模塊化能量回收水處理裝置的制造方法
【專利說明】
[00011本發(fā)明為分案申請，其母案的申請?zhí)枮?01180014050.X，申請日為2011年1月14日 且發(fā)明名稱為"模塊化能量回收水處理裝置"。
技術領域
[0002] 本申請請求享有2010年1月14日提交的序號為61/294,841的美國臨時專利申請的 優(yōu)先權的權益;該申請通過引用將其全部結合到本文中。
【背景技術】
[0003] 在常規(guī)廢水處理設備中，污泥是一級處理期間從原污水中收集的致密材料與二級 處理和三級處理步驟期間快速生長的次生生物質的混合物。根據(jù)由美國環(huán)境保護局(EPA) 制定的法規(guī)，通過任何單個廢水設備產(chǎn)生的污泥必須經(jīng)過一種處理策略，該處理策略將導 致總揮發(fā)性懸浮固體(VSS)的38%的減少和小于2 X 106群體形成單位的糞便大腸菌的最終 濃度。在滿足這些標準之后，處理的污泥被認作為B類生物固體，且可丟棄在垃圾中，或丟棄 在應用于如由清潔水法的40 CFR Part 503限定的限制地點的土地中。
[0004] 污泥處理策略通常利用微生物體的活性來從廢水流中除去有機污染物。策略包括 用于廢水和污泥處理的需氧方法和厭氧方法。然而，此種常規(guī)策略遭受許多缺點。例如，需 氧方法需要大量能量輸入使反應器內容物混合和充氣。這些污泥處理方法還導致必須處理 較大體積的次生生物質，導致了用于處理和用于清理的額外能量成本。
[0005] 例如，厭氧污泥消化過程使得能夠通過甲烷生成作用和共同生成來進行有限量的 能量回收。然而，通過此種過程的能量產(chǎn)生是低效的，且通常必須焚燒作為廢氣的過多甲 烷。厭氧消化池還需要很長的停留時間，且必須使用若干反應器來處理城市中產(chǎn)生的較大 污泥量。結果，此種消化池需要比它們能夠產(chǎn)生的高得多的水平的能量，以及用于操作的較 大土地面積。厭氧污泥消化還產(chǎn)生大量次生生物質和頑固固體廢物產(chǎn)品，需要附加處理成 本和清理成本。
[0006 ]微生物燃料電池(MFC)提供了使用微生物來將儲存在有機碳化合物(廢物）中的能 量轉變成電力的潛在可能。電子經(jīng)由MFC系統(tǒng)的流動導致促進一級污泥減少、減小的二級污 泥的量和直接發(fā)電。MFC的催化活性通過微生物(通常是細菌)生成，微生物附接到電極的傳 導表面上且形成電化學活性生物膜。在陽極處的生物膜內的微生物從污泥、廢水或其它液 體輸入中的有機成分以酶的方式獲取電子，且將電子傳遞至電極。微生物必須執(zhí)行至電極 表面的電子傳遞來保持生物功能，換言之，微生物〃呼吸〃使電極表面得以存活。由于MFC系 統(tǒng)設計成用以通過電流生成來將電能立即移離微生物，故微生物不能使用能量來用于生長 和用于構成生物質。此外，能量遠離微生物的移動還促進了微生物的代謝，且增大了一級污 泥的減少速率。
[0007]現(xiàn)有MFC裝置中的反應的完成在物理上分開但電性連結的隔間中發(fā)生，隔間具有 不同的細菌生物膜。在氧氣或其它氧化劑如亞硝酸鹽、硫酸鹽或重金屬的減少期間，陰極用 作能量源。陰極浸沒在液體中，且因此通過穿過回路輸送的能源來限制陰極上的細菌生長， 且因此相對于常規(guī)需氧處理系統(tǒng)，減少了生物質的產(chǎn)生。此外，與陰極的生物催化氧化還原 反應引起了新的水的產(chǎn)生。例如，當氧氣為氧化劑時，例如，在MFC操作期間從陽極隔間穿過 陰極隔間的每四個電子和兩個質子可產(chǎn)生一個新的水分子。水的產(chǎn)生是生物催化的，且可 基于怎樣操作MFC系統(tǒng)來優(yōu)化水的產(chǎn)生。
[0008] MFC系統(tǒng)的產(chǎn)物包括：1)來自于陽極的處理的非飲用水(至二級水平）或飲用水和 二氧化碳;2)例如，當包括作為氧化劑的氧氣時，從陰極發(fā)展出新水源；以及3)兩個隔間中 的生物電化學反應產(chǎn)生的電力。
[0009] 研究已經(jīng)示出結合作為燃料源的污泥操作的MFC系統(tǒng)能夠在十二小時的停留時間 內分解40%至80%之間的初始有機內容物（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，該工作是在實驗室中進行的，使用了容納30 毫升至500毫升的廢水的反應器。
[0010] 需要可在工業(yè)規(guī)模上有效地處理廢水的基于MFC的系統(tǒng)。

【發(fā)明內容】

[0011] 本文的特征在于模塊系統(tǒng)，該模塊系統(tǒng)包括用于處理較大體積的廢水的多個微生 物燃料電池(MFC)。系統(tǒng)內的MFC可串接地或并聯(lián)地布置，且可優(yōu)化特定的MFC來用于特定的 目的（例如，用以分解流入物的特定成分、用以容納特定的體積等）。例如，一個或多個MFC的 陽極可包含生物膜，為了有機體已使生物膜富集，其破壞特定有機材料、傳遞電子和/或存 在于厭氧環(huán)境中。一個或多個MFC的陰極可包含生物膜，生物膜已富集而存在于需氧環(huán)境中 和/或減少氧化劑。
[0012] MFC的陽極可定位在陰極的內部，以便允許厭氧環(huán)境存在于陽極隔間中，而需氧環(huán) 境存在于陰極隔間中。在某些實施例中，陰極具有大于陽極的表面面積。在另外的實施例 中，陽極與陰極之間的距離小于大約2cm。
[0013] 另外的特征在于制造生物膜的方法，生物膜為了特定有機體而富集。某些方法僅 使用廢水源，且不需要添加有選擇的碳源。
[0014] 另外的特征在于用于加強包含MFC的系統(tǒng)中的廢水的處理的方法，該方法包括以 下步驟：（a)監(jiān)測從反應器生成的電流;以及(b)當觀察到電流減少時，將新鮮流入物添加到 系統(tǒng)中。
[0015] 本文所述的系統(tǒng)產(chǎn)生來自于陽極的處理的非飲用水（即，部分純化的）或飲用水和 二氧化碳;來自于陰極的新的水；以及兩個隔間中的生物電化學反應產(chǎn)生的電力。生物質產(chǎn) 生和直接發(fā)電的下降減少了總體成本(相對于保持厭氧消化池或需氧消化池），同時實現(xiàn)了 相似的或較好的有機氧化速率和有效能量回收。系統(tǒng)還通過將能量移離微生物作為電力且 限定細胞外呼吸作用比二氧化碳還原對于甲烷在能量上更有利的環(huán)境，減少了廢氣甲烷 (重要的溫室氣體）的產(chǎn)生。例如，由系統(tǒng)產(chǎn)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產(chǎn)生生物燃料的生物質。此外，系統(tǒng)提供了相對于處理的廢水和 消耗的能量的多樣性。例如，可優(yōu)化系統(tǒng)來用于在低峰值需求(例如，天- 1)下減少污 泥和在高峰值需求(例如，lkw/m3)下產(chǎn)生電力。
[0016] 通過以下詳細描述和權利要求其它特征和優(yōu)點將變得明顯。
【附圖說明】
[0017] 圖1示出了示例性模塊化廢水處理系統(tǒng)。
[0018] 圖2為a)具有如表1中的第一列所列出的水質值的初始污泥樣本；以及b)具有如表 1中的第二列列出的水質值的處理的流出物的圖像。
[0019] 圖3示出了基于用Sanger技術的16s rRNA測序的原污泥樣本的系統(tǒng)發(fā)育多樣性。 選擇了200個復制品來用于測序。該結果示出了原樣本中的a)主要細菌門；b)主要的細菌種 類；以及c)主要的細菌屬。
[0020] 圖4示出了用于MFC第1柱的a)門，b)種類和c)屬的與陽極石墨粒子相關聯(lián)的生物 質的系統(tǒng)發(fā)育多樣性；以及用于MFC第3柱的a)門，b)種類和c)屬的與陽極石墨粒子相關聯(lián) 的生物質的系統(tǒng)發(fā)育多樣性。DNA從與陽極相關聯(lián)的材料獲取，且使用非特異性引物454測 序技術來測序。用語"其它"表示僅代表〈0.1%的種群蘊藏量的細菌門、細菌種類和/或細菌 屬。用語〃未知的〃表示使用APIS分析軟件的模糊或重疊的蛋白質匹配。
【具體實施方式】
[0021] 圖1中描繪出了本文描述的模塊化MFC系統(tǒng)的示例性實施例。各個柱均代表一個 MFC模塊，且所有柱都可并聯(lián)地操作來用于污泥分解。
[0022] 一級污泥經(jīng)由MFC的頂部處的污泥流入器件流入，且經(jīng)由柱的底部處的處理的流 出器件離開。在某些實施例中，流入器件和流出器件的功能能夠顛倒來除去和/或防止堵 塞。柱包含內部陽極和外部陰極。陽極包括用鈦篩網(wǎng)框住的石墨粒子。陰極為填充有石墨粒 子的雙層的鈦篩網(wǎng)。使用陽極與陰極之間的最小間距l(xiāng)cm)來便于最佳物質傳遞。陽極的 外層被包在尼龍篩網(wǎng)中（大約30μπι的孔徑）。系統(tǒng)浸沒入水或另一液體流出物(例如，一級澄 清流出物或二級澄清流出物）中來最大限度地減小陰極表面處的次生生物質的生長。
[0023]待處理的流入物可來自于任何來源，例如，包括在MFC中處理的任何基于水的混合 物來產(chǎn)生飲用水、可再利用的廢水和其它形式的接近可飲用的水。流入物的實例包括污泥； 廢水;溢出物;工業(yè)廢水，如造紙或磨削的副產(chǎn)物;食品工業(yè)的廢水，如啤酒廠的廢水;農(nóng)業(yè) 廢水;住宅廢水;城市廢水;動物廢水或農(nóng)業(yè)廢水;污水;來自于水體的水(a water from a body of water);以及厭氧消化池的流出物。
[0024] 〃處理〃表示破壞廢水中的有機物質。有效的處理可表示為以下的減少:a)總懸浮 固體(例如，在10天周期內從22000mg/L至6600mg/L);(b)生物需氧量(例如，在5天的停留時 間內從4500mg/L至2250mg/L) ; (c)甲燒生成作用（例如，在10天的周期內從1.4ppm至 0.7ppm);以及(d)氣味(例如，在5天的周期內H2S從21ppm至llppm)。
[0025]大體上，通過與電極的傳導表面物理上相關聯(lián)的微生物群體來生成MFC的催化活 性。如果微生物群體的至少一部分在電極表面上生長而作為生物膜，則微生物群體與電極〃