微生物燃料電池的專利技術(shù)綜述

楊婷

（國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣東廣州510530）

微生物燃料電池的專利技術(shù)綜述

楊婷

（國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣東廣州510530）

檢索了微生物燃料電池在中國的發(fā)明專利文獻(xiàn)，綜述了微生物燃料電池在廢水處理中的應(yīng)用及與現(xiàn)有技術(shù)中其他水處理技術(shù)耦合的專利進(jìn)展，并對(duì)其實(shí)際應(yīng)用的前景進(jìn)行了展望。

微生物燃料電池；膜生物；活性污泥；人工濕地；浮床

微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，簡稱MFC）是一種以微生物為催化劑，將廢水中的有機(jī)物氧化并產(chǎn)生電能的裝置，厭氧條件下，陽極室的產(chǎn)電微生物氧化陽極室中廢水的有機(jī)物并從中獲取能量，氧化過程中釋放出的電子直接或間接傳遞至陽極，再通過外電路輸送至陰極，從而形成電流，同時(shí)在反應(yīng)過程中伴隨電子而產(chǎn)生的質(zhì)子從陽極室穿過質(zhì)子交換膜進(jìn)入陰極室，并在陰極與氧氣和電子生成水[1]。

1 相關(guān)專利檢索及其范圍

檢索關(guān)鍵詞：微生物燃料電池、MFC、Microbial Fuel Cell，檢索分類號(hào)：H01M8/16、C02F，H01M，專利公開日期截止到2015年02月25日，在中國專利全文文本代碼化數(shù)據(jù)庫中檢索到734篇相關(guān)專利。瀏覽專利文獻(xiàn)可知，該領(lǐng)域的申請(qǐng)人大多數(shù)是國內(nèi)的大學(xué)，如浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。

2 微生物燃料電池在廢水中的應(yīng)用

一般地，可以為微生物轉(zhuǎn)化或利用的物質(zhì)則可以作為MFCs陽極底物，如乙酸鹽、葡萄糖、甲酸、半胱氨酸、丁酸鹽、乙醇、淀粉、木糖等。此外，該方法也被用于實(shí)際廢水和城市污泥的處理。

溫青等[2]以啤酒廢水為處理對(duì)象，利用微生物燃料電池的雙極室構(gòu)成了厭氧-好氧聯(lián)合處理工藝，將陽極室出水直接作為好氧的陰極室的底物，陰極室內(nèi)生長的異養(yǎng)微生物則可以利用氧氣將基質(zhì)中可生物降解的有機(jī)物進(jìn)一步氧化，從而降低出水中的COD，提高整個(gè)系統(tǒng)的廢水處理效果。馮玉杰等[3]構(gòu)建了一種折流板空氣陰極微生物燃料電池，并將其用于處理高濃度、難降解有機(jī)廢水，如生活污水、印染廢水、食品廢水、制藥廢水、造紙廢水、秸稈發(fā)酵產(chǎn)酒精料液等，利用隔板引導(dǎo)水流以推流式和升流式相結(jié)合的方式通過反應(yīng)器，突破了微生物燃料電池對(duì)廢水的種類與濃度的限制，大大提高了廢水的處理效率。周順桂等[4]公開了一種微生物燃料電池堆，污泥注入陽極室作為微生物燃料電池的燃料，以導(dǎo)線連接陰極、外電阻和陽極構(gòu)成回路，消耗污泥有機(jī)物化學(xué)能產(chǎn)生清潔電能并最終降低污泥的COD值，作為污泥處置新的技術(shù)方案，解決了目前污泥處置和微生物燃料電池技術(shù)存在的不足，具有廣闊應(yīng)用前景，適應(yīng)了當(dāng)前環(huán)保形勢(shì)的需要。

3 微生物燃料電池與其他水處理技術(shù)的結(jié)合

微生物燃料電池作為一種新型的、獨(dú)立的污水處理技術(shù)，也存在著一些缺點(diǎn)，如處理效率低、出水水質(zhì)差，很難滿足日益嚴(yán)格的出水標(biāo)準(zhǔn)，而且處理成本高，這些都嚴(yán)重地制約了MFC在污水處理中的廣泛應(yīng)用，所以各種各樣的MFC耦合其他水處理技術(shù)不斷涌現(xiàn)。

3.1 與膜生物處理技術(shù)的結(jié)合

膜生物反應(yīng)器是一種將膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合的新型高效污水處理與回用技術(shù)，然而膜組件成本高、嚴(yán)重的膜污染問題以及較高的曝氣能耗等制約著膜生物反應(yīng)器的大規(guī)模發(fā)展。如何保證污水得到處理的同時(shí)可以從中回收電能，并且能夠部分抵消MBR的曝氣能耗，克服MFC生物量低、出水水質(zhì)差的缺點(diǎn)，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的重要技術(shù)問題。盛國平等[5]公開了一種生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置，通過將膜生物反應(yīng)器與微生物燃料電池相耦合，賦予了導(dǎo)電性膜分離材料的雙重功能：膜過濾和陰極，實(shí)現(xiàn)了污水得到處理的同時(shí)可以從中回收電能，不僅具備了膜生物反應(yīng)器高效、出水水質(zhì)好的優(yōu)點(diǎn)，而且可以從污水中回收電能，部分抵消MBR的曝氣能耗，同時(shí)還克服了MFC生物量低、出水水質(zhì)差的缺點(diǎn)。田禹等[6]公開了一種高質(zhì)出水與低膜污染的膜生物電化學(xué)反應(yīng)器裝置，平板膜在作為MBR過濾介質(zhì)的同時(shí)還作為MFC的陰極，污水首先進(jìn)入?yún)捬醯腗FC陽極，陽極的厭氧產(chǎn)電微生物先對(duì)污水進(jìn)行水解酸化預(yù)處理，隨后污水由出水口進(jìn)入MBR中，陽極的厭氧預(yù)處理能夠在一定程度上增強(qiáng)MBR對(duì)難降解有機(jī)廢水的處理效果，同時(shí)附著在MFC陰極的生物膜內(nèi)層的微生物可以利用NO3-和NO2-與陽極產(chǎn)生的電子結(jié)合發(fā)生還原反應(yīng)生成N2，從而進(jìn)一步加強(qiáng)污水脫氮效果。

3.2 與活性污泥法的結(jié)合

好氧的活性污泥工藝，需要消耗大量的能量，其中約有一半的電能輸入用于曝氣去除廢水中的有機(jī)物，是一種以能治能的方式，并沒有將廢水中有機(jī)物的這部分能量作為能源回收，存在高能耗、運(yùn)行成本高的弊端。減小能耗和碳足跡是污水處理廠發(fā)展的必然趨勢(shì)。

張捍民等[7]公開了一種由活性污泥工藝改造成的微生物燃料電池反應(yīng)器，用于回收廢水中蘊(yùn)含的能源，減少能耗，同時(shí)完成碳氮污染物的去除。用該方法設(shè)計(jì)及改造的推流式單室微生物燃料電器，不僅可以免除活性污泥法曝氣所需能耗，而且可以將蘊(yùn)含在廢水當(dāng)中的能量以電能的形式回收。該發(fā)明有利于促進(jìn)水污染控制技術(shù)的節(jié)能降耗，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。另外張捍民等[8]還公開了一種序批式電極反轉(zhuǎn)微生物燃料電池，以SBR反應(yīng)器為半電池，運(yùn)行參數(shù)可以靈活的調(diào)整；產(chǎn)電菌生物膜催化陰陽極反應(yīng)，降解污染物，產(chǎn)生電能，降低污水處理成本；極室序批運(yùn)行而造成電極極性反轉(zhuǎn)，一個(gè)周期內(nèi)陰陽極反應(yīng)可以在同一個(gè)極室中進(jìn)行，減緩pH值梯度而造成的過電勢(shì)，提高M(jìn)FC的效率；好氧段可以抑制產(chǎn)甲烷菌的生長，增加庫倫效率；厭氧段釋磷、好氧段吸磷，可以通過排泥實(shí)現(xiàn)對(duì)磷去除。該方法有利于促進(jìn)水污染控制技術(shù)的節(jié)能降耗，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

3.3 與生態(tài)處理技術(shù)的結(jié)合

人工濕地作為一種低成本、低能耗的水處理技術(shù)而得到人們的廣泛關(guān)注與研究。其中水平潛流人工濕地上層通過植物根部泌氧形成好氧區(qū)，相反下層則主要呈現(xiàn)為厭氧狀態(tài)形成厭氧區(qū)，由于上/下層氧化還原電位的不同，因此人工濕地具有通過改造其結(jié)構(gòu)而構(gòu)建成微生物燃料電池人工濕地裝置的潛質(zhì)。

宋新山等[9]公開了一種高效處理有機(jī)污水的微生物燃料電池人工濕地，通過改造人工濕地的結(jié)構(gòu)，以供產(chǎn)電子活躍的微生物在人工濕地的下層厭氧區(qū)（陽極室）由微生物轉(zhuǎn)化有機(jī)物產(chǎn)生電子和質(zhì)子，上層為好氧區(qū)（陰極室）由植物及曝氣管供氧，電子通過外電路傳遞到陰極形成電流，由于陰/陽極室氧化還原電位的不同產(chǎn)生電壓從而構(gòu)成微生物燃料電池人工濕地。微生物燃料電池人工濕地在高效處理水中有機(jī)物污染物的同時(shí)產(chǎn)生電能。宋海亮等[10]公開了一種人工濕地耦合MFC系統(tǒng)，將人工濕地下層厭氧環(huán)境的高比表面積基質(zhì)經(jīng)過改性后作為MFC的陽極，將人工濕地的表層基質(zhì)作為MFC的空氣陰極，構(gòu)建單室無膜MFC型人工濕地，綜合了MFC和人工濕地的性能優(yōu)勢(shì)。整個(gè)系統(tǒng)不僅拓展了有機(jī)物降解的途徑，大幅度提高了難降解性有機(jī)物的去除效能，同時(shí)提高了MFC的產(chǎn)電性能，在促進(jìn)廢水降解的同時(shí)獲得了電能，是緩解當(dāng)前能源危機(jī)和解決環(huán)境問題的有效途徑，具有不可估量的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

此外，李先寧等[11]公開了一種微生物燃料電池型立體組合生態(tài)浮床裝置，該裝置將組合生態(tài)浮床和微生物燃料電池相結(jié)合，充分利用MFC對(duì)底泥污染修復(fù)和難降解性有機(jī)物有較高的降解性能的優(yōu)勢(shì)和組合生態(tài)浮床對(duì)水體污染修復(fù)的特點(diǎn)，對(duì)上述兩種技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的融合。即利用MFC在對(duì)難降解有機(jī)污染物高效去除的同時(shí)能夠獲得電能的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)提高組合生態(tài)浮床凈化效果以及資源的最大化利用的目的。

4 總結(jié)

微生物燃料電池作為一種新興的廢水處理技術(shù)，不僅在各類廢水中得到了廣泛應(yīng)用，而且能夠有效地與現(xiàn)有技術(shù)中其他的水處理技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，改善自身具有的缺陷，使得廢水出水水質(zhì)得到提高，增加了微生物燃料電池應(yīng)用于實(shí)際廢水處理的可能性。

[1]B E Logan，B Hamelers，R Rozendal，et al.MicrobialFuelCells: Methodology and Technology[J].Environ.Sci.Technol，2006 (17):5 181-5 192.

[2]溫青，陳野，吳英，等.一種啤酒廢水處理裝置及處理方法[P]. CN：101607776 A，2009-12-23.

[3]馮玉杰，李賀，王鑫.折流板空氣陰極微生物燃料電池[P].CN: 101227008 A，2008-07-23.

[4]周順桂，盧娜，莊莉，等.一種微生物電池裝置及城市污泥的處置方法[P].CN：101607781 A，2009-12-23.

[5]盛國平，王允坤，俞漢青，等.一種生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置[P]. CN：102381753A，2012-03-21.

[6]田禹，李俐頻，李慧，等.一種高質(zhì)出水與低膜污染的膜生物電化學(xué)反應(yīng)器裝置[P].CN:103241895A，2013-08-14.

[7]張捍民，張廣毅.一種由活性污泥工藝改造成的微生物燃料電池反應(yīng)器[P].CN:103715445A，2014-04-09.

[8]張捍民，張廣毅.序批式電極反轉(zhuǎn)微生物燃料電池及其應(yīng)用[P]. CN:103715444A，2014-04-09.

[9]宋新山，王俊峰，王宇暉，等.一種高效處理有機(jī)污水的微生物燃料電池人工濕地[P].CN:103708622A，2014-04-09.

[10]宋海亮，李先寧，吳磊，等.人工濕地耦合MFC系統(tǒng)及其提高有機(jī)物去除效能的方法[P].CN:102351387A，2012-02-15.

[11]李先寧，宋海亮，吳磊，等.一種微生物燃料電池型立體組合生態(tài)浮床裝置及應(yīng)用[P].CN:103395891A，2013-11-20.

Invention patent review of Microbial Fuel Cell

YANG Ting
（Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office,SIPO,Guangzhou 510530,China）

Invention patents in Microbial Fuel Cell(MFC)in China were searched.The progress in patents including in Microbial Fuel Cell applications in waste water was reviewed,as well as the previous treatment technology of waste water with a microbial fuel cell.Practical applications of the Microbial Fuel Cell was prospected.

Microbial Fuel Cell;Membrane bioreactors;activated sludge;wetlands;floating bed

703

A

1674-0912（2015）07-0023-03

2015－03－31）

楊婷（1986-），女，湖北荊門人，碩士，實(shí)習(xí)研究員。