电生化反应器的制作方法

专利名称：电生化反应器的制作方法
电生化反应器相关申请本申请要求于2008年6月30日提交的共同待决的美国临时专利申请系列第 61/076，873号的权益，该美国临时专利申请由此通过引用全文并入。
背景技术：
在许多国家很难将金属和其他无机物，如砷、硒、汞、镉、铬、氮等去除到满足当前 饮用水标准和排放标准的水平。例如，在美国，2006年的饮用水中砷的最大水平设置为 IOppb ；在其他国家也可能很快是这种情况。在美国，饮用水中的金属的最大污染物水平 (MCL)可以在0.005mg/L至10mg/L的范围，并且甚至可以更低。通常受到控制的金属和无 机物包括锑、砷、石棉、钡、铍、镉、铬、铜、氰化物、氟化物、铅、汞、硝酸盐、亚硝酸盐、硒和铊。存在多种去除金属、无机物和有机物的处理方法。用于处理金属和无机物污染的 土壤；废弃物和水的技术主要包括固化/稳定化、玻璃化、土壤清洗/酸萃取、反渗透、离 子交换、生物处理、物理分选、高温冶金回收以及土壤和废弃物污染物处理技术的原位土壤 清洗。沉淀/共沉淀、膜过滤、吸附、离子交换和可渗透反应屏障是处理污水更常用的处理 技术，而动电法、植物治理与生物处理是去除土壤、废水和饮用水中的污染物的常用处理技 术。发明概述—种用于从液体中去除目标化合物的方法可以包括设置两个活性表面，以使两个 活性表面隔开预定的距离。活性表面可以被置于液体的流内并且能够支持电荷和生物生 长。该方法还可以包括形成聚集在活性表面上的微生物群体，其中微生物群体被用于或能 够作用于、转化或结合目标化合物。该方法还可以包括在两个活性表面之间施加电位差。微 生物和电位差可以充分结合以从液体中去除目标化合物并且维持微生物群体。此外，一种用于从液体中去除目标化合物的系统可以包括两个活性表面，两个活 性表面被设置成隔开一段距离并且基本上相互平行。电源能够以在两个活性表面之间提供 电位差的方式可操作地连接到每一个活性表面。在另一种配置中，微生物群体可以存在于 两个活性表面的每一个上。此外，系统可以包括流路，其足以引导大部分液体与每一个活性 表面接触以及足以引导大部分液体横跨所述距离。已经相当宽泛地概述了本发明的更重要的特征，使得可以更好地理解下面的本发 明的详细描述，并且使得可以更好地领会本发明对本领域的贡献。从下面本发明的详细描 述连同附图和权利要求将会更清楚地看出，或可通过实施本发明获悉本发明的其他特征。附图描述

图1是文献中报道的与各种化学物质处于平衡的As2S3沉淀的优势图(dominance diagram)。图2是各种砷物质的Eh-ρΗ图。图3 是 N2-O2-H2O 系统的 Eh-pH 图。图4A和图4B是各种硒系统的Eh-pH图。图5是根据本发明的一个实施方式的具有平行于带电电极流动并通过带电电极的敞开通道的电生化反应器。图6是根据本发明的另一个实施方式的具有可渗透垂直于带电电极流动并横跨 带电电极的通道中的溶液的高表面积导电材料床的电生化反应器。图7A和图7B是根据本发明的一个实施方式的用于评估砷去除的无施加电位(7A) 和有施加电位(7B)的所测试的电生化反应器系统的描述。图8A和图8B是根据本发明的一个实施方式的为评估硒去除的有施加电位(8A) 和无施加电位(8B)的所测试的电生化反应器系统的描述。图9是测量的横跨用于从测试水中去除砷的EBR和常规生物反应器的电位的图。图10是在无施加电压操作下把EBR与类似方式构建的反应器相比较，从若干测试 溶液中去除砷的图。图11是使用无施加电位且停留时间为44小时的两级常规生物反应器以及使用施 加电位为3伏且停留时间为22小时的一极EBR，从若干采矿水中去除硒的图。详述现在将参考示例性的实施方式，并且本文使用特定的语言来描述这些示例性的实 施方式。然而应理解，并不期望由此限制本发明的范围。相关领域的技术人员和获得本公 开内容的技术人员将会想到的本文所阐述的本发明特征的变化和进一步的修改以及本文 所阐述的本发明原理的另外的应用被认为是在本发明的范围内。定义在描述和要求保护本发明时，依照下面陈述的定义使用以下术语。必须注意到，正如在本说明书和所附权利要求中使用的，除非在上下文中另外明 确指出，否则单数形式“一” (“a”)、“一” ( “an”)、和“该”(“the”)包括复数指代对象。 因此，例如提及“一个活性表面”包括一个或多个这样的活性表面，以及提及“一个形成步 骤”包括指代一个或多个这样的步骤。正如在本文中使用的，当用于指代材料的数量或量，或其特定特征时，“大量的 (substantial) ”指足以提供材料或特征所期望提供的效果的量。确切的可允许偏差度在一 些情况下可能取决于具体的上下文。相似地，“基本上无(substantially free of) ”或类 似术语指在组成中缺少所指定的材料、特征、元素或剂。特别地，被确认为“基本上无”的元 素是完全不存在于组成中或仅以对组成没有可测量的影响的足够小的量被包括在组成中。正如本文中使用的，为了方便，多个列项、结构元件、组成元素和/或材料可以呈 现于共同的列表中。然而，这些列表应该被解释为好像列表中的每一个成员被单独确认为 单独的且唯一的成员。因而，如果没有相反表示，这样的列表中的单个成员不应只基于它们 被呈现在共同的组中而被解释为是相同列表中的其他任何成员的实际等同物。本文中可以用范围格式来表达或提供浓度、量、厚度、参数、体积和其他数值数据。 应理解，使用这样的范围格式仅仅是为了方便和简洁，且因此应该灵活地解释为不仅包含 如该范围的限值所明确表述的数值，而且还包含该范围内所包括的全部单个数值和子范 围，就好像每个数值或子范围被明确表述一样。举个例子，“约1至约5”的数值范围应该解 释为不仅包含明确表述的约1至约5的值，而且还包含在所指明范围内的单个值和子范围。 因此，包含在这个数值范围内的有诸如2、3和4的单个值以及诸如1-3、2-4和3-5等的子 范围。此相同的原理适用于仅表述一个数值的范围。而且，不论范围的宽度或所描述的特
5征，这样的解释都应该适用。本发明的实施方式从液体中去除目标化合物的改进的方法可包括设置两个活性表面以使两个活性 表面被隔开一段距离。活性表面可以被置于液体流内并且能够支持电荷和生物生长。该方 法可进一步包括形成聚集在活性表面上的微生物群体，其中微生物群体被用于或能够作用 于或转化目标化合物。该方法可进一步包括在两个活性表面之间施加电位差。微生物和电 位差可以充分结合以从液体中去除目标化合物并且维持微生物群体。在一个方面，从液体中去除目标化合物。可以采用该方法去除一种或多种目标化 合物。活性表面可以是相同的或不同的且可以包括均质材料或非均质材料。在一个实施方 式中，两个活性表面包括各种形式的活性炭或基本上由其组成。形成微生物群体的步骤可 以在施加电位差的步骤前或步骤后发生。尽管电位是相对低的，但可以调节电位差以优化 结果。作为一般准则，电压可以从约IV至约110V，且通常从约IV至约IOVo可施加的电压的量一般是依赖于应用的，但是应在实现去除或回收目标化合物的 改进的最小量与小于伤害或减少微生物群体的量的上限之间的范围。虽然存在其中利用电 压来减少或消除微生物的水处理应用，但本应用的电压是在去除目标化合物时增强微生物 群体的活性，且这样，电压足以导致对微生物群体的伤害并固有地削弱系统功效。反应器尺 寸的变化、所采用的特定微生物和反应器设计的其他参数可以影响最佳电压量。本文描述的荷电表面可以具有高的表面积并且可以包括活性炭、包含金属和/或 官能团的活性炭，诸如钼的金属、石墨和许多其他金属合金、呈多种配置的导电凝胶和塑 料，或基本上由这些材料组成。电极配置可以包括以高表面积配置存在的电极棒、板、纤维、 小球和颗粒等。这些材料还可以包含固定的、合并或结合的细菌和/或特定的微生物或微 生物的材料，例如已知它们具有结合、转化或降解各种金属、无机物或有机物的能力的蛋白 质和酶。施加的电压提供连续供应的电子和电子冷阱(electron sink)，这使包含微生物 生物膜或酶的表面能够更有效地去除或转化污染物。此外，从液体中去除目标化合物的系统可以包括两个活性表面，两个活性表面被 设置成隔开一段距离并且基本上相互平行。电源能够以在两个活性表面之间提供电位差的 方式可操作地连接到每一个活性表面。微生物群体可以在两个活性表面的每一个上。此外， 系统可以包括流路，其足以引导大部分液体与每一个活性表面接触以及足以引导大部分液 体横跨所述距离。在一个方面，系统可以原位设置。在另一个方面，原位设置可以包括水流 或水的其他流动体，其中流动体的自然流动提供流路。在另一个实施例中，系统可以是沿着 卷流、地下水层部分或类似物来处理地下废水的可渗透反应屏障的一部分。微生物可以起治理目标化合物的作用。无机溶液组分、包括碳或能源的营养物 (如糖蜜、酵母提取物、蛋白质和类似物)有时可以是微生物细胞合成和生长的有限的物 质。微生物需要的主要无机营养物是N、S、P、K、Mg、Ca、Mg、K、Fe、Na和Cl。在一个实施方 式中，微生物可以用硝酸盐或亚硝酸盐作为最终的电子接受体把它们转变成氮气。存在的 过量的硝酸盐或亚硝酸盐接受来自系统的电子。在另一个实施方式中，硒酸盐或亚硒酸盐 被还原成元素硒。在又一个实施方式中，正如在图1中所示，As (V)可以还原成As(III)，并 且在硫化物的存在下，As (III)可以沉淀为As2S3。这样，本发明提供了可以创造充足的还原性条件的电生化反应器使得这些无机物转变成不溶的形式或降解为二氧化碳和其他气体， 例如氮气。一般地，氧化还原过程可以通过作为加速反应的催化剂的微生物来调节。这些微 生物，包括许多细菌，可以在它们的呼吸过程中利用氧化还原反应。在富氧环境中，氧气可 以是天然的电子接受体，但是当先前的电子接受体基于它们的氧化还原电位已被消耗或几 乎被消耗时也可以使用其他电子接受体并且一般将遵循不同的顺序。作为一种原则，顺序 一般基于电子接受体可提供给系统的能量。例如，氧气可以为系统提供最高的能量，而硝酸 盐提供略微少的量。这显示在表2中。术语氧化还原代表涉及电子转移的大量的化学反应。当物质被氧化时，它把电子 转移到另一种物质，然后另一种物质被还原。可以发生给定反应的点由电位差或水中的氧 化还原电位(Eh)决定；一些反应释放能量，而其他反应需要输入能量。氧化还原电位和pH 可能是控制无机物质形成和变化的重要因素。在图2中显示了砷的Eh-pH图。该图表示在 各种氧化还原电位和PH下砷的平衡条件。砷酸盐[As(V)]在含氧水中是占优势的，这往往 引发高Eh值，反之亚硝酸盐[As(III)]在无氧水中是占优势的。由于环境中的生物地球化 学过程，As(V)到As(III)的转化可能需要长的时间。这可能是为什么能够在一些厌氧水 中发现As (V)的原因之一。顺序以O2的消耗开始，其后是使用NO”通过还原Mn2+来溶解三氧化二锰，其后是 通过氨化作用生成nh4+。因此，在不存在氧的情况下，当硝酸盐被用作电子接受体时，其很 容易地分解产生氮气。 这些过程后接着是水合三氧化二铁还原成Fe2+。最后SO/—可以被还原成H2S以及 从发酵和甲烷生成中产生CH4。在Fe (III)-氧化物还原后但在S042_还原前，通常期望发生 As(V)还原。热力学信息仅描述了平衡时的系统并且一般表明非平衡系统将要移动的方向。图3提供了硝酸盐的Eh-pH稳定性图。一般地，硝酸盐(NO3-)可以在含有游离氧 的水中大量存在。此外，铵离子和氨可以存在于还原性非常强的水中。氮气循环可能是相 当复杂的，并且，虽然在Eh-pH平衡图中没有显示，但是不同氧化态间的转化可以几乎完全 在微生物影响下发生。图4分别提供了硒和硒-铁的Eh-pH图。正如图3和图4所示的， 本电生化反应器可以有利地通过与微生物反应来用氧化还原电位治理目标化合物，正如先 前讨论的。使用相似的还原机理可以实现其他物质的还原。表1阐明了可以在本发明的条件 下发生的一些示例性的还原机理的例子。表 1
还原Eh(V)AGO2的还原02+4H++4e:- > 2H20+0.812-29. 9NO3-的还原
权利要求
1.一种从液体中去除目标化合物的方法，包括设置两个活性表面，所述活性表面被隔开一段距离并置于所述液体的流内，所述表面 能够支持电荷并能够支持生物生长；形成聚集在所述活性表面上的微生物群体，所述微生物群体以所述目标化合物为目 标；以及在所述两个活性表面之间施加电位差；其中所述微生物和所述电位差充分结合以从所述液体中去除所述目标化合物并且维 持所述微生物群体。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述目标化合物从所述液体中被回收。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述目标化合物包括硒。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述目标化合物包括砷。
5.如权利要求1所述的方法，还包括去除第二目标化合物。
6.如权利要求1所述的方法，还包括去除多种目标化合物，其中至少一种目标化合物是萊。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述两个活性表面包括活性炭。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述电位差是约1伏至约30伏。
9.如权利要求1所述的方法，其中形成微生物群体的步骤在施加电位差的步骤之前。
10.如权利要求1所述的方法，其中形成微生物群体的步骤在施加电位差的步骤之后。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述电位差不足以减少所述微生物群体。
12.如权利要求1所述的方法，其中形成群体的步骤在施加电位差的步骤之后并且所 述微生物是酶。
13.如权利要求1所述的方法，其中形成群体的步骤在施加电位差的步骤之后并且所 述微生物是蛋白质。
14.一种从液体中去除目标化合物的系统，包括两个活性表面，所述两个活性表面被设置成隔开一段距离并被设置成基本上相互平行；电源，所述电源可操作地连接到每一个所述活性表面以在所述两个活性表面之间提供 电位差；微生物群体，所述微生物群体在所述两个活性表面的每一个上；以及 流路，所述流路足以引导所述液体的大部分与每一个活性表面接触并且足以引导所述 所述液体的大部分横跨所述距离。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述系统被原位设置。
16.如权利要求14所述的系统，其中所述流路平行于所述两个活性表面流动并且经过 所述两个活性表面。
17.如权利要求14所述的系统，其中所述流路垂直于所述两个活性表面流动并且横跨 所述两个活性表面。
18.—种从液体中去除至少一种目标化合物的系统，包括 a)第一电生化反应器，包括i)两个活性表面，其被设置成隔开一段距离并被设置成基本上相互平行；ii)电源，其可操作地连接到所述活性表面的每一个以在所述两个活性表面之间提供 电位差；以及iii)微生物群体，其在所述两个活性表面的每一个上；b)第二电生化反应器，包括i)两个活性表面，其被设置成隔开一段距离并被设置成基本上相互平行； )电源，其可操作地连接到所述活性表面的每一个以在所述两个活性表面之间提供 电位差；以及iii)微生物群体，其在所述两个活性表面的每一个上；c)管，其将所述第一电生化反应器连接到所述第二电生化反应器，使得离开所述第一 电生化反应器的液体进入所述第二电生化反应器；d)流路，所述流路足以引导所述液体的大部分与每一个电生化反应器的每一个活性表 面接触并且足以弓I导所述液体的大部分横跨每一个电生化反应器的所述距离。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述系统去除至少两种目标化合物。
20.如权利要求19所述的系统，其中所述第一电生化反应器去除第一目标化合物并且 所述第二电生化反应器去除第二目标化合物。
21.如权利要求19所述的系统，其中所述第一电生化反应器的所述微生物与所述第二 电生化反应器的所述微生物不同。
22.如权利要求19所述的系统，其中所述流路垂直于每一个所述微生物反应器的所述 两个活性表面流动并且横跨每一个所述微生物反应器的所述两个活性表面。
全文摘要
从液体中去除目标化合物的方法可包括设置两个活性表面以使它们隔开一段距离。活性表面可以被置于液体流内并且能够支持电荷、生物生长和/或酶和蛋白质。方法可进一步包括形成聚集在活性表面上的微生物群体，其中微生物群体被用于或能够转化目标化合物。方法可进一步包括形成聚集在活性表面上的酶或蛋白质，其中酶或蛋白质用于或能够转化目标化合物。方法可进一步包括在两个活性表面之间施加电位差。微生物和电位差可以充分结合和/或与特定的营养物一起以从液体中去除目标化合物并且维持微生物群体。酶和蛋白质与电位差可以充分结合以从液体中去除目标化合物。
文档编号C12M1/33GK102124095SQ200980132159
公开日2011年7月13日 申请日期2009年5月13日 优先权日2008年6月30日
发明者尼科尔·牛顿, 杰克·亚当斯, 玛德胡瑞·南杜里, 简·D·米勒, 迈克·皮普尔斯 申请人:犹他大学研究基金会