专利名称：异生素的生物电处理的制作方法
异生素的生物电处理 相关申请的交叉引用
本发明的一方面涉及使用减除液体中的异生素的系统。典型 地，该液体为包含水形式异生素的水溶液或悬浮液，或者异生素为可 与水互溶的液态。典型地，该液体不能够杀死系统中的微生物。流过 系统的液体可直接从环境中照原样获得，或在引入系统之前首先经过 处理(例如过滤以去除固体颗粒)，或者作为清洗被异生素污染的固体 介质而得到的液体(例如用水冲洗受污染的土壤获得的溶液)。如果初 始形式的液体能够杀死系统中的微生物，那么可通过加入水或任何其 它合适的溶液或液体将其稀释，使它不能杀死系统中的微生物。00391该系统包含具有第一孔和第二孔的第一室；在第一室中的第 一电极，该第一电极位于第一孔和第二孔之间；与第一电极并与电压 源通电的第二电极,其中第一电极是阳极而第二电极是阴极或第一电 极是阴极而第二电极是阳极。
在一些实施方案中，该系统还包含驻留在第一室中的第一微生 物培养物，和任选驻留在第二室中的第二微生物培养物。每一微生物 培养物可为纯培养物或基本纯培养物，或者混合培养物。[00431在一些实施方案中，第一电极包含多孔性导电材料，和任选地 第二电极也包含多孔性导电材料。该多孔性导电材料具有对于一般细菌或特定所需细菌而言尺寸足够大的孔。特定所需细菌是可在液体中 解毒特定的已知异生素的细菌种类。该孔的直径可为约l微米或更大、 或者约IO微米或更大。[0044!在一些实施方案中，该系统还包含与第一孔结合的第一泵， 该第 一泵配以使液体流过第一室并通过第二孔流出；和任选与第三孔 结合的第二泵，该第二泵配以使液体流过第二室并通过第四孔流出。[0045电压源提供超过0 mV的电压。在一些实施方案中，电压源为 50mV或更高，或者100mV或更高，或者200 mV或更高。在一些 实施方案中，电压源提供200- 1,000 mV的电压。在本发明的一些实 施方案中，电流可有时反向，例如，每30分钟---J、时超过0-10分钟。[0046在一些实施方案中，第一室还包含适合作为碳源的第一有机化 合物，和任选地第二室包含适合作为碳源的第二有机化合物，其中第 一和第二有机化合物可为相同或不同的有才几化合物。该有机化合物可 在系统使用期间一次性、周期性、或连续性地引入。要使用的有机化 合物取决于系统中所用的微生物种类是否能够利用该有机化合物作 为碳源。[00471在一些实施方案中，第一室还包含第一电子穿梭化合物，和任 选地第二室还包含第二电子穿梭化合物，其中第一和第二电子穿梭化 合物可为相同或不同的电子穿梭化合物。[00481在一些实施方案中，第一室还包含第一含醌化合物，和任选地 第二室包含第二含醌化合物，其中第一含醌化合物和第二含醌化合物 可为相同的或不同的含醌化合物。[00491在一些实施方案中，本发明还提供生物电反应器(biodectrical reactor) (BER)的工作室中的带负电电极(阴极)，该电极可用作电子供体用于微生物的高氯酸盐还原。高氯酸盐还原细菌利用电极表面上的 电子作为用于高氯酸盐还原的还原等效物的源，同时同化来自C02或 备选的可利用有机源的碳。这样的方法具有长期、维护工作少、同时 限制将附加化学品注入水处理过程的优点。因此，这克服了与配水系 统的腐蚀和生物淤积的有关下游问题以及防止有毒消毒副产物的产 生。[0050在减除水中的高氯酸盐和氯酸盐的上下文中阐述了一些实施 方案。然而，本领域技术人员将容易地理解本文公开的材料和方法 将可用于其中期望减除高氯酸盐和氯酸盐的许多其它上下文中。0051在本发明的一些实施方案中，该系统包含同时含有阳极和阴极 的单室上流式生物反应器，即液体逆重力方向流动。任选地，该室可 为下流式生物反应器，或向不依赖于重力方向的任何方向流动。当液 体逆重力方向流动时，可使用给液体提供流动的任何装置，例如可使 用机械泵抽吸液体。该室包含任何适当的导电材料的形式的阴极或阳 极。例如，阴极或阳极可为石墨颗粒填充床，例如位于上流式生物反 应器底部的石墨颗粒填充床。在石墨床上有砂层。室的顶部附近有类 似的基质所组成的阳极。阳极通过电压源(或负载)与阴极连接。反应 室底部附近的入流孔允许受污染液体向上流过电活动的电极，从出流 孔流出该室。出流孔可位于砂层和阳极之间或阳极和室末端之间。任 选地，阳极可置于室的底部，而阴极置于室的顶部。电负载可引起室 中的水电解，在阴极表面产生氢气(H2),在阳极表面产生氧气(02)。然 后这些气体生物有效地刺激微生物活性以将范围广泛的污染物生物 降解或生物转化成良性的终产物。00521在本发明的一些实施方案中，该系统包含至少部分地或全部地 (入孔(IO)、出孔(20)和电线(51和61)除夕卜)被室壁(72)封闭的室(70)。 该系统的使用包括液流从室外通过入孔(ll)流入，流过室(71)并通过出 孔(21)从该室流出。室内存在第一电极(50)和第二电极(60),其中第一电极(50)位于入孔(10)和第二电极(60)之间，而第二电极(60)位于第一 电极(50)和出孔(20)之间。第一电极(50)和第二电极(60)是通电的，其 中第一电极(50)通过能够传送电流的装置(51)与电压源(100)连接，第 二电极(60)通过能够传送电流的装置(61)与电压源(100)连接。第一电 极(50)可为阴极而第二电极(60)可为阳极，或第一电极(50)可为阳极而 第二电极(60)可为阴极。(见图8,图A)。[0053在本发明的一些实施方案中，该系统包含第一室(80)和第.二室 (90)。第一室(80)至少部分地或全部地(第一室入孔(10)、第一室出孔(82) 和电线(51)除夕卜)被第一室壁(82)封闭。第二室(90)至少部分地或全部地 (第二室入孔(30)、第二室出孔(40)和电线(61)除夕卜)被第二室壁(92)封 闭。该系统的使用包括液流从第一室外通过第一室入孔(ll)流入，流 过第 一 室(81)并通过第 一 室出孔(21 )从第 一 室流出。另 一液流从第二室 外通过第二室入孔(31)流入，流过第二室(91)并通过第二室出孔(41)从 第二室流出。>^人第 一 室出孔(20)流出的液体和流入第二室入孔(30)的液 体是通电的，例如，液体从第一室出孔(20)流入第二室入孔(30)。第一 室内存在第一电极(50),该第一电极位于第一室入孔(10)和第一室出孔 (20)之间。第二室内存在第二电极(60)，该第二电极位于第二室入孔(30) 和第二室出孔(40)之间。第一电极(50)和第二电极(60)是通电的，其中 第一电极(50)通过能够传送电流(51)的装置与电压源(100)连接，第二 电极(60)通过能够传送电流(61)的装置与电压源(1 OO)连接。第 一 电极 (50)可为阴极而第二电极(60)可为阳极，或第一电极(50)可为阳极而第 二电极(60)可为阴极。(见图8,图B)任选地，液体从第一室出孔(20) 流入第二室入孔(30)。[0054在本发明的一些实施方案中，该方法是减除液体中的高氯酸盐 和氯酸盐的方法，该方法包括提供生物电反应室；将阴极引入该室； 施加电压至阴极；使液体流入该室，致使液体至少在一定程度上与阴 极接触。在一些实施方案中，该方法还包括将细菌引入该室中。在一些实施方案中，该方法还包括将碳源引入该室中。在一些实施方案中， 该碳源是醋酸盐。在一些实施方案中，该液体包含水。在一些实施方 案中，该阴极包含多孔性导电材料。在一些实施方案中，该多孔性导电材料包含石墨颗粒填充床。在一些实施方案中，电压为至少约-200 毫伏。在一些实施方案中，电压为约-200毫伏--1000毫伏。在一些 实施方案中，该方法还包括将电子穿梭化合物加入该反应室。在一些 实施方案中，该方法还包括将含醌的化合物加入该反应室。[0055在本发明的一些实施方案中，该系统是用于减除液体中的高氯 酸盐的系统，该系统包含具有第一孔和第二孔的第一反应室；在第 一室中的阴极，该阴极位于第一孔和第二孔之间；和与阴极并与电压 源通电的阳极。在一些实施方案中，该阴极包含多孔性导电材料。在 一些实施方案中，该阳才及被置于第一反应室中的阴极和第二孔之间。 在一些实施方案中，该第二孔被置于第 一反应室中的阴极和阳极之 间。在一些实施方案中，该系统还包含与第一孔结合的泵，该泵配以 使液体流过系统并通过第二孔流出。在一些实施方案中，该系统还包 含通过阳离子交换膜与第一室连通的第二室。在一些实施方案中，该 阳极被置于第二室中。[0056在减除水中的高氯酸盐和氯酸盐的上下文中阐述了所述实施 方案。然而，本领域技术人员将容易地理解本文公开的材料和方法 将可用于其中期望减除任何其它异生素的许多其它上下文中，或其中 期望减除高氯酸盐和氯酸盐的其它上下文中。[00571本发明的方法满足上述需求，该方法包括不使用附加化学品而 减除高氯酸盐的系统和方法。[0058
图1为显示用于依照本发明的实施方案减除异生素例如高氯酸 盐的系统的简图。上流式反应器具有两个室阳极室和阴极室。两室 通过阳离子交换膜彼此连接。该阴极室在底部包含以石墨颗粒填充床形式的阴极。在石墨床上有砂层。反应室底部附近的入流孔允许受污 染液体向上流过石墨床，经过砂、层，并通过出流孔从该室流出。在备 选的实施方案中，电流方向相反，阴极与阳极(和它们各自的室)互换， 致使流入液流入阳极室。在另一个实施方案中，阴极室(或阳极室)内 的液流可为相对于重力方向的任何方向，例如向下流动。[0059阳极室包含水和阳极。阳极可由任何导电材料例如铁、钼、或 石墨制成。阳极通过电压源(或负载)与石墨床连接。可根据需要将电 压施加至石墨阴极和断路。在一些结构中，还使用银参比电极。00601阴极室或反应室底部附近的入流孔允许液体向上流过石墨床， 经过石少层，并通过出流孔/人该室流出。0061图2为显示依照本发明的另一个实施方案用于减除异生素例如 高氯酸盐的系统的简图。上流式反应器仅具有一室，该室同时包含阳 极和阴极。该室在底部包含以石墨颗粒填充床形式的阴极。在石墨床 上有砂层。该室的顶部附近有阳极。阳极通过电压源(负载)与石墨床 连接。在一些结构中，该阳极是多孔的。可根据需要将电压施加至石 墨阴极和断路。在一些方案中，还使用银参比电极。反应室底部附近 的入流孔允许受污染液体向上流过石墨床，经过砂层，并通过出流孔 从该室流出。出流孔可位于砂层和阳极之间(未出示)或阳极和室末端 之间(如图所示)。在备选的实施方案中，电流方向相反，阴极与阳极 互换，致i"吏流入液首先流入阳^f及。在另一个实施方案中，室内的液流 可为相对于重力方向的任卩可方向，例如向下流动。[00621图1、图2和图8中显示的例示性的系统还可根据需要包括许 多另外的开口。例如，可能期需将室顶部开口以便于室构件的放置或 气体例如N2、 Ar、或He的流入。这样的开口可用水密配件例如异丁 胶塞和铝制钳口盖。使阴极与电压源和阳极连接的电线可穿过这样的 配件。[0063图1和图2显示的例示性系统充分利用重力以将石墨床保持在 原位。当液体向上流时，石墨床上的砂层帮助阻止石墨颗粒从阴极流 走。其它结构是可能的。可根据需要使反应室倒置或以相对于竖直的 任何角度安置。对于其中不能靠重力和砂使石墨床维持在原位(或可能 甚至起反效果)的结构，可进行对系统的修改。在一个实例中，砂层或 者被保持在原位或者由附着于反应室侧面的膜代替。对于其中反应室 相对于图1和图2中的示意图而言倒置的方案，重力辅助液体流动。 图8中显示的系统可类似地结合这些特征中的一个或多个。[0064图3描述使用生物电反应室减少或去除水中的异生素例如高氯 酸盐的方法中的步骤。白色框300、 330、 350表明该方法中的基本步 骤。阴影框310、 320、 340表明该方法中的附加任选步骤。[0065首先提供以图1和图2中所示的为实例的生物电反应室300。 在第二步310中，将电压施加至反应室中的阴极(或阳极)。在一个方 案(arrangement)中，相对于标准化银电极，电压是-500mV。在其它方 案中，电压可为约-200mV至约-1000mV。在另外的其它方案中，电 压值甚至可大于-1000mV。大到足以杀死有益细菌的电压提供实际极 限。 一般而言，对于流速较高的受污染液体使用较大(负值更大)的电 压是有用的。在第三步320中，使异生素(例如高氯酸盐和/或氯酸盐) 所污染的液体流过反应室中的阴极(或阳极)。[0066然后，确定受污染液体中的异生素(例如高氯酸盐和/或氯酸盐) 浓度是否被显著降低(或清除)。如果答案是肯定的，那么异生素减少 是令人满意的，该方法起到有效作用，该方法可以继续。如果答案是 否定的，那么异生素减少是不令人满意的，可增加几个附加步骤至该 方法，其中的任何或全部都可有助于有效减少异生素。[00671在任选的步骤322中，将合适的有机化合物(OC)例如醋酸盐加 入室中，作为用于污染液体中的异生素还原」微生物(XRM)例如异化高氯酸盐还原性细菌(DPRB)细胞的碳源。合适的有机化合物为微生物能
够将其作为碳源用于生长代谢的任何碳化合物。显然，DPRB可利用在BER的阴极产生的电子。另外，在阴极表面通过水的电解产生的H2可能在缺少AQDS而含有改良的菌林VDY的BER中观察到的高氯酸盐的微生物还原中起作用。虽然已知Dec/ foramo"os或^zo^^'ra菌不用H2作为电子供体，但生理学特征揭示菌林VDY可容易地利用H2作为呼吸作用的电子供体。
[0082虽然已经显示菌林VDY利用氢气用于高氯酸盐的还原，但是VDY也可直接从电极表面利用电子或产生电子穿梭化合物以进一步补充其在阴极室中的高氯酸盐代谢。不管从电极表面转移电子的机制如何，在不加入附加的化学品例如AQDS或有机碳源下减除高氯酸盐和氯酸盐的能力，对于降低处理成本以及废水品质和下游的生物淤积是有利的。
[0083虽然已根据其特定实施方案描述了本发明，但本领域技术人员应理解，在不背离本发明的实际精神和范围下，可进行许多改变和可替换同等物。另外，可进行许多修改以使具体情况、材料、物质组成、方法、方法步骤适应本发明的目的、精神和范围。所有这样的修改意欲落入本文所附的权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种用于减除液体中的异生素的系统，所述系统包含具有第一孔和第二孔的第一室；在所述第一室中的第一电极；与所述第一电极并与电压源通电的第二电极，其中所述第一电极是阳极而所述第二电极是阴极或所述第一电极是阴极而所述第二电极是阳极。
2. 权利要求l的系统，其中所述第一室还包含第一液体，所述第 一液体包含第一异生素。
3. 权利要求1的系统，其中所述第一室还包含能够转化所述第一 异生素的微生物。
4. 权利要求1的系统，其中所述第一电极位于所述第一孔和第二 孔之间。
5. 权利要求1的系统，其中所述第二电极被置于所述第一室中的 阴极和第二孔之间。
6. 权利要求1的系统，所述系统还包含驻留在所述第一室中的第 一微生物培养物。
7. 权利要求l的系统，其中所述第一电极包含多孔性导电材料。
8. 权利要求l的系统，所述系统还包含与所述第一孔结合的泵， 所述泵配以使液体流过所述系统并通过第二孔流出。
9. 权利要求1的系统，其中所述电压源提供200- 1,000 mV的电压。
10. 权利要求l的系统，其中所述第一室还包含适合作为碳源的 有机化合物。
11. 权利要求1的系统，其中所述第一室还包含电子穿梭化合物。
12. 权利要求1的系统，其中所述第一室还包含含醌的化合物。
13. 权利要求l的系统，其中所述异生素为高氯酸盐或氯酸盐。
14. 权利要求l的系统，所述系统还包含具有第三孔和第四孔的 第二室，而所述第二电极在第二室中。
15. 权利要求14的系统，其中所述第二室还包含含第二异生素的 第二液体。
16. 权利要求15的系统，其中所述第二室还包含能够转化第二异 生素的第二微生物群。
17. 权利要求14的系统，其中所述第二电极位于第三孔和第四孔 之间。
18. 权利要求14的系统，其中所述第一室与第二室液流连通。
19. 权利要求14的系统，其中所述液流连通由阳离子交换膜来实现。
20. 权利要求14的系统，其中所述第二孔与第三孔液流连通。
21. 权利要求19的系统，其中所述液流连通是液流通过所述第一 孔进入系统；然后流过第一室、第二孔、第三孔、和第二室；随后通 过第四孔从系统流出。
22. 权利要求14的系统，其中所述第二电极包含多孔性导电材料。
23. —种减除液体中的异生素的方法，所述方法包括 提供权利要求1的系统； 将电压施加至所述第一电极； 使液体流入第一室，致使液体与第一电极接触。
24. 权利要求23的方法，所述方法还包括将微生物培养物引入第 一室。
25. 权利要求24的方法，其中所述微生物培养物是纯培养物。
26. 权利要求23的方法，所述方法还包括将碳源引入所述第一室。
27. 权利要求26的方法，其中所述碳源是醋酸盐。
28. 权利要求23的方法，其中所述液体包含水。
29. 权利要求23的方法，其中所述第一电极包含多孔性导电材料。
30. 权利要求29的方法，其中所述多孔性导电材料包含石墨颗粒 填充床。
31. 权利要求23的方法，其中所述电压为至少约-200毫伏。
32. 权利要求23的方法，其中所述电压为约-200毫伏--IOOO毫伏。
33. 权利要求23的方法，所述方法还包括将电子穿梭化合物加入 所述反应室中。
34. 权利要求23的方法，所述方法还包括将含醌化合物加入所述 反应室中。
35. —种减除液体中的异生素的方法，所述方法包括 提供权利要求14的系统； 将电压施加至所述第一电极和第二电极；使第一液体流入所述第一室，致使所述第一液体与第一电极接触；使第二液体流入所述第二室，致使所述第二液体与第二电极接触。
全文摘要
本发明提供用于减除液体中的异生素的系统。该系统包含具有第一孔和第二孔的第一室、在第一室中的第一电极、与第一电极并与电压源通电的第二电极，其中第一电极是阳极而第二电极是阴极或第一电极是阴极而第二电极是阳极。该系统利用电流为能够减除异生素的微生物提供电子受体或电子供体。
文档编号G06G7/48GK101601046SQ200780050487
公开日2009年12月9日 申请日期2007年11月27日 优先权日2006年11月27日
发明者J·C·思拉什, J·D·科茨 申请人:加州大学评议会