一种用于废水处理的使用废水和活性污泥的生物燃料电池制造技术

本发明专利技术提供一种使用废水作燃料的生物燃料电池。本发明专利技术使用废水和活性污泥中的电化学活性微生物氧化废水中所含的有机物。氧化所产生的电子流出微生物的细胞外，并直接转移到电极上，从而可以同时产生电流和纯化废水。根据本发明专利技术，使用电化学活性微生物的生物燃料电池可以产生高达０．２２ｍＡ的电流，并使作为燃料的废水的化学需氧量从１９００ｐｐｍ降低到５５ｐｐｍ。此外，生物燃料电池的效率随废水的种类和浓度而变化。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及使用废水作为燃料的生物燃料电池。更具体地说，本专利技术涉及使用废水中所含有机物作为燃料的生物燃料电池，该生物燃料电池能够处理含有机物的废水同时能产生电。按照本专利技术的生物燃料电池能使从废水中所含有机物通过微生物分解代谢而产生的还原能力直接转化为电能。更具体地，Roller等建议在生物燃料电池中使用普通变形杆菌属，埃希氏杆菌属coli，Atcaligenes eutrophus，定氮菌类chroococum，或芽胞杆菌属subtilis等作催化剂，并用劳思氏紫、亚甲蓝、亮甲酚蓝、苄基紫精等作电子转移介质(参见，Roller et a1.，1984，Journal of chemical Technologyand Biotechnology 34B3-12)。按照Roller等的建议，当生物燃料电池的效率按氧消耗量来比较时，会随细菌的种类和电子转移介质的种类的不同而显著地变化。此外，Bennetto等报道了一种使用糖作燃料，使用变形杆菌属的细菌作催化剂，劳思氏紫作电子转移介质的燃料电池。该燃料电池据报导可以产生高达44库仑的电量(参见，Bennetto，et al.，1985，BiotechnologyLetters，7699-704)。另外Robin等也披露了一种使用普通变形杆菌属作生物催化剂，2-羟基-1，4-萘醌(HNQ)作为电子转移介质，葡萄糖作燃料的燃料电池。按照Robin等的生物燃料电池具有0.5毫安和0.7伏特的电动力(参见，Robin，et al.，1993，Applied Biochemistry and Biotechnology39/4027-40)。此外，Habermann和Pommer报道了一种燃料电池，使用钴氧化物或钼/钒合金等作电极，通过废水中所含还原硫酸盐细菌所产生的硫化氢作燃料，能产生150毫安/平方厘米的电流(参见，Habermann andPommer，1991，Applied Microbiology and Biotechnology 33128-133)。近来，有多种厌氧细菌使用铁离子，四价锰，六价铀或六价钼等用作电子受体。可以用作还原金属盐细菌底物的物质包括脂肪族化合物如乳酸，丙酮酸，乙酸，丙酸，戊酸和醇等，和芳香族化合物如甲苯，苯酚，甲酚，苯甲酸，苄醇和苯甲醛等(参见，Lovley and Klug，1990，Appliedand Environmental Microbiology 5561858-1864)。厌氧细菌根据它们能量新陈代谢的性质可划分为发酵性细菌和呼吸性细菌。发酵性细菌可以把糖和蛋白质等分解成有机酸，而呼吸性细菌通过合适的电子受体的还原把发酵性产物完全氧化。可用于厌氧呼吸性细菌氧化有机物过程中的电子受体包括二价铁氧化物，硝酸盐，二氧化锰，硫酸盐，碳酸盐等。在这些电子受体中，已知二价铁氧化物通过特定电子给体的氧化所产生的还原能力可以得到最大的能量，能量水平按照硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐顺序降低(参见，Byoung-Hong，Kim，Microorganism Physiology，AcademyPress Co.，Ltd.，Seoul，Korea，1995)。已知，当还原铁细菌在厌氧条件下培养，由于作为电子受体的铁化合物在水中较低的溶解度，大约有65％的细胞色素排列在外细胞膜上。通过这样细胞色素的排列，细胞内有机物氧化后产生的还原能力转移到细胞外，可以还原细胞外的铁离子(参见，Mayers and Mayers，Joumal ofBacteriology 1743429-3478，1972)。此外据报导，Schewanella putrefaciensIR-1，一种还原铁细菌，在提供乳酸或氢之后，无需电子转移介质作电子给体就能产生电(参见，Park et al.，1996，Abstract，I&EC Special Symp.，Sept.，16-19)。同时，由于引入废水处理厂的废水中所含铁的浓度较高，且铁氢氧化物可用作脱磷试剂，因此废水处理厂中的铁具有相对高的浓度(参见，Ledeckee et al.，1989，Water Science and Technology 21325-337)。因此，据报道在废水处理装置中绝大多数活性污泥中含有还原铁的细菌(参见，Nielson et al.，1996，Water Science and Technology 34129-136)。还有报道称，在活性污泥的厌氧储存条件下，铁离子被活性污泥所含的微生物还原，并且还原铁细菌的含量很显著(参见，Rasmussen et al.，1994，WaterResearch 28417-425)。基于以上表述的事实，活性污泥和废水所含的多种微生物在阳极区域厌氧培养时，只有在电极电势与培养液中其它组分的电势不同的条件下，使用电极作为电子受体的微生物才可以最终存活。因此，采用该方法，废水或活性污泥所含多种微生物中的具有电化学活性的细菌可以选择性富集培养，多种废水中固有的具有相对电化学活性的微生物可以分离。本专利技术的另一目的是提供一种通过使用废水和污泥中有电化学活性的微生物而对废水进行处理并产生电的方法。根据本专利技术，上述各目的可以通过生物燃料电池实现，在该生物燃料电池内部包括分别含有导电介质的阴极隔室和阳极隔室；安置在阳极隔室中的阳极；安置在阴极隔室中的阴极；以及介于阴极隔室和阳极隔室之间用于分隔阳极隔室和阴极隔室的离子交换膜，其中的阳极隔室中含有废水和污泥。如上所述，按照本专利技术的生物燃料电池，在废水和活性污泥所含微生物之中，具有电化学活性的物种在使用有一定电势的电极作电子受体的条件下可以生长，从而富集培养。因此，按照本专利技术的生物燃料电池通过使用富集培养的微生物为催化剂，以废水中的有机物为燃料进行操作。按照以上所述的厌氧条件，在废水和活性污泥所含微生物之中，只有能使用电极作电子受体的微生物可以最终存活。因此，具有电化学活性的细菌可以选择性富集培养。富集培养的微生物物种可用作生物燃料电池的微生物催化剂，从而使得废水中的多种有机物分解代谢。有机物的分解代谢产生的还原能力用于与电极反应，从而产生电能。此外，由于废水中的有机物被富集培养的微生物分解代谢，所以废水中的有机物的浓度降低，从而达到废水处理的效果。优选在本专利技术的阳极隔室14中使用淀粉废水和厌氧污泥，同时在阴极隔室12中使用淀粉废水和需氧污泥。当阳极隔室14维持在厌氧条件时，使用废水中的有机物为燃料，富集培养的具有电化学活性的细菌产生电。阳极隔室14产生的阳离子通过分隔阴极隔室12和阳极隔室14的离子交换膜26。通过阳离子交换膜26之后，阳离子进入用氧饱和的阴极隔室12，并在阴极隔室12中转化成水，从而连续地产生电。同时，阴极隔室中的废水所含有机物被需氧微生物分解代谢，所以废水的化学需氧量下降。因此可以在阴极隔室12和阳极隔室14中同时处理废水。下面的实施例用于近一步说明的目的，而不是对本专利技术的范围进行限定。实施例1本实施例中，在本专利技术的生物燃料电池中的废水所含微生物中，选择以铁作电子受体的微生物测定它们群落数目的变化。在此测定中，使用磷酸盐缓冲溶液介质(PBBM)作为介质。介质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物燃料电池，其包括位于生物燃料电池内部的分别含导电介质的阴极隔室和阳极隔室；安置在阳极隔室中的阳极；安置在阴极隔室中的阴极；和介于阴极隔室和阳极隔室之间用于分隔阳极隔室和阴极隔室的离子交换膜，其中的阳极隔室含有废水和活性污泥并在生物燃料电池的操作过程中维持厌氧条件。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：金炳弘，長仁燮，玄文，金亨周，朴亨洙，
申请(专利权)人：韩国科学技术研究院，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]