因此，阳极可包括保持材料(如，上文所述的那些)和传导材料的交替层，其中最内层和最外层包括保持材料。电极的构造为用以优化反应条件的设计选择。MFC可包括交替的电极板、交替的电极片和/或交替的电极页；单个阳极和单个阴极，各个电极均可为任何形状，例如，杆、柱、筒、条和/或片；相等数目的多个阳极和多个阴极；不等数目的一个或多个阳极和一个或多个阴极；中心阳极，其具有包括反应器的内部侧壁或附接为平行于内部侧壁延伸的层的阴极("周向"电极)；中心阴极，其具有包括反应器的侧壁或附接为平行于侧壁延伸的层的阳极；具有周向阴极的多个中心阳极；或具有周向阳极的多个中心阴极。电极可沿任何方向定向，例如，如水平地、垂直地或径向地。如本文使用的阳极除非上下文这样指出，则可代表单个阳极或多个阳极，而阴极可代表单个阴极或多个阴极。
阳极与阴极之间的间距选择成用以优化操作参数，例如，如质子传递。氧到阳极的任何泄漏都可中断阳极或阳极隔间中的电子传递；加强阳极处生物质生长；减少电力产生；和/或减少能量回收。因此，可优化间距来最大限度地减小氧传递同时保持质子传递。间距可例如使得阳极和阴极离子接触，但消除了电性连接。此种构造防止短路，且优化了离子(例如，质子)传导性，使得物质输送不会变成受比率限制。通过优化阳极与阴极之间的间距，可优化电流流动，导致氧化速率和还原速率的提高。优化阳离子传递的特征包括阴极电极与阳极电极之间的最小距离、溶液传导性和浓度梯度。溶液传导性(离子传导性)和浓度梯度(PH和/或气相)也冲击质子从阳极到阴极的移动。如果阳极环境为富质子的，而阴极环境为贫质子的，则质子将从阳极转移至阴极，直到达到平衡。质子必须传播的距离越短，就可越快地发生还原反应。阳极可为厌氧的(具有很少氧化剂至没有氧化剂)，而阴极为需氧的(具有富能量氧化剂)。在此种情况下，质子将沿梯度转移来完成还原反应。例如，阳极与阴极之间的距离可为小于3cm、小于2.75cm、小于2.5cm、小于2.25cm、小于2cm、小于1.75cm、小于1.5cm、小于1.25cm或小于1cm。可使用电极之间的隔层(例如，分隔器件)。该隔层可由任何非传导材料制成，例如，如塑料、陶瓷和/或聚合物(例如，尼龙)，且例如可呈现为片、布和/或筛网，以便提供电极或电极隔间之间的隔层器件。该隔层可允许流体和/或微生物通过。此种隔层不应认作是质子选择材料。此种隔层可最大限度地增大质子传递和/或减小交叉流入物、氧化剂和/或其它反应物。分隔器件可为微对生物和流体可渗透的多孔片或筛网。然而，在一些实施例中，可使用质子选择材料，如阳离子交换膜，但质子选择材料是昂贵的。在一些实施例中，电极之间的隔层包括多孔绝缘材料，多孔绝缘材料防止MFC的短路，同时允许质子、微生物和/或流体传递。例如，可使用微多孔筛网，例如，其具有
0.2μηι至40μηι的孔径。在一些实施例中，孔径不大于大约30 μ m。此种微多孔筛网可由任何绝缘材料如尼龙、PTFE或PVDF制成。在一些实施例中，绝缘隔层为亲水性的。当最大限度地减小和控制阳极与阴极之间的距离来避免如本文所述的短路时，就不需要物理隔层。在某些实施例中，本文所述的MFC可建立生物梯度(从厌氧代谢到需氧代谢)，这可利用比具有电极之间的较大分离(例如，大于3cm)的系统中可用的更大的代谢多样性和呼吸作用多样性，或使用阳离子交换膜来最大限度地减小从阴极到阳极的氧交叉。此种生物梯度和化学梯度是由于生物和系统操作参数而发生的，且通过提供适合的微环境来提高MFC效率。因此，不同微生物集群的混合物最大限度地增大了效率和能量回收。当状态在反应器和反应器的部分中被保持时富集集群，如在阳极的中心处或阳极隔间中的厌氧状态，阳极与阴极之间的空隙或空间中的需氧状态，以及阴极的层之间的可变的需氧状态。通过在阴极隔间中具有不同的氧化剂浓度(例如，硝酸盐)来获得类似的状态。碳梯度可存在于MFC中，在此种电极构造中，既从反应器的顶部到底部，且又从中心阳极到周向阴极沿径向向外。在某些实施例中，从待纯化的废水中固有的亲生微生物群体来富集微生物群体。在此种实施例中，待纯化的废水与MFC的阳极电极相接触。在反应器富集期间，MFC首先穿过高电阻(例如，1000-5000 Ω)操作，以便达到阳极电极表面处的生物质。在若干流动循环(或批量循环)内已经实现稳定的电流产生之后，然后穿过回路的电阻降低至介质电阻(例如，100-500Ω)来开始优化代谢。应当又实现电流再生，且电阻最终将降低至低电阻(例如，10-50 Ω)来允许用于化合物的分解的最大生物膜活性。这种富集过程可在任何位置从10天进行至30天，这取决于废水的性质和MFC操作参数。在稳定生物膜活性之后，反应器可在最大有机分解速率(接近于短路)或最大功率(由电池极性测量结果限定)下操作。在MFC的操作期间，阳极处或阳极附近的流体例如可通过在流动状态下操作MFC来轻轻地搅动阳极，以便防止沉淀状态和腐败状态，同时保持厌氧状态。例如，可通过添加氧化剂来搅动在阴极处或阴极附近的流体。水处理过程可为连续的，其中经由阳极隔间的流入物的恒定流动，以及产物(例如，穿过阴极或来自于阴极的水)的恒定流动。例如，流入物的入流可构造成用以允许在阳极处大约I天、大约2天、大约3天、大约4天、大约5天、大约6天或大约7天的平均流体停留时间来用于处理成可饮用的水平或接近可饮用的水平。较长的停留时间可用于获得接近可饮用的水。然而，增大反应器的每单位体积的电极活性表面面积可提高氧化速率，且因此减少停留时间。操作闭合回路处或闭合回路附近的反应器还可减少停留时间和促进氧化反应。可监测和优化养分分解速率。例如，可收集来自于反应器的样本来用于流入物和流出物的化学分析和生物分析。来自于MFC的流出物中的有机物质、颗粒和其它元素的可接受的水平是设计选择的。例如，如果在单次穿过反应器之后超过可容忍的量，则可将流出物保持在反应器中较长时间，或流出物可再循环穿过相同的反应器或穿过另一反应器。再循环系统可包括流出物连通器件，流出物连通器件将流出物输送回包含MFC的器件的输入器件，以用于在相同MFC中再次处理，或流出物可通过连通器件输送至第二 MFC。穿过MFC来达到所期望的终点的次数为设计选择的。在反应器操作期间，例如，使用自动数字装置(例如，高阻抗数字万用表)来周期性地或连续地监测和记录产生参数和反应参数。可进行包括动电位偏振和电池偏振的附加电化学估计，以便识别可在阳极或阴极处发生的任何速率限制反应。进一步估计任何速率限制反应来确定是否是系统操作、生物限制和/或二级化学反应的结果。可基于这些数据来使用系统改动，以便解决速率限制反应或速率限制因素可对整个反应器效率具有的冲击，例如，可进行活性生物膜的生物强化和/或改变系统流动速率。可优化本文所述的系统来有利于多种竞争性生物过程中的一个或多个，S卩，用以最大限度地增大功率产生、特定发酵反应、甲烷生成作用、微生物生物质累积(即，生物淤积)和/或物质传递。例如，为了减少甲烷生成作用和生物淤积，可能有益的是以很小的负载来运行MFC，即，通过穿过回路施加小电阻(例如，200Ω或更小)来便于最大电流。然而，由于操作电池电压可能很低，故以最大电流操作MFC系统不允许最大功率生成。由于允许电子累积在微生物集群内且电子可用于生长或用于二氧化碳还原，故在污泥减少期间以最大功率操作系统可导致次生生物质的较快累积和甲烷产生的增加。此外，由于在已经发生发酵过程之后能量回收更高效地发生，故在最大功率生成期间可需要较长的停留时间。这可通过设计在线容纳器件来允许流入物在MFC中的处理之前发酵来减轻。作为备选，可通过选择有机体来最大限度地减少甲烷产生，该有机体有利于通过二氧化碳还原来促进产生电的代谢(Ishii等人，Biosc1.Biotech.Biochem.72, 286,2008)。另外，可选择在较低温度下操作的微生物，因此针对反应器的加热需要较少能量。
MFC的真实时间监测提供了例如操作来获得最大功率以将能量直接回收作为电力的灵活性。因此，当能量需求很高或是所期望的时，例如，在白天期间，系统可以以较高负载操作，因此减慢了流入物的分解过程，但提高了能量回收和电力产生。作为备选，MFC可以以较小负载操作，例如，在夜间，以便促进流入物的分解和减少生物质产生。在某些实施例中，本文所述的MFC的阳极与多样化的微生物的群体物理上相关联，其不限于仅使用单个碳源来用于能量。因此，有可能获得电极处残留的生物膜群落的全面的系统发育的描述。此种分析使群体的产生和群体的识别能够被优化来在相关的阳极或相关的阴极中使用来用以获得所期望的目的，如能量生成，或使停留时间能够达到参数的某一里程点，即，集群的特征和定量为最大限度地增加相关产物的获得。将优化该集群来用于此种应用或使用。宏基因组技术产生基因组数据，基因组数据反映了存在于群落中的全部收集的基因，然后，基因组数据可用于识别特定基因簇或有机体，这与代谢过程关联，代谢过程例如与污泥氧化、能量回收和水的产生相关。系统发育轮廓线用于分析不同基因组中存在和缺少的基因族或蛋白质的图案，该图案随后与相关的表型特性的分布相比较。共享特定表型的有机体的基因组中优先发现的基因(或基因的组合)认作是功能候选方案。例如，可使用由J.Craig VenterInstitute (例如，见 Badger 等人，Int.J.Syst.Evol.Microbiol.55, 1021, 2005;Federova 等人，Genomics 6, 177, 2005; and Palenik 等人，PNAS 103, 13555,2006.)开发的自动系统发育推理系统(APIS)来进行系统发育轮廓线绘制。然后，信息应用于阐明特定功能过程，该过程发生在多样的微生物群落中，且可通过在多种条件下进行宏基因组测序和宏转录组测序来监测给定系统内的系统发育表达动态和基因表达动态。理解微生物群落动态是开发优化的可再生能量和/或水处理系统的组成部分，这可表示在结合变化的流入物的多种条件下和在受控的实验室条件外的一定数目的环境中(如，工业应用、农业应用或市政应用中)的稳定和连续的操作。为了评估微生物群体，例如，通过基因组分析(例如，454DNA测序和宏基因组分析)来结合系统的流入物和流出物来处理阳极生物膜和阴极生物膜的样本。454测序技术和Solexa测序技术的商业可用性提供了用于大规模DNA测序工程的Sanger测序的备选方案。454 技术基于焦憐酸测序(Nordstrom 等人，Biotech.Appl.Biochem.31, 107,2000 ;和 Gharizadeh 等人，Anal.Biochem.301, 82, 2002)。454 测序和 Solexa 测序的已知优点包括:1)在不需要将cDNA复制成矢量的情况下构造基因组库的能力；2)无矢量库允许绕过常规复制途径和它们的相关问题，如，某些cDNA片段的表现偏差和复制性/稳定性的问题；以及3)相对于本技术很快地产生大量序列数据(在一次运行中IOOMb至IGb)和覆盖度。MFC可包括容纳器件。例如，此种容纳器件可收纳整个MFC，收纳MFC的构件或多个MFC。通常，容纳器件可具有任何形状，包括筒、反棱柱、双墩、立方体、截头体、棱柱、长方体、四角棱柱体、面板或它们的组合。总体形状为设计选择。例如，有助于本文所述的MFC的形状的选择的因素包括可层叠性、在空间中经济地组织的能力和最大限度增大燃料电池操作的效率。容纳器件可由经得起容纳在MFC中的流入物体积和其它材料的压力和重量的任何材料制成。在一些实施例中，容纳器件为对微生物作用惰性的和/或对流入物中发现的成分惰性的。适合的材料的实例包括金属如不锈钢、铝、阳极化铝、钛和阳极化钛；塑料，如聚丙烯、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺或聚甲基丙烯酸酯；玻璃；纤维素产品，其大体上可包括防水或抗水的层或衬层；陶瓷；或它们的组合。例如，容纳器件的尺寸可基于MFC的预计使用而变化。因此，例如，反应器的尺寸可针对特定应用而按比例确定。例如，便于大约100加仑至大约500加仑的流入物的工作容积(特定时间点处的反应器中的最大流体体积)的反应器可服务于单个家庭的住宅需要。具有大约1000加仑至大约9000加仑的流入物的工作容积的反应器可便于小型企业或动物饲养设施的处理需求。较大容积的反应器(上千至几百万加仑的流入物)可用于服务社区的市政水处理设施。可通过将一起工作的多个MFC模块的容积聚集来提供此种容积。可通过电极连通器件(如，线或柱)来获得通过本文所述的MFC产生的电功率，电极连通器件可由传导金属构成，且可用于给电池充电或用于其它使用，例如，在脱离电网的环境中。因此，通过相关燃料电池生成的功率可用于操作与相关燃料电池或相关模块化系统相关联的各种能量需求器件，如，驱动用于将流入物或其它材料移入相关燃料电池的泵送器件。容纳器件可包括用以接近其内部的器件，例如，如端口、盖、门、罩盖、底部或窗口。容纳器件上的所述接近器件的数目和部位是设计选择。例如，容纳器件的侧壁上的某些位置可用于确保接近容纳器件的内部。接近器件可包括用于确保液体或气体不会从反应器中失去或经由接近器件引入反应器中的器件，例如，如垫圈或垫片，该器件可由适合的材料制成，如橡胶或塑料。这些接近器件中的各个器件均可包括用以将所述器件可逆地固定至容纳器件或可逆地固定到容纳器件上的器件。例如，适合的此种固定器件包括螺钉、支架或夹具。例如，接近器件还可包括用以控制接近反应器的内部的阀、开关或其它可操纵的器件。例如，接近器件的实例包括流入物接近器件、废气流出物器件、废物流入器件、产物流出器件、导电器件、回路连接器件、液体流入器件、液体流出器件、流入物监测器件、流入物进入器件、气体监测器件、水流出物器件、流出物接近器件、氧化剂流入物器件、氧气或空气流入物器件和能量传导器件。各种器件可包括与包括反应器和/或容纳器件的材料相同、类似或相容的材料。在某些实施例中，例如，容纳器件可收纳模块系统或设备的单元、模块或电池，其中多个MFC模块串接地或并联地操作来作为单个系统或设备。例如，可通过其预计使用来指出设备中的独立模块的尺寸。设备的各种模块可为相同的尺寸或具有不同的尺寸。模块可通过连通器件聚积和连接，且/或可收集在共同的容纳器件中。例如，连通器件可为流体传导器件，如管子、管线、管、管路、软管或导管。所述流体传导器件可为任何适合的材料，例如，如金属、橡胶、塑料、玻璃或它们的组合。容纳器件还可配备有适合的控制件，用于监测和/或提供反应器内容物的环境条件的信息，例如，用以确保条件有助于微生物生长和/或代谢。例如，一种所述接近器件可提供至培养基(即，通过微生物作用的基于水的流入物)的通路，例如，用以经由温度感测器件(例如，如温度计或热电偶)来确定温度。可用器件来收纳温度感测器件，以便确保防液体的密封件存在于接近器件处，如垫圈或垫片。温度器件可包括调节器件，调节器件使得能够控制器件来改变反应器环境参数，如温度，其中调节器件与调整参数的器件相互作用和/或对接，如，加热器件、冷却器件或两者。其与反应器相关联，如与温度控制或调节器件相关联的微处理器器件、计算机处理器件或数据处理器件，用以使待处理流入物达到所期望的温度。这种温度的调节可保持反应器中的自我平衡环境，或可提供一定时间周期内的温度变化的适合的变化进程表和/或时间表。可使用用于监测环境条件、培养条件或培育条件的其它控制件，如，用于含氧量的传感器、用于PH的传感器、用于压力的传感器、用于测量相关的任何其它反应物或产物的传感器。例如，由于在厌氧状态下可加强阳极的操作，故可在阳极隔间处提供氧感测器件来用以确保在其中保持较低的氧水平。在阳极隔间处的另一接近器件可包括用于除去气体的器件，如真空器件或气体流入器件，例如，用以将惰性气体(如，氮气)引入相关反应器的阳极隔间中，用以产生或用以保持厌氧气氛或厌氧环境。在阴极隔间处，氧或其它氧化剂如硝酸盐、硫酸盐、延胡索酸盐和/或重金属，可便于其中和其上发生的还原作用，例如，用以产生水。因此，氧化剂或氧感测器件还可设在阴极隔间处。此外，阴极隔间可具有接近器件，该接近器件配备有用以将氧化剂或氧引入阴极隔间中的器件。现在将在以下非限制性实例中举例说明本发明。实例
实例I示例性模块化水处理系统
20加仑容量的微生物燃料电池反应器由在串接地操作的四个独立MFC柱构成。各个柱均构造成具有内部阳极，内部阳极在外部由薄的绝缘尼龙层包住。尼龙筛网(28 μ m的孔尺寸)用作绝缘隔层来防止阳极与阴极之间的电性接触，但仍便于隔间之间的离子输送。阳极为柱形，且包含通过钛筛网保持就位的碳粒子。由两个筒构成的阴极围绕阳极以阳极与最近的阴极筒分开大约Icm的距离来包住阳极。阳极和阴极两者都为填充床构造。钛筛网用于阳极和阴极的筒框，且用作用于各个隔间的传导件。阳极和阴极每个均填充有非均匀的人造石墨粒子Π/4英寸的最大直径)来用以增大活性表面面积。各个内部阳极隔间均具有2.8L的总容积。流入物经由定位在柱的顶部处的流入器件进入阳极，且经由定位在柱的底部处的流出器件离开阳极。在环境温度下操作系统。整个数据收集期间，将反应器保持在lOOmL/min的速率的恒流下，其中反应器中的每次循环的样本停留时间为6.5min。在整个闭合回路操作期间，穿过1050欧姆的电阻器来连接阳极和阴极。还分批地(没有流动)执行测试，以便观察水质和能量回收中的任何差异是否都相对于流动操作明显。在引入系统中之前来分析各个原污泥样本。在15天和5天的操作时分析处理的流出物。表1-表3示出了在CRG Marine Laboratories, Inc处通过EPA标准方法所分析的水质结果(在处理之前和处理之后)。表I提供了在15天的操作之后的针对污泥流入物和处理的流出物的水质分析的结果。BOD=生物需氧量。表2提供了在15天操作之后针对包绕阴极的水的水质分析的结果。该系统在操作期间浸没入含氧的水中。周期性地分析阴极流出物的样本，以便确保在操作期间并未污染阴极水。表3提供了在5天的操作之后针对污泥流入物和处理的流出物的水质分析的结果。
表I
权利要求
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或非生物催化剂在物理上相关联。
2.根据权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述阳极与所述阴极之间没有质子选择材料。
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。
4.根据权利要求3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30 μ m的孔径。
5.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。
6.根据权利要求5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。
7.根据权利要求6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。
8.根据权利要求7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。
9.根据权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述阳极定位在所述阴极的内 部。
10.根据权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述阳极和所述阴极以不大于2cm来分开。
11.根据权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述阴极的表面面积为所述阳极的表面面积的至少两倍。
12.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。
13.根据权利要求12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。
14.根据权利要求12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。
15.根据权利要求12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。
16.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。
17.根据权利要求9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。
18.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。
19.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。
20.一种优化用于废水处理的微生物燃料电池(MFC)的阳极上的微生物群体的方法，包括以下步骤: (a)使所述阳极与亲生微生物群体和废水相接触； (b)在相对较高的电阻下以足够的时间周期操作所述MFC，以便增加所述阳极上的所述微生物群体的生物质； (c)在中等电阻下以足够的时间周期操作所述MFC，以便优化所述阳极的微生物群体的代谢；以及 (d)在低电阻下以足够的时间周期操作所 述MFC，以便优化所述废水的微生物分解。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述亲生微生物群体为天然存在于所述废水中的微生物群体。
22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述高电阻在大约1000欧姆至5000欧姆的范围内。
23.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述中等电阻在大约100欧姆至500欧姆的范围内。
24.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述低电阻在大约10欧姆至500欧姆的范围内。
全文摘要
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。
文档编号H01M8/16GK103098283SQ201180014050
公开日2013年5月8日 申请日期2011年1月14日 优先权日2010年1月14日
发明者O.布雷特施格尔 申请人:J·克雷格·文特尔研究所