微生物燃料电池的专利技术综述

杨婷

（国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，广东广州510530）

微生物燃料电池的专利技术综述

杨婷

（国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，广东广州510530）

检索了微生物燃料电池在中国的发明专利文献，综述了微生物燃料电池在废水处理中的应用及与现有技术中其他水处理技术耦合的专利进展，并对其实际应用的前景进行了展望。

微生物燃料电池；膜生物；活性污泥；人工湿地；浮床

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，简称MFC）是一种以微生物为催化剂，将废水中的有机物氧化并产生电能的装置，厌氧条件下，阳极室的产电微生物氧化阳极室中废水的有机物并从中获取能量，氧化过程中释放出的电子直接或间接传递至阳极，再通过外电路输送至阴极，从而形成电流，同时在反应过程中伴随电子而产生的质子从阳极室穿过质子交换膜进入阴极室，并在阴极与氧气和电子生成水[1]。

1 相关专利检索及其范围

检索关键词：微生物燃料电池、MFC、Microbial Fuel Cell，检索分类号：H01M8/16、C02F，H01M，专利公开日期截止到2015年02月25日，在中国专利全文文本代码化数据库中检索到734篇相关专利。浏览专利文献可知，该领域的申请人大多数是国内的大学，如浙江大学、哈尔滨工业大学等。

2 微生物燃料电池在废水中的应用

一般地，可以为微生物转化或利用的物质则可以作为MFCs阳极底物，如乙酸盐、葡萄糖、甲酸、半胱氨酸、丁酸盐、乙醇、淀粉、木糖等。此外，该方法也被用于实际废水和城市污泥的处理。

温青等[2]以啤酒废水为处理对象，利用微生物燃料电池的双极室构成了厌氧-好氧联合处理工艺，将阳极室出水直接作为好氧的阴极室的底物，阴极室内生长的异养微生物则可以利用氧气将基质中可生物降解的有机物进一步氧化，从而降低出水中的COD，提高整个系统的废水处理效果。冯玉杰等[3]构建了一种折流板空气阴极微生物燃料电池，并将其用于处理高浓度、难降解有机废水，如生活污水、印染废水、食品废水、制药废水、造纸废水、秸秆发酵产酒精料液等，利用隔板引导水流以推流式和升流式相结合的方式通过反应器，突破了微生物燃料电池对废水的种类与浓度的限制，大大提高了废水的处理效率。周顺桂等[4]公开了一种微生物燃料电池堆，污泥注入阳极室作为微生物燃料电池的燃料，以导线连接阴极、外电阻和阳极构成回路，消耗污泥有机物化学能产生清洁电能并最终降低污泥的COD值，作为污泥处置新的技术方案，解决了目前污泥处置和微生物燃料电池技术存在的不足，具有广阔应用前景，适应了当前环保形势的需要。

3 微生物燃料电池与其他水处理技术的结合

微生物燃料电池作为一种新型的、独立的污水处理技术，也存在着一些缺点，如处理效率低、出水水质差，很难满足日益严格的出水标准，而且处理成本高，这些都严重地制约了MFC在污水处理中的广泛应用，所以各种各样的MFC耦合其他水处理技术不断涌现。

3.1 与膜生物处理技术的结合

膜生物反应器是一种将膜分离技术与传统生物处理技术有机结合的新型高效污水处理与回用技术，然而膜组件成本高、严重的膜污染问题以及较高的曝气能耗等制约着膜生物反应器的大规模发展。如何保证污水得到处理的同时可以从中回收电能，并且能够部分抵消MBR的曝气能耗，克服MFC生物量低、出水水质差的缺点，成为本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。盛国平等[5]公开了一种生物电化学膜反应器装置，通过将膜生物反应器与微生物燃料电池相耦合，赋予了导电性膜分离材料的双重功能：膜过滤和阴极，实现了污水得到处理的同时可以从中回收电能，不仅具备了膜生物反应器高效、出水水质好的优点，而且可以从污水中回收电能，部分抵消MBR的曝气能耗，同时还克服了MFC生物量低、出水水质差的缺点。田禹等[6]公开了一种高质出水与低膜污染的膜生物电化学反应器装置，平板膜在作为MBR过滤介质的同时还作为MFC的阴极，污水首先进入厌氧的MFC阳极，阳极的厌氧产电微生物先对污水进行水解酸化预处理，随后污水由出水口进入MBR中，阳极的厌氧预处理能够在一定程度上增强MBR对难降解有机废水的处理效果，同时附着在MFC阴极的生物膜内层的微生物可以利用NO3-和NO2-与阳极产生的电子结合发生还原反应生成N2，从而进一步加强污水脱氮效果。

3.2 与活性污泥法的结合

好氧的活性污泥工艺，需要消耗大量的能量，其中约有一半的电能输入用于曝气去除废水中的有机物，是一种以能治能的方式，并没有将废水中有机物的这部分能量作为能源回收，存在高能耗、运行成本高的弊端。减小能耗和碳足迹是污水处理厂发展的必然趋势。

张捍民等[7]公开了一种由活性污泥工艺改造成的微生物燃料电池反应器，用于回收废水中蕴含的能源，减少能耗，同时完成碳氮污染物的去除。用该方法设计及改造的推流式单室微生物燃料电器，不仅可以免除活性污泥法曝气所需能耗，而且可以将蕴含在废水当中的能量以电能的形式回收。该发明有利于促进水污染控制技术的节能降耗，实现可持续发展。另外张捍民等[8]还公开了一种序批式电极反转微生物燃料电池，以SBR反应器为半电池，运行参数可以灵活的调整；产电菌生物膜催化阴阳极反应，降解污染物，产生电能，降低污水处理成本；极室序批运行而造成电极极性反转，一个周期内阴阳极反应可以在同一个极室中进行，减缓pH值梯度而造成的过电势，提高MFC的效率；好氧段可以抑制产甲烷菌的生长，增加库伦效率；厌氧段释磷、好氧段吸磷，可以通过排泥实现对磷去除。该方法有利于促进水污染控制技术的节能降耗，实现可持续发展。

3.3 与生态处理技术的结合

人工湿地作为一种低成本、低能耗的水处理技术而得到人们的广泛关注与研究。其中水平潜流人工湿地上层通过植物根部泌氧形成好氧区，相反下层则主要呈现为厌氧状态形成厌氧区，由于上/下层氧化还原电位的不同，因此人工湿地具有通过改造其结构而构建成微生物燃料电池人工湿地装置的潜质。

宋新山等[9]公开了一种高效处理有机污水的微生物燃料电池人工湿地，通过改造人工湿地的结构，以供产电子活跃的微生物在人工湿地的下层厌氧区（阳极室）由微生物转化有机物产生电子和质子，上层为好氧区（阴极室）由植物及曝气管供氧，电子通过外电路传递到阴极形成电流，由于阴/阳极室氧化还原电位的不同产生电压从而构成微生物燃料电池人工湿地。微生物燃料电池人工湿地在高效处理水中有机物污染物的同时产生电能。宋海亮等[10]公开了一种人工湿地耦合MFC系统，将人工湿地下层厌氧环境的高比表面积基质经过改性后作为MFC的阳极，将人工湿地的表层基质作为MFC的空气阴极，构建单室无膜MFC型人工湿地，综合了MFC和人工湿地的性能优势。整个系统不仅拓展了有机物降解的途径，大幅度提高了难降解性有机物的去除效能，同时提高了MFC的产电性能，在促进废水降解的同时获得了电能，是缓解当前能源危机和解决环境问题的有效途径，具有不可估量的发展潜力。

此外，李先宁等[11]公开了一种微生物燃料电池型立体组合生态浮床装置，该装置将组合生态浮床和微生物燃料电池相结合，充分利用MFC对底泥污染修复和难降解性有机物有较高的降解性能的优势和组合生态浮床对水体污染修复的特点，对上述两种技术进行有机的融合。即利用MFC在对难降解有机污染物高效去除的同时能够获得电能的特点，实现提高组合生态浮床净化效果以及资源的最大化利用的目的。

4 总结

微生物燃料电池作为一种新兴的废水处理技术，不仅在各类废水中得到了广泛应用，而且能够有效地与现有技术中其他的水处理技术相结合，充分发挥各自的优势，改善自身具有的缺陷，使得废水出水水质得到提高，增加了微生物燃料电池应用于实际废水处理的可能性。

[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]温青，陈野，吴英，等.一种啤酒废水处理装置及处理方法[P]. CN：101607776 A，2009-12-23.

[3]冯玉杰，李贺，王鑫.折流板空气阴极微生物燃料电池[P].CN: 101227008 A，2008-07-23.

[4]周顺桂，卢娜，庄莉，等.一种微生物电池装置及城市污泥的处置方法[P].CN：101607781 A，2009-12-23.

[5]盛国平，王允坤，俞汉青，等.一种生物电化学膜反应器装置[P]. CN：102381753A，2012-03-21.

[6]田禹，李俐频，李慧，等.一种高质出水与低膜污染的膜生物电化学反应器装置[P].CN:103241895A，2013-08-14.

[7]张捍民，张广毅.一种由活性污泥工艺改造成的微生物燃料电池反应器[P].CN:103715445A，2014-04-09.

[8]张捍民，张广毅.序批式电极反转微生物燃料电池及其应用[P]. CN:103715444A，2014-04-09.

[9]宋新山，王俊峰，王宇晖，等.一种高效处理有机污水的微生物燃料电池人工湿地[P].CN:103708622A，2014-04-09.

[10]宋海亮，李先宁，吴磊，等.人工湿地耦合MFC系统及其提高有机物去除效能的方法[P].CN:102351387A，2012-02-15.

[11]李先宁，宋海亮，吴磊，等.一种微生物燃料电池型立体组合生态浮床装置及应用[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）

杨婷（1986-），女，湖北荆门人，硕士，实习研究员。