微生物燃料電池的專利技術綜述

楊婷

（國家知識產權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綜述

楊婷

（國家知識產權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，綜述了微生物燃料電池在廢水處理中的應用及與現有技術中其他水處理技術耦合的專利進展，并對其實際應用的前景進行了展望。

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，將廢水中的有機物氧化并產生電能的裝置，厭氧條件下，陽極室的產電微生物氧化陽極室中廢水的有機物并從中獲取能量，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，同時在反應過程中伴隨電子而產生的質子從陽極室穿過質子交換膜進入陰極室，并在陰極與氧氣和電子生成水[1]。

1 相關專利檢索及其范圍

檢索關鍵詞：微生物燃料電池、MFC、Microbial Fuel Cell，檢索分類號：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據庫中檢索到734篇相關專利。瀏覽專利文獻可知，該領域的申請人大多數是國內的大學，如浙江大學、哈爾濱工業(yè)大學等。

2 微生物燃料電池在廢水中的應用

一般地，可以為微生物轉化或利用的物質則可以作為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，該方法也被用于實際廢水和城市污泥的處理。

溫青等[2]以啤酒廢水為處理對象，利用微生物燃料電池的雙極室構成了厭氧-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，陰極室內生長的異養(yǎng)微生物則可以利用氧氣將基質中可生物降解的有機物進一步氧化，從而降低出水中的COD，提高整個系統(tǒng)的廢水處理效果。馮玉杰等[3]構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)酵產酒精料液等，利用隔板引導水流以推流式和升流式相結合的方式通過反應器，突破了微生物燃料電池對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，以導線連接陰極、外電阻和陽極構成回路，消耗污泥有機物化學能產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方案，解決了目前污泥處置和微生物燃料電池技術存在的不足，具有廣闊應用前景，適應了當前環(huán)保形勢的需要。

3 微生物燃料電池與其他水處理技術的結合

微生物燃料電池作為一種新型的、獨立的污水處理技術，也存在著一些缺點，如處理效率低、出水水質差，很難滿足日益嚴格的出水標準，而且處理成本高，這些都嚴重地制約了MFC在污水處理中的廣泛應用，所以各種各樣的MFC耦合其他水處理技術不斷涌現。

3.1 與膜生物處理技術的結合

膜生物反應器是一種將膜分離技術與傳統(tǒng)生物處理技術有機結合的新型高效污水處理與回用技術，然而膜組件成本高、嚴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器的大規(guī)模發(fā)展。如何保證污水得到處理的同時可以從中回收電能，并且能夠部分抵消MBR的曝氣能耗，克服MFC生物量低、出水水質差的缺點，成為本領域技術人員亟待解決的重要技術問題。盛國平等[5]公開了一種生物電化學膜反應器裝置，通過將膜生物反應器與微生物燃料電池相耦合，賦予了導電性膜分離材料的雙重功能：膜過濾和陰極，實現了污水得到處理的同時可以從中回收電能，不僅具備了膜生物反應器高效、出水水質好的優(yōu)點，而且可以從污水中回收電能，部分抵消MBR的曝氣能耗，同時還克服了MFC生物量低、出水水質差的缺點。田禹等[6]公開了一種高質出水與低膜污染的膜生物電化學反應器裝置，平板膜在作為MBR過濾介質的同時還作為MFC的陰極，污水首先進入厭氧的MFC陽極，陽極的厭氧產電微生物先對污水進行水解酸化預處理，隨后污水由出水口進入MBR中，陽極的厭氧預處理能夠在一定程度上增強MBR對難降解有機廢水的處理效果，同時附著在MFC陰極的生物膜內層的微生物可以利用NO3-和NO2-與陽極產生的電子結合發(fā)生還原反應生成N2，從而進一步加強污水脫氮效果。

3.2 與活性污泥法的結合

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物，是一種以能治能的方式，并沒有將廢水中有機物的這部分能量作為能源回收，存在高能耗、運行成本高的弊端。減小能耗和碳足跡是污水處理廠發(fā)展的必然趨勢。

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器，用于回收廢水中蘊含的能源，減少能耗，同時完成碳氮污染物的去除。用該方法設計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，而且可以將蘊含在廢水當中的能量以電能的形式回收。該發(fā)明有利于促進水污染控制技術的節(jié)能降耗，實現可持續(xù)發(fā)展。另外張捍民等[8]還公開了一種序批式電極反轉微生物燃料電池，以SBR反應器為半電池，運行參數可以靈活的調整；產電菌生物膜催化陰陽極反應，降解污染物，產生電能，降低污水處理成本；極室序批運行而造成電極極性反轉，一個周期內陰陽極反應可以在同一個極室中進行，減緩pH值梯度而造成的過電勢，提高MFC的效率；好氧段可以抑制產甲烷菌的生長，增加庫倫效率；厭氧段釋磷、好氧段吸磷，可以通過排泥實現對磷去除。該方法有利于促進水污染控制技術的節(jié)能降耗，實現可持續(xù)發(fā)展。

3.3 與生態(tài)處理技術的結合

人工濕地作為一種低成本、低能耗的水處理技術而得到人們的廣泛關注與研究。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構而構建成微生物燃料電池人工濕地裝置的潛質。

宋新山等[9]公開了一種高效處理有機污水的微生物燃料電池人工濕地，通過改造人工濕地的結構，以供產電子活躍的微生物在人工濕地的下層厭氧區(qū)（陽極室）由微生物轉化有機物產生電子和質子，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生電壓從而構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物污染物的同時產生電能。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經過改性后作為MFC的陽極，將人工濕地的表層基質作為MFC的空氣陰極，構建單室無膜MFC型人工濕地，綜合了MFC和人工濕地的性能優(yōu)勢。整個系統(tǒng)不僅拓展了有機物降解的途徑，大幅度提高了難降解性有機物的去除效能，同時提高了MFC的產電性能，在促進廢水降解的同時獲得了電能，是緩解當前能源危機和解決環(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合，充分利用MFC對底泥污染修復和難降解性有機物有較高的降解性能的優(yōu)勢和組合生態(tài)浮床對水體污染修復的特點，對上述兩種技術進行有機的融合。即利用MFC在對難降解有機污染物高效去除的同時能夠獲得電能的特點，實現提高組合生態(tài)浮床凈化效果以及資源的最大化利用的目的。

4 總結

微生物燃料電池作為一種新興的廢水處理技術，不僅在各類廢水中得到了廣泛應用，而且能夠有效地與現有技術中其他的水處理技術相結合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，改善自身具有的缺陷，使得廢水出水水質得到提高，增加了微生物燃料電池應用于實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.一種生物電化學膜反應器裝置[P]. CN：102381753A，2012-03-21.

[6]田禹，李俐頻，李慧，等.一種高質出水與低膜污染的膜生物電化學反應器裝置[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器[P].CN:103715445A，2014-04-09.

[8]張捍民，張廣毅.序批式電極反轉微生物燃料電池及其應用[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，實習研究員。