[發明專利]一種生物電化學系統處理污水、產生電能及輔助發酵的方法

無效

• 申請號: 201210068574.3
• 申請日: 2012-03-16
• 公開（公告）號: CN103304037A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 陶虎春;李鵬松;丁輝
• 申請（專利權）人: 北京大學深圳研究生院
• 主分類號: C02F3/34
• 分類號: C02F3/34;H01M8/16;C12P7/16;C12P7/28;C12P7/08;C12R1/145;C12R1/865
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技術領域

本發明涉及水處理工藝和發酵工藝，尤其涉及一種采用微生物反應處理污水、輔助發酵并產生電能的生物電化學系統和微生物污水處理、輔助發酵及產生電能的方法。?

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背景技術

隨著當今社會對綠色環保和節約資源的需求，污/廢水處理變得越來越受重視。生物處理方法是目前較為有效且可行的污水處理方法。近年來，生物電化學系統（Bioelectrochemical?Systems，BESs）獲得廣泛的研究和使用，其可以在降解有機物、處理污/廢水的同時產生電能，因而倍受關注。由于該特點，可以將其利用在處理有機污/廢水方面，能夠在處理有機污/廢水的同時獲得電能。?

BESs陰極是電子受體與電子發生反應的場所載體，不同的電子受體對陰極材料的要求也有差異。對于以氧氣作電子受體的BESs來說，雖然陽極具有的導電性，可以完成電子從陽極到陰極的傳遞，但是氧氣在陰極的還原受到動力學限制，特別是碳或者石墨電極，一般需要催化劑或者電介質。鉑常常作為BESs的化學催化劑，但是鉑存在價格高和氧還原不穩定性等缺點。鉑是BESs的傳統催化劑，此外釕、鈀等鉑族和第一副族的金銀等貴金屬由于其良好的催化活性、導電性和抗腐蝕能力，也是BESs很好的催化劑。由于貴金屬資源稀缺和BESs的經濟可行性要求，必須尋找價格低廉、來源豐富的催化劑，隨著研究的不斷深入，越來越多的非貴金屬催化劑被發現，如二氧化鉛。化學催化劑可以促進電子的傳遞，增加功率輸出，但是化學催化劑一般不具有可再生特性，難以實現持續使用。如上所述，低成本和高穩定性是對BESs實際應用的基本要求。生物陰極能夠恰好能夠滿足這兩項要求，因此在近年來倍受關注。生物陰極BESs利用細菌作為生物催化劑從陰極板接受電子，從而可以避免使用催化劑，提高了BESs的經濟可行性和環境可持續性。此外，生物陰極可以利用不同的電子受體，拓寬了BESs的應用范圍，微生物可以通過電流的催化轉化生產各種增值產品，所謂生物生產（Bioproduction）。?

工業上生物丁醇的生產一般是利用丙酮丁醇梭菌（Clostridium?acetobutylicum）在嚴格厭氧條件下進行發酵而產生的，其原料為可再生資源，主要產物是丁醇、丙酮和乙醇，簡稱ABE或AB發酵。ABE發酵這一傳統的發酵過程曾是僅次于酒精發酵的世界第二大發酵過程。我國從建國初期便開始利用玉米粉進行ABE的工業化生產，同時也形成了穩定的發酵工藝。由于石化工業的發展，ABE發酵逐漸衰退。但是隨著石化資源的耗竭和溫室效應等環境問題的日益突出，利用可再生資源生產化工原料和能源物質正受到世界各國的高度重視。?

丙酮丁醇梭菌的ABE發酵過程包括2個不同的時期：產酸期和產溶劑期。產酸階段，微生物細胞處于指數生長期，主要產生乙酸、丁酸、H₂和CO₂，有機酸的產生引起了發酵液pH的下降。隨著有機酸積累到一定階段，發酵進入產溶劑期，此時細胞處于穩定期，產生的乙酸和丁酸在這一階段轉變為ABE。隨著發酵的進行，微生物開始衰老，活力下降，加上底物的消耗，溶劑的毒害作用，使菌體開始自溶或生成孢子，發酵逐漸由微弱最終達到靜止結束。?

ABE發酵的主要產物丁醇、丙酮和乙醇含量比約為6:3:1，副產物丙酮和乙醇的存在為丁醇的提純增加了成本。為了能降低生物丁醇后期分離純化的成本，使其較傳統能源更具競爭力，需要提供丁醇占總產物中的比例。在ABE發酵的產溶劑期，由有機酸產生醇的過程本質上是一個還原過程，因此可以利用生物電化學系統的陰極這一還原體系輔助丙酮丁醇梭菌的ABE發酵，丁醇占總產物中的比例會由于陽極的電子供應而得到提高。?

本發明以生物電化學系統陰極輔助丙酮丁醇梭菌的ABE發酵為例，為污水處理、微生物發酵及節能減排提供新的方法。?

發明內容

提供一種采用上述生物電化學系統進行微生物污水處理、產生電能和輔助發酵的方法。?