[发明专利]模块化生物电化学系统和方法

说明书

关于联邦资助研究的声明

本发明是在海军研究局授予的基金号N00014-10-M-0232的政府资助下完成的。政府对本发明拥有某些权利。

相关申请的交叉参考

本申请要求于2011年9月15日提交的题为“模块化生物电化学系统和方法(Modular Bioelectrochemical System and Method)”美国临时专利申请No.61/535,006,以及于2012年2月24日提交的题为“生物电化学脱盐方法和装置(Bioelectrochemical Desalination Processes And Devices)”的美国临时专利申请No.61/603,005的优先权。上述各申请的全部内容通过引用纳入本文。

领域

本发明总体涉及装置，所述装置用于使用螺旋卷绕的生物电化学系统(BES)或微生物燃料电池(MFC)来产生电或产生有附加值的化学物质。具体来说，本发明提供具有框板式结构、同心卷绕或类似构造的BES反应器，以用于同时氧化可生物降解的材料、产生能量、产生化学物质和/或脱盐。本发明还提供用于液体的微生物电容脱盐的方法和装置，其使用微生物充电的电容器来除去带电的有机和/或无机水性材料。

背景

全世界对环境污染、能源消耗和气候变化的关注，迫使环境工程师把他们的职责从清理污染扩展到能源和环境系统的可持续发展。新兴的方向之一是把废水处理设施从简单的处理工艺转化成集成的能源和有价值产物的回收系统。因为曝气、污泥处理和膜操作所需的电力，现有的废水处理方法和基于膜的脱盐技术是能源密集的。例如，据估计美国每年使用约57太瓦小时的电力来进行废水处理，占全国发电总量的1.5％(相当于5.4百万家庭的年用电量)。废水处理的一种可持续方法考虑回收有机物质中的能源含量，同时取得处理目标，因为据估计废水中所含的能源含量是美国用于废水处理设施的能源的约2-4倍。这意味着能使废水足以自我处理。

此外，改善全世界中许多地方的供水和质量，有助于减轻发达国家和发展中国家面临的许多问题。联合国估计因为全球每年人口约增长8千万人，所以每年需要额外增加640亿立方米淡水。缺水将导致2400万到7亿的人流离失所，导致更大的国家不安全以及世界冲突。水不够卫生或供水不足已经与许多疾病如疟疾、霍乱和伤寒连接在一起。世界财富组织估计，随着供水、卫生和清洁的改善，可防止4％-75％的全球腹泻疾病负担。显然，增加淡水的制备，将显著地改善人类。增加供水的问题是需要能源来产生所有的水，且需要水来产生所有的能源。这种称为水能源关系的现象，到目前为止阻止了生产能源或水的可持续的方法。这种水能源关系的清晰指示之一是，在美国用于冷却发电厂的水和用于农业的水的量相当。

目前，对海水脱盐可用的两种方法是电渗析(ED)或反渗透(RO)。但是，因为需要大量的外部能源，这些技术是不可持续的。2008年，开发了可对水进行脱盐却不用任何外部能源的微生物脱盐燃料电池(MDC)，取得了显著进步。MDC技术使用微生物组织来氧化底物(可能为城市废水)，来产生脱盐所需的能源。MDC技术的主要问题是来自脱盐的离子会在阳极室和阴极室中浓缩。离子在阳极室和阴极室中的浓缩，阻止MDC成为用于脱盐的可持续的方法。如果使用废水作为底物，总溶解固体(TDS)的增加，使得不能再利用处理的废水。

对于废水而言，通过生物电化学系统(BES)从废弃材料直接产生能源提供了经济和环境益处，因为产生的能源抵销了与处理和再利用过程相关的能耗。BES可使用微生物组织来催化阳极室中有机和无机电子供体的氧化，并把电子传输到阳极。电子可被直接捕获，从而在装置如微生物燃料电池(MFC)中产生电力。在其它示例中，可在装置如微生物电极电池(MEC)中，通过外部功率输入的补偿，电池可用于制备氢气、甲烷或有附加值的化学物质。电子还可用于在阳极室中修复污染物如铀、氯化溶剂和高氯酸。在其它示例中，电极间的电势还可通过MDC来驱动脱盐。

与通常提供一种污染物控制方法的传统环境技术相比，生物电化学系统同时提供用于废物处理、污染物修复、能源和水回收的氧化和还原方法。理论上，BES可在阳极侧氧化任何可生物降解的底物并把电子提取至阳极。除了简单的糖和衍生物，已利用了许多复合废弃材料如废水排出物、生物质、垃圾渗滤液和石油烃。在阴极侧，可潜在的使用从阴极提供的电子还原任意电子受体类型的污染物。这种污染物包括氯化溶剂、高氯酸、铬、铀等。