和/或允許C0 2 (W水狀0)2,碳酸鹽，碳酸氨鹽和碳酸的形式）作為抑 緩沖和質(zhì)子載體來提高。在其它公開的實施方案中，在增加的壓力下運行微生物燃料電池 可提供增加燃料電池內(nèi)使用的緩沖液濃度的能力。在具體公開的實施方案中，所述微生物 燃料電池的壓力范圍從約latm至約lOOOatm，更通常從約latm至約lOOatm，并且甚至更通 常從約latm至約lOatm。
[0095] 本文公開的微生物燃料電池也可在其中使用氧化劑的情況下運行。在具體公開的 實施方案中，所述氧化劑可W是空氣或氧氣。例如，為了增加氧分壓，可在所公開的微生物 燃料電池中使用壓縮空氣從而提高氧濃度。
[0096] 本文公開的微生物燃料電池可在連續(xù)流動模式中運行。在具體公開的實施方案 中，微生物燃料電池可在流加模式下運行，其中當微生物燃料電池中的液體被排出時，生物 膜暴露于空氣中。在空氣的周期性暴露抑制了生物膜中甲燒微生物的生長。
[0097] 在具體公開的實施方案中，所述方法可包括使用1個微生物燃料電池。在其他公 開的實施方案中，所述方法可包括使用2個或更多的微生物燃料電池，所述多個微生物燃 料電池可單獨使用或可在串聯(lián)或并聯(lián)方向連接。當使用2個或更多的微生物燃料電池時， 每個可用于處理基于有機燃料的相同樣品，或每個可用于處理基于有機燃料的不同樣品。
[009引公開的的微生物燃料電池在其從基于有機的燃料中提取能源的能力上表現(xiàn)出高 性能的能力是MFC技術的顯著進步。在具體公開的實施方案中，可W產(chǎn)生的可能最大功率 密度高于厭氧消化中所產(chǎn)生的。在具體公開的實施方案中，如果MFC在更高的電壓下運行 微生物燃料電池的能源效率可顯著增加。例如，如果MFC在約0. 4V下運行，所述能源效率 可增加到約30%，或在約0. 46V下增加約35%。根據(jù)微生物燃料電池的某些實施方案中獲 得的極化曲線（圖6)，在0. 4V下可獲得約2. 13kWnT3的功率密度并且在0. 46V下可獲得 約1.41kWnT3的功率密度，其仍然遠高于厭氧消化的功率密度。
[0099] 除了在可比的能源效率下產(chǎn)生更高的功率，本文公開的微生物燃料電池基于其組 件組合和直接發(fā)電能力較厭氧消化展現(xiàn)了特定的優(yōu)勢。從甲燒生產(chǎn)產(chǎn)生的生物氣中除去 &SW防止燃燒相關副產(chǎn)物是昂貴和能源密集的?？赡苄枰~外的能源從污水中去除C&W 防止溶解的C&逸入大氣中。本文公開的耐氧生物膜允許微生物燃料電池在高陽極氧含量 下運行，該不僅實質(zhì)上消除了 &S和C&的產(chǎn)生，而且多樣化污染物降解途徑，因此使得公開 的微生物燃料電池比厭氧處理更有效地去除污染。
[0100] 在具體公開的實施方案中，所使用的基于有機燃料的類型可W影響微生物燃料電 池產(chǎn)生的能源的量。在具體公開的實施方案中，在某些實施方案中使用廢水，更高的凈能量 可從高強度工業(yè)廢水產(chǎn)生，諸如食品或飲料加工廢水。在具體公開的實施方案中，基于有機 的燃料可W是從中可獲得能源的含有機的物質(zhì)。
[0101] 公開的微生物燃料電池的具體實施方案能夠產(chǎn)生高達約20AnT2的電流密度，該遠 高于大多數(shù)基于生物膜處理的等效電流密度，包括好氧異養(yǎng)生物膜（1.6-2. 8AnT3)和產(chǎn)甲 燒生物膜（0.5-9. 5AnT2)。更高的電流密度說明了微生物電化學技術的競爭優(yōu)勢和巨大潛 力，尤其是公開的微生物燃料電池。較高的電流密度表明污水處理更高的COD去除率。僅 僅通過舉例的方式，大約16. 4Am-2(l〇.9KAnT3)的電流密度可轉(zhuǎn)化率為78.化gCOD m-3cr的被轉(zhuǎn)化為電流，或假設CE83. 5%時COD去除率總共為93. 5KgCODm-3cr，其比厭氧 消化（25KgCODm-化1)高了近3倍，其說明了公開的MFC對污染物去除的高效率。
[0102] 對MFC技術在廢水處理中商業(yè)應用的主要挑戰(zhàn)是高資本成本，尤其是陽極，陰極 和隔膜的材料成本。然而，如本文公開的低成本，高性能的陰極，陽極和隔膜組件為微生物 燃料電池提供類似的（如果沒有更好的）輸出。
[0103] V.工作實施方案
[0104] 大型CEA-MFC的設計和施工；具有雙CEA的單室空氣-陰極MFC通過在碳布陽極 (CCP，fuelcellearth.com)和碳布/Pt/PT陽陰極（20%的Pt/C催化劑；E-T邸公司，美國） 之間放置放置非織物層（ArmoStyle#6000)而被建造W形成CEA。U型鐵絲被用作兩個CEA 內(nèi)的陽極和陰極集電器。所述兩個CEAS(CFA1和CEA2)被放置在S個相同的0. 6cm厚的丙 締酸框（具有5cmX20cm開口）之間W形成五層夾層結構（具有CEA1在最初反應器頂部 和CEA2在最初反應器底部）。S個1cm與1cm的交叉穿過陽極和CEA1布層，沿長軸分布均 勻W釋放陽極和陰極之間可能產(chǎn)生的產(chǎn)生生物氣?；蛘?，CEA2(S孔（40. 3cm))穿通兩層 W泄出生物氣。反應器具有30ml液體容量和總共200cm2的有效表面面積。圖2和3說明 了雙CEA-MFC的裝配示意圖。
[010引 CEA-MFC運行；給MFC接種來自空氣陰極MFC的陽極的混合細菌培養(yǎng)物，所述空氣 陰極MFC的陽極最初接種來自Corvallis污水處理廠（Corvallis,OR)的生活污水并且使 用醋酸鹽運行超過3年。除非另有規(guī)定，己酸己醋（lOOmM)被用作底物，并且介質(zhì)溶液含有W下（每升）；畑典1，1. 5g;KC1，0. 13g;化&?04 巧20,5. 84g;化2冊04.7&0,15. 5g;和礦物質(zhì) (12. 5ml)W及維生素（12. 5ml)，通過Lovley等人公開的溶液（通過Lovley等人公開的礦 物質(zhì)溶液可包括Na2Mo04,NiCls?6&0,及它們的組合，并且維生素溶液可W包括維生素B)。 MFC實驗在溫度為32 ±rC的溫度控制室內(nèi)進行。
[0106] 雙CEA-MFC(最初具有CEA-1在頂部和CEA-2在底部）的傾斜角度為5°。批處 理模式最初被采用并且當功率輸出開始顯著增加2天后系統(tǒng)被切換到連續(xù)流動模式。然后 給CEA-MFCsW0. 4mlmirTi的流速連續(xù)輸送污水并通過蠕動累保持，相應的水力停留時間 (HRT)為1. 2小時。2000ml蓄水池內(nèi)的介質(zhì)溶液在從反應器的下端被送入到MFC之前被高 壓蒸汽處理。一部分流出物用另一個蠕動累W20mlmirTi的流速再循環(huán)回流入物W取得更 均勻分布的介質(zhì)溶液。再循環(huán)管線內(nèi)包括50ml的蓄水池W收集在MFC中可能產(chǎn)生的氣體。
[0107] 當電壓輸出穩(wěn)定大約一個星期W內(nèi)，MFC被認為是啟動階段。一旦啟動完成，研究 水壓的影響（從第2到第4周），HRT(從第5周到第6周），和再循環(huán)（第6周）。通過螺絲 刀裝置精細調(diào)節(jié)硅膠管出口的水位W控制水壓。出水水位按W下順序從-4cm調(diào)節(jié)至+4cm: 0畑1、+1畑1、-1畑1、+2畑1、-4畑1、+4畑1、-2畑1、0畑1，在反應器快速翻動之前研究〔64的頂部和〔6八 的底部之間的差異。通過改變流速（從0. 15到1. 3mlmin-i)來調(diào)節(jié)不同的HRT(0. 37-3. 4 小時），實際流速基于日常介質(zhì)消耗來計算。再循環(huán)對MFC性能的影響通過添加或去除50ml 的再循環(huán)蓄水池進行研究。從第走周開始，研究磯酸鹽緩沖液濃度化〇5M，0. 1M和0. 2M) 對MFC性能的影響。也改變流速和醋酸鹽濃度W研究自制碳酸氨鹽對MFC性能的影響。在 分析過程中將再循環(huán)蓄水池去除。
[0108] 分析；MFC的兩個CEAs分別連接到具有分辨率和0. 1Q最小電阻化02N，General Radio)的精密十進位電阻箱上。使用多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（2700,Keithly，美國）記錄電 壓（V)，并且基于液體反應器容積（30ml)用其計算體積功率密度W及基于電極投影表面面 積（每個CEA100cm2和每個反應器200cm2)的表面功率密度。在電流（I)計算中考慮了接 觸電阻和導線電阻（約0.06Q)，并且其通過測量電阻箱端子上的和集電器（鐵絲）端子上 的電壓來計算。為了制備極化曲線，MFC首先在1化〇穩(wěn)定約30分鐘。然后兩個CEA的外 電阻W典型的順序同時降低；100、50、20、10、5、3、2. 4、2、1. 6、1. 4、1. 2和1. 0QW使電壓降 低至約0.2V。在各個電阻下，MFC運行大約20分鐘W確保達到穩(wěn)定的輸出功率。大約需要 運行4小時才能完成極化曲線。每個CEA的內(nèi)電阻巧是從I-V極化曲線的線性部分計 算。與其它研究相比較，也通過內(nèi)部阻力（Q)乘化圍過投影電極面積（cm2)計算面電阻率 (Qcm2)。
[0109] 流入物和流出物的醋酸鹽濃度都用配備RID檢測器和AminexHPX-87H柱 (Bio-Rad實驗室，Hercules,加州）的Agilent1000系列高效液相色譜儀（Agilent Technologies,圣克拉拉，加州）進行分析。5mM/l的H2SO4溶液W0.6血min-i的流速用作 運行緩沖液。攝入醋酸鹽樣品前1小時，基于平均電流比計算庫侖效率（CE)，并且基于醋酸 鹽去除量計算理論電流。當顯著地產(chǎn)生生物氣時，表明通過氣體積聚在再循環(huán)蓄水池，使用 注射器從位于反應器出口的氣體采樣口取出100ml的氣體。立即將氣體樣品注入氣相色譜 儀（Agilent6890 ;J&WScientific,美國）對氣體成分進行分析。所述GC配備有熱導檢 測器和柱（113-3133M，CARB0NPLT，30mX0.32mmX3ym，J&WScientific,美國），用氣氣 作為載氣。
[0110] 啟動階段結果：幾種策略已初步應用，W確保啟動階段包括介質(zhì)溶液的高壓滅菌 W除去氧氣，更短HRT(4分鐘）W確保反應器中的低氧水平，并且使用2層J-織物W減少 氧擴散。然而，在公開的微生物燃料電池具體實施方案的啟動階段更加簡單和更加快速，諸 如大型CEA-MFC，盡管單層非織物層（約0. 3mm)薄更多并且HRT( > 75分鐘）更長。如圖 1所示，在不到5天內(nèi)MFC產(chǎn)生1. 8kWnT3的穩(wěn)定的高功率密度。該個功率密度遠高于更小 的CEAMFCs(分別包含lOOmM磯酸鹽緩沖液和200mM的碳酸氨鹽緩沖液）產(chǎn)生的1.OlkW m-3和 1. 55kWm-3。
[0111] 在具有更薄隔膜的大型雙CEA-MFC中出人意料的更快和更容易的啟動階段，表明 陽極生物膜能夠耐受高濃度的溶解氧。為了研究在陽極上產(chǎn)電菌群的耐氧性，W速度20ml mirTi通過再循環(huán)管直接將氧氣注入兩陽極之間的MFC室中超過一天。在將空氣注入MFC 后功率密度從~1700WM^3下降至~1400到1600WM^3并且在空氣累停止（圖7) -天后恢 復。發(fā)電的波動可能由于空氣流（20mlmirTi)比液體流化4mlmirTi)快很多，該可能影響 陽極基質(zhì)的可用性，尤其是反應器頂部的陽極。結果證實混合細菌培養(yǎng)可W忍耐水中更高 濃度的氧氣并且甚至直接接觸空氣。該可能是由于耐氧產(chǎn)電菌群在高氧濃度下不斷進化很 多年。在雙CEAMFC內(nèi)的高氧濃度可幫助抑制甲燒生成、硫酸鹽還原和水生成，因此在運行 的63天期間內(nèi)沒有檢測到C&或H2產(chǎn)生并且C0 2是唯一產(chǎn)生的生物氣。
[0112] 功率密度結果；CEA1的功率密度在1. 3化的HRT(圖1)達到最高4. 30Wm-2(16. 4A nT2)，該是WJ-織物作為隔膜的小型MFC內(nèi)產(chǎn)生（1. 8WnT2)的2倍W上。雙CEA-MFC的高 性能對MFC技術的潛在應用很重要?？赡艿淖畲蠊β拭芏然?7kWM氣高于可在基于25kg CODm-化1的轉(zhuǎn)換率和整體30%的能源效率的厭氧消化、商業(yè)化污水處理過程中產(chǎn)生的功 率（1.IkWM-3)的 2 倍W上。
[0113] HRT在0.7-2. 4小時范圍內(nèi)功率密度超過4WM^，但是超出該個范圍，功率密度明 顯降低（圖7和8)。高電流密度有助于高CE，其在測試HRT下在74-98%范圍內(nèi)（圖8)。 再循環(huán)蓄水池的去除率將CE從74%增加至80%，雖然功率密度略微降低了 4%。盡管CE 進一步增加到85%，再循環(huán)的完全除去顯著地降低21 %的功率密度。該些結果表明再循環(huán) 可能是提高基質(zhì)質(zhì)量輸運到電極的一個因素。另一方面，氧擴散和其它非電流產(chǎn)生的過程 也可能會受到再循環(huán)的影響，導致在一個稍低的CE。如預期（圖9)增加的HRT導致增加 醋酸鹽的消耗。增加的HRT也導致更高的流出物抑值，該表明更長的HRT下釋放更高的 0)2 (圖9)。沒有再循環(huán)會輕微地降低流出物的PH值和醋酸去除，該可能是由于功率密度 和電流密度的減少（圖8和9)。
[0114] 庫侖效率和能源效率結果；在測試條件下MFC的庫侖效率在74-98%的范圍之內(nèi)， 該遠高于一些其它的MFC(表2)?；?5%的電壓效率和83. 5%的CE，MFC在最大功率下 的能源效率僅為21%，該低于厭氧消化（28-30%)。然而如果MFC已在在更高的電壓下運 行，能源效率可顯著增加。例如，如果MFC已在0. 4V下運行，能源效率可提高到比得上30% 的，或在0. 46V下35%。根據(jù)極化曲線（圖6)，在0. 4V下的功率密度2. 13kWM-3和在0. 46V 下1. 41kWM-3仍然遠高于厭氧消化。
[0115] 更薄隔膜和降低電極間距的副作用增強了氧氣交叉，其可導致耗氧異養(yǎng)菌的生 長。如MFC快速啟動階段（圖1)和高耐氧陽極生物膜（圖7)所示，盡管產(chǎn)電菌群仍能勝 過與其它異養(yǎng)菌，但是更高的氧氣交叉可導致CE的下降。然而，在本文公開的實施方案中 獲得的高CE巧3. 5± 10. 6% )另有說明。不限于特定的操作理論，目前認為使用本文公開的 實施方案觀察