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(qǐng)，其母案的申請(qǐng)?zhí)枮?01180014050.X，申請(qǐng)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(shù)領(lǐng)域
[0002] 本申請(qǐng)請(qǐng)求享有2010年1月14日提交的序號(hào)為61/294,841的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)的 優(yōu)先權(quán)的權(quán)益;該申請(qǐng)通過引用將其全部結(jié)合到本文中。
【背景技術(shù)】
[0003] 在常規(guī)廢水處理設(shè)備中，污泥是一級(jí)處理期間從原污水中收集的致密材料與二級(jí) 處理和三級(jí)處理步驟期間快速生長的次生生物質(zhì)的混合物。根據(jù)由美國環(huán)境保護(hù)局(EPA) 制定的法規(guī)，通過任何單個(gè)廢水設(shè)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(dǎo) 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(biāo)準(zhǔn)之后，處理的污泥被認(rèn)作為B類生物固體，且可丟棄在垃圾中，或丟棄 在應(yīng)用于如由清潔水法的40 CFR Part 503限定的限制地點(diǎn)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(jī)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(diǎn)。例如，需 氧方法需要大量能量輸入使反應(yīng)器內(nèi)容物混合和充氣。這些污泥處理方法還導(dǎo)致必須處理 較大體積的次生生物質(zhì)，導(dǎo)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(jìn)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(shí)間，且必須使用若干反應(yīng)器來處理城市中產(chǎn)生的較大 污泥量。結(jié)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(zhì)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(chǔ)存在有機(jī)碳化合物(廢物）中的能 量轉(zhuǎn)變成電力的潛在可能。電子經(jīng)由MFC系統(tǒng)的流動(dòng)導(dǎo)致促進(jìn)一級(jí)污泥減少、減小的二級(jí)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(xì)菌)生成，微生物附接到電極的傳 導(dǎo)表面上且形成電化學(xué)活性生物膜。在陽極處的生物膜內(nèi)的微生物從污泥、廢水或其它液 體輸入中的有機(jī)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(shè)計(jì)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(gòu)成生物質(zhì)。此外，能量遠(yuǎn)離微生物的移動(dòng)還促進(jìn)了微生物的代謝，且增大了一級(jí)污 泥的減少速率。
[0007]現(xiàn)有MFC裝置中的反應(yīng)的完成在物理上分開但電性連結(jié)的隔間中發(fā)生，隔間具有 不同的細(xì)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(xì)菌生長， 且因此相對(duì)于常規(guī)需氧處理系統(tǒng)，減少了生物質(zhì)的產(chǎn)生。此外，與陰極的生物催化氧化還原 反應(yīng)引起了新的水的產(chǎn)生。例如，當(dāng)氧氣為氧化劑時(shí)，例如，在MFC操作期間從陽極隔間穿過 陰極隔間的每四個(gè)電子和兩個(gè)質(zhì)子可產(chǎn)生一個(gè)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(jí)水平）或飲用水和 二氧化碳;2)例如，當(dāng)包括作為氧化劑的氧氣時(shí)，從陰極發(fā)展出新水源；以及3)兩個(gè)隔間中 的生物電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電力。
[0009] 研究已經(jīng)示出結(jié)合作為燃料源的污泥操作的MFC系統(tǒng)能夠在十二小時(shí)的停留時(shí)間 內(nèi)分解40%至80%之間的初始有機(jī)內(nèi)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(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的，使用了容納30 毫升至500毫升的廢水的反應(yīng)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(nèi)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(gè)微生 物燃料電池(MFC)。系統(tǒng)內(nèi)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(gè)或多個(gè)MFC的 陽極可包含生物膜，為了有機(jī)體已使生物膜富集，其破壞特定有機(jī)材料、傳遞電子和/或存 在于厭氧環(huán)境中。一個(gè)或多個(gè)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(nèi)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(shí)施例中，陰極具有大于陽極的表面面積。在另外的實(shí)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(jī)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(qiáng)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(cè)從反應(yīng)器生成的電流;以及(b)當(dāng)觀察到電流減少時(shí)，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(gè)隔間中的生物電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電力。生物質(zhì)產(chǎn) 生和直接發(fā)電的下降減少了總體成本(相對(duì)于保持厭氧消化池或需氧消化池），同時(shí)實(shí)現(xiàn)了 相似的或較好的有機(jī)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(xì)胞外呼吸作用比二氧化碳還原對(duì)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(zhì)。此外，系統(tǒng)提供了相對(duì)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(xì)描述和權(quán)利要求其它特征和優(yōu)點(diǎn)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(zhì)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(zhì)值的處理的流出物的圖像。
[0019] 圖3示出了基于用Sanger技術(shù)的16s rRNA測(cè)序的原污泥樣本的系統(tǒng)發(fā)育多樣性。 選擇了200個(gè)復(fù)制品來用于測(cè)序。該結(jié)果示出了原樣本中的a)主要細(xì)菌門；b)主要的細(xì)菌種 類；以及c)主要的細(xì)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(guān)聯(lián)的生物 質(zhì)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(guān)聯(lián) 的生物質(zhì)的系統(tǒng)發(fā)育多樣性。DNA從與陽極相關(guān)聯(lián)的材料獲取，且使用非特異性引物454測(cè) 序技術(shù)來測(cè)序。用語"其它"表示僅代表〈0.1%的種群蘊(yùn)藏量的細(xì)菌門、細(xì)菌種類和/或細(xì)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(zhì)匹配。
【具體實(shí)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(shí)施例。各個(gè)柱均代表一個(gè) 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(jí)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(shí)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(nèi)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(zhì)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(jí)澄 清流出物或二級(jí)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(zhì)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(shí)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(dòng)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(jī)物質(zhì)。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(nèi)從22000mg/L至6600mg/L);(b)生物需氧量(例如，在5天的停留時(shí) 間內(nèi)從4500mg/L至2250mg/L) ; (c)甲燒生成作用（例如，在10天的周期內(nèi)從1.4ppm至 0.7ppm);以及(d)氣味(例如，在5天的周期內(nèi)H2S從21ppm至llppm)。
[0025]大體上，通過與電極的傳導(dǎo)表面物理上相關(guān)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〃