CN112823141A

CN112823141A - 可按比例缩放的连续流微生物燃料电池

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Publication number: CN112823141A
Application number: CN201980055562.7A
Authority: CN
Inventors: O.布雷特施格; S.M.巴巴诺瓦; C.A.安古洛罗德里格兹; J.O.加西亚科内乔; P.I.休尔塔弗根; R.奈托
Original assignee: Water Circulation Co ltd
Current assignee: Water Circulation Co ltd
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2021-05-18
Also published as: US10570039B2; US20220098068A1; US20200002200A1; IL279787A; AU2019295782A1; US11932565B2; WO2020006461A1; US11117819B2; CA3134120A1; EP3814282A1; US20200270152A1; SG11202013023XA; EP3814282A4

Abstract

本申请公开了用于通过生物电化学废物发电转化工艺处理废水和产生电能的模块化微生物燃料电池(MFC)设备、系统和方法。在一些方面中，模块化MFC系统包括：废水预处理系统，其用于接收和预处理原废水以将经预处理废水进料而用于生物电化学加工；一个或多个模块化MFC设备，其用于通过同时产生电能和消化废水中的有机污染物和颗粒而以生物电化学方式加工经预处理废水以产生经处理的、更清洁的水；和水收集模块，其用于接收来自一个或多个模块化MFC设备的经处理的水并且存储经处理的水和/或将经处理的水从系统送出。

Description

可按比例缩放的连续流微生物燃料电池

对相关申请的交叉引用

本专利文件要求2018年6月28日提交的题为“SCALABLE CONTINUOUS FLOWMICROBIAL FUEL CELL SYSTEMS,DEVICES AND METHODS”的美国临时专利申请No.62/691,426、和2018年10月15日提交的题为“SCALABLE CONTINUOUS FLOW MICROBIAL FUEL CELLS”的美国临时专利申请No.62/745,896的优先权和权益。将前述专利申请的全部内容通过参考引入作为本专利文件的公开内容的一部分。

技术领域

本专利文件涉及微生物燃料电池技术。

背景技术

微生物燃料电池(MFC)为使用活细胞例如细菌，并且模仿和/或促进它们的自然相互作用以产生电流的生物电化学系统。一些实例MFC系统包括介导MFC，其使用介体来将电子从细菌细胞转移至阳极。其它MFC系统包括未介导MFC，其利用如下类型的细菌：所述细菌典型地在它们的外膜上具有电化学活性的氧化还原蛋白质(例如，细胞色素)，所述外膜可将电子直接转移至阳极。

发明内容

公开了用于通过生物电化学废物发电(垃圾发电，waste-to-energy)转化工艺处理废水和产生电能的模块化微生物燃料电池(MFC)设备、系统和方法。

在一些方面中，用于能量产生和废水处理的系统包括：废水渠首工程系统(headworks system)，其用于通过除去固体颗粒而预处理原废水并且产生从废水渠首工程系统输出的经预处理废水；一个或多个模块化微生物燃料电池(MFC)设备，其用于通过同时产生电能并且消化经预处理废水中的有机污染物和颗粒而以生物电化学方式加工经预处理废水以产生经处理的水，一个或多个模块化MFC设备包括外壳(housing)和包围在外壳内的生物电化学反应器，其中生物电化学反应器包括布置在阴极组件之间的多个阳极；和水收集系统，其用于接收来自一个或多个模块化MFC设备的经处理的水并且存储经处理的水和/或将经处理的水从所述系统送出。

在一些方面中，用于能量产生和废水处理的方法包括：通过从废水流体除去至少一些固体颗粒而预处理原废水，这产生经预处理废水；通过生物电化学转化工艺加工经预处理废水，所述生物电化学转化工艺通过消化废水流体中的物质而产生电能并且同时清洁经预处理废水以产生经处理的水；提取所产生的电能用于存储或者转移至外部电气设备；和输出经处理的水。

在一些方面中，用于能量产生和废水处理的设备包括模块化微生物燃料电池(MFC)设备，模块化微生物燃料电池(MFC)设备能用于以生物电化学方式加工在流体中包括有机物质的废水，这同时产生电能并且消化所述有机物质以产生经处理的水，模块化MFC设备包括：外壳、和包围在外壳内的生物电化学反应器，生物电化学反应器包括布置在阴极组件之间的多个阳极，其中阴极组件包括分隔于所述多个阳极的两侧并且沿着流体通过生物电化学反应器的流动方向纵向布置的两个气体扩散阴极，所述气体扩散阴极能够容许氧气渗透到生物电化学反应器内的流体中。

在一些方面中，用于能量产生和废水处理的设备包括第一模块化微生物燃料电池(MFC)设备和第二模块化MFC设备。第一模块化MFC设备能用于以生物电化学方式加工在流体中包括有机物质的废水，这同时产生电能并且消化所述有机物质以产生经处理的水，并且第一模块化MFC设备包括：第一外壳、和包围在第一外壳内的第一生物电化学反应器，第一生物电化学反应器包括布置在阴极组件之间的多个阳极，其中阴极组件包括分隔于所述多个阳极的两侧并且沿着流体通过第一生物电化学反应器的流动方向纵向布置的两个气体扩散阴极，所述气体扩散阴极能够容许氧气渗透到第一生物电化学反应器内的流体中。第二模块化MFC设备流体地连接至第一模块化MFC设备并且能用于以生物电化学方式加工通过第一模块化MFC设备产生的经处理的水以同时产生电能和消化经处理的水的流体中的有机物质以产生经进一步处理水，并且第二模块化MFC设备包括：第二外壳、和包围在第二外壳内的第二生物电化学反应器，第二生物电化学反应器包括布置在阴极组件之间的多个阳极，其中阴极组件包括分隔于所述多个阳极的两侧并且沿着流体通过第二生物电化学反应器的流动方向纵向布置的两个气体扩散阴极，所述气体扩散阴极能够容许氧气渗透到第二生物电化学反应器内的流体中。

可实施本专利文件中描述的主题以提供以下特征的一个或多个。

附图说明

图1显示用于净零能量消耗的废水处理的根据本技术的模块化微生物燃料电池(MFC)系统的一种实例实施方式的图。

图2A和2B显示图1中所示的MFC设备阵列的MFC设备的一种实例实施方式的图。

图2C显示根据本技术的生物电化学废物发电转化工艺的原理图。

图3显示实施用于将生猪排泄物(swine waste)以高处理速率连续处理的图1中所示的模块化MFC系统的一种实例实施方式的图。

图4显示实施用于将生活废水以高处理速率连续处理的图1中所示的模块化MFC系统的一种实例实施方式的图。

图5A-5E显示根据本技术的单生物电化学反应器的一种实例实施方式的多种视图的图。

图6A显示描绘根据本技术的单生物电化学反应器的一种实例实施方式的多种视图的图。

图6B显示图6A的单生物电化学反应器的阳极和阴极的多种视图的实例。

图6C显示将阳极组件安装在图6A的单生物电化学反应器的外壳中的实例。

图6D显示将阳极组件安装在图6A的单生物电化学反应器的外壳中的另外的实例。

图6E显示其中阳极就位的图6A的单生物电化学反应器的外壳的实例。

图7A-7E显示根据本技术的双生物电化学反应器的一种实例实施方式的多种视图的图。

图8A-8E显示根据本技术的三生物电化学反应器的一种实例实施方式的多种视图的图。

图9A和9B显示描绘当相对于阴极表面积(图9A)和反应器容积(图9B)标准化时图3的实例MFC系统的各个单独反应器的电流密度的数据图。

图10显示描绘图3的实例MFC系统的反应器五的阳极和阴极的开路电势(OCP)测量结果的数据图。

图11A和11B显示描绘在间歇操作模式期间反应器五的极化和功率曲线(图11A)以及阴极和阳极的极化曲线(图11B)的数据图。

图12A-12D显示描绘在连续模式期间反应器5的极化(图12A、12C)和功率曲线(图12B)以及随着时间流逝的最大功率发展(图12D)的数据图。

图13显示描绘图3的实例MFC系统的反应器在不同时间间隔下的EIS的数据图。

图14A和14B显示描绘随着时间流逝，对于实验实施而言流入物、流出物和COD除去的COD浓度(图14A)以及COD处理速率(图14B)的数据图。

图15显示描绘在系统连续操作模式期间的COD除去效率(％)的数据图。

图16A-16C显示描绘在连续模式期间图3的实例MFC系统的流入物(入)和流出物(出)中的NO₃ ^--N(图16A)、NO₂ ^--N(图16B)和NH₄ ⁺-N(图16C)的浓度的数据图。

图17显示描绘在连续模式期间图3的实例MFC系统的流入物(入)和流出物(出)中的硫酸根浓度的数据图。

图18显示描绘随着时间流逝的pH和DO廓线的数据图。

图19显示使用16S rRNA序列描绘实例MFC系统流出物的微生物群落廓线的图。

图20显示描绘从在其停运之后图3的实例MFC系统的反应器六的阳极和阴极收集的样品的基于16S rRNA的微生物群落廓线的图。

图21A和21B显示SEM图像，其显示图3的实例MFC系统的反应器六的阳极(图21A)和阴极(图21B)上的生物膜。

图22A和22B显示包括如下的数据图：从系统流出物收集的样品的CCA双标图(图22A)、和在图3的实例MFC系统的反应器六停运期间收集的样品的PCA双标图(图22B)。

图23显示用于将生活废水以高处理速率连续处理的图4的实例模块化MFC系统的一种实例实施的图像。

图24A显示描绘当相对于阴极表面积标准化时图4的实例MFC系统的顶部处理列车的各个单独反应器的电流密度的数据图。

图24B显示描绘当相对于阴极表面积标准化时图4的实例MFC系统的底部处理列车的各个单独反应器的电流密度的数据图。

图25显示描绘单独反应器箱7B随着时间流逝的开路电势数据的数据图。

图26显示描绘图4的实例MFC系统的顶部和底部处理列车的COD除去效率的数据图。

图27显示描绘顶部处理列车随着时间流逝的亚硝酸根和铵浓度的变化的数据图。

图28显示描绘顶部处理列车随着时间流逝的硫根和硫酸根浓度的变化的数据图。

图29显示描绘顶部和底部处理列车随着时间流逝的pH趋势的数据图。

图30显示实施用于处理酿造厂(啤酒厂，brewery)废水的根据本技术的模块化MFC系统的一种实例实施方式的图。

图31显示描绘当相对于阴极表面积标准化时图30的实例MFC系统的各个单独反应器的电流密度的数据图。

图32显示描绘单独反应器箱11随着时间流逝的开路电势数据的数据图。

图33A显示描绘在间歇模式下图30中所示的实例MFC系统的COD除去率(以mg/LCOD计)的数据图。

图33B显示描绘在间歇模式下图30中所示的实例MFC系统的COD除去率效率的数据图。

图34A显示描绘在连续模式下图30中所示的实例MFC系统的COD除去率(以mg/LCOD计)的数据图。

图34B显示描绘在连续模式下图30中所示的实例MFC系统的COD除去率效率的数据图。

相同的附图标记指的是相同或类似的特征。

具体实施方式

微生物燃料电池(MFC)使用微生物作为催化剂来将有机物质在阳极处氧化并且经由细胞外电子转移(EET)机理产生电。MFC技术发展已经受益于与模式生物体的EET机理以及关键设计评价有关的主要发现，但是在从实验室规模基础实验向大规模工业实施的转变方面缺少进展。

虽然MFC技术已经在研究阶段显示出前景，但是在能够将MFC系统应用于真正的废水处理应用之前需要进一步的进步。例如，早期MFC研究主要在使用小于1L的液体体积的小的实验室规模系统中进行，以间歇进料模式操作来进行短期试验，或者进料合成或者明确定义的废水作为测试溶液。但是，为了展现实际的废水处理，需要大规模MFC系统来在实验室设置之外在更长时间维度内在连续流操作下处理真正的废水。进一步地，商业上可行的MFC系统应当具有低的建造、经销和安装成本，以及长期操作可靠性和耐久性。

公开了用于通过生物电化学废物发电转化工艺处理废水和产生电能的模块化微生物燃料电池(MFC)设备、系统和方法。所公开的MFC设备、系统和方法可用于大、中或小规模的宽种类的环境和清洁能源应用。

所公开的模块化MFC技术的实施可包括以下特征和优点的一个或多个。所述MFC设备的实例实施方式包括可被集成到单个、可运输的壳体中以现场‘即插即用’安装来用于各种各样的最终用途实施(包括废水处理、污泥消除、和发电)的模块化部件。可使用所公开的模块化MFC技术以基于该设备的净零能量操作、远程监控能力、和80％固体减少而为最终用户节省最高达95％的废水处理操作成本。

在此描述了根据所公开的模块化MFC技术的系统、设备和方法的实例实施方式和实施。虽然为了便于深层构思的理解，以下描述的实例的一些主要基于使用所述模块化MFC系统、设备和方法的某些实例配置来处理驯养动物废水或酿造废水，但是应理解，所公开的实施方式还可包括以高处理速率处理来自除了农场或酿造厂之外的其它来源的其它废水。

图1显示用于多样类型废水(包括来自生活基础设施系统、农业和工业系统的污水)的净零能量消耗的废水处理的根据本技术的模块化MFC系统100的一种实例实施方式的图。系统100包括废水渠首工程系统105以例如从设施例如农场、城市下水道废水网络、工业加工设施等接收用于处理的原废水，并且预加工原废水以提供至一个或多个模块化MFC设备110，下文中进一步讨论。例如，废水渠首工程系统105可通过除去原废水中的固体或固体状物质(例如，相对大尺寸或质量的)而预加工原废水。例如，废水渠首工程系统105可除去1cm或更大和/或50g或更大的颗粒。在图1中所示的实例实施方式中，废水渠首工程系统105包括除砂单元106(也称作除砂模块、除砂子系统、或除砂器)，其过滤掉原废水中的大尺寸和/或大质量的物质，例如，像石头、沙子等。在一些实施方式中，例如，除砂单元106可包括旋转设备，所述旋转设备利用离心力来分离出(例如经由旋转过滤器)沙子、砂砾和砾石，可将其从除砂单元106收集并且作为固体废弃物丢弃。在一些实施中，除砂单元106可包括筛网片以从废水物流分离固体物质。在一些实施方式中，废水渠首工程系统105包括一个或多个平衡罐107，其配置成接收和收集经除砂废水并且从废水渠首工程系统105经由预加工废水进料器箱109提供稳定有机负荷和流量的所接收废水，例如，提供至模块化MFC设备110。在一些实施方式中，废水渠首工程系统105包括一个或多个化学/物理或生物预处理单元108，其配置成接收、例如从除砂单元106或平衡罐(一个或多个)107接收经除砂废水，并且加工经除砂废水以除去任何不想要的化学物质，例如硫物质或油脂和油。在一些实施方式中，废水渠首工程系统105包括进料器单元109以将经预加工废水提供至模块化MFC系统100的下一阶段。例如，预加工废水进料器109可配置为进料器箱。在一些实施方式中，实例进料器箱109布置在比模块化MFC设备110大的高度处。

系统100包括一个或多个模块化MFC设备110。在图1中所示的实例中，系统100包括模块化MFC设备110阵列，其通过产生电能和消化经预加工废水中的有机污染物和颗粒(例如，污泥)的净零能量消耗和生物电化学废物发电转化工艺处理经预加工废水以产生经处理的水。通过模块化MFC设备110实施的生物电化学转化工艺包括生物氧化，其伴有在所述氧化期间释放的电子向导电性电极表面/阳极的胞外转移。电子然后通过外电路转移至阴极，在阴极处发生还原。整个转化过程在空间上分成在阳极处的经由细菌的氧化过程以及在阴极处的还原过程。

模块化MFC设备110的实例阵列可以1至N个MFC设备110的串联(可称作处理列车)布置。在一些实施方式中，处理列车为水力连接的MFC设备110阵列(以1至N个MFC设备的串联布置)，其中第一MFC设备110a接收来自废水渠首工程系统105的经预加工废水，通过生物电化学转化工艺加工经预加工废水并且将经部分处理的废水输出至第二MFC设备110b，第二MFC设备110b接收来自第一MFC设备110a的经加工的输出水并且通过生物电化学转化工艺加工第一MFC设备110a的输出水以从阵列(如果N＝2个MFC设备)输出或者输出至另一MFC设备，例如，第三MFC设备110c，并且诸如此类，直至最后的MFC设备110N。在系统100的一些实施方式中，将经预加工废水从废水渠首工程系统105的进料器109重力进料至模块化MFC设备110阵列。例如，在多种实施方式中，将经预加工废水通过利用进料器箱而进行重力进料并且在MFC阵列的末端处使用蠕动泵以控制通过MFC设备(一个或多个)110的流速。

在一些实施方式中，系统100包括多个处理列车(例如，两个或更多个串联例如水力串联的模块化MFC设备110阵列)，其可平行处理经预加工废水以提高处理体积。在一些实施方式中，单个处理列车的模块化MFC设备110可布置在一个平面中或者多个竖直平面中以产生多个位面(液面、水平，level)。在多种实施方式中，一个处理列车可包括与另一处理列车相同数量或者不同数量的模块化MFC设备110，例如，其中处理列车1具有N个模块化MFC设备110并且处理列车2具有N或M个模块化MFC设备110。例如，在其中系统100在(从公共废水摄入点起)平行配置的多个处理列车之中包括相同数量的模块化MFC设备110的情况下，这可有利地容许系统将废水加工体积负荷分配至各处理列车组之中的单独MFC设备，此时处理列车产生类似量或者清洁度水平的类似的处理水输出。而且，例如，在其中系统100在(从公共废水摄入点起)平行配置的处理列车之中包括不同数量的模块化MFC设备110的情况下，这可有利地容许系统产生不同量或不同清洁度水平的不同的处理水输出。

系统100包括用于接收来自模块化MFC设备110阵列的经处理的水的水收集系统120，其可存储经处理的水和/或将经处理的水送去外部设备或系统以使用通过系统100处理的水。在一些实施方式中，水收集系统120包括一个或多个水罐以存储经处理的水，其可稍后被送至所述外部设备或系统。在一些实施方式中，系统100包括布置在模块化MFC设备110阵列和水收集系统120之间以后处理经处理的水，例如将经处理的水消毒或者实施其它三级处理工艺的后处理系统115。在一些实施方式中，例如，后处理系统115可包括一个或多个膜以利用反或正渗透、高级氧化、脱硝、和/或消毒(例如，使用臭氧、UV光、氯或其它消毒方法)后处理经处理的水。

在像稍后在图3中所示的系统那样的一些实例实施方式中，模块化MFC系统100可包括合计总体积为90L的十二个MFC反应器，其可用于处理废水，例如农场的生猪废水、酿造厂的酿造厂废水、或者来自其它类型来源的其它类型废水。在一些实例实施方式中，对于处理生活废水、农业或工业废水而言，模块化MFC系统100可被包含在便携式容器中或者放置在可容易运输至并且安装在指定安装场所的可移动的台架结构上。

图2A和2B显示系统100的阵列的MFC设备110的一种实例实施方式的图。如在图2A中显示的，MFC设备110包括生物电化学反应器芯111和包围反应器芯111的外壳119。反应器芯111可配置为具有阳极组件114和阴极组件113的单模块设备。在一些实施方式中，外壳119包括刚性壳体，该刚性壳体具有实心底部并且在顶部处具有开口以容许将反应器芯111的模块化部件可逆地安置在外壳119的内部内。在一些实施方式中，外壳119被结构化为将在废水通过MFC设备110的流动方向上的第一维度配置为比外壳119的垂直维度长。在图2A中所示的实例中，外壳119包括布置在外壳119的沿着流动方向的相对侧上的输入端口119A和输出端口119B。外壳包括在外壳119的与具有端口119A和119B的侧面相邻(并且在外壳119的矩形构型中与其垂直)的相对侧上的两个开口119C和119D。开口119C和119D容许空气流经包围在外壳119中的阴极组件113。在图2A中所示的实例中，外壳119包括在顶部上的检修(出入，access)开口，所述顶部被阳极组件114所附着至的附着板所封闭。在一些实例实施方式中，外壳119可在顶部上被封闭以形成一个整体，其中输入端口119A和输出端口119B安置在与较长维度正交的短侧壁上，并且开口119C和119D安置在与较短垂直维度正交的长侧壁上(其实例示于图6A中)。

反应器芯111包括阴极组件113，其包括布置在反应器的侧面上、接近于开口(例如，开口119C和119D)、与外壳119的侧面匹配的两个阴极电极。阴极各自的内侧暴露于进料到反应器芯111中的废水溶液。反应器芯111包括阳极组件114，其包括布置在阴极组件113的阴极电极之间并且当反应器芯111被包围在外壳119中时处于在输入端口119A和输出端口119B之间的流动方向上的多个阳极单元。

在阳极组件114中，例如，单独的阳极单元可间隔地布置并且彼此电连接以形成阳极，其中一个或多个阳极单元可作为单阳极系统操作。阳极组件114可包括多个单阳极系统。在一些实施方式中，在分别的单阳极系统内单独的阳极单元可彼此相同。在一些实施方式中，单独的阳极单元可在一个单阳极系统中彼此不同和/或与其它单阳极系统中的其它阳极单元不同。在一些实施方式中，阳极单元可为阳极电极的竖直组件，其可包括为微生物(例如，细菌)生长提供表面区域的碳或其它材料。单阳极系统的阳极单元可电连接到反应器芯111的外部或内部。在单阳极系统内，阳极单元可从阳极单元1至阳极单元N(例如经由电线)电串联地连接。所述电线(一个或多个)可为例如钛、铂或钯电线。在一些实施方式中，在阳极系统内，阳极单元可并联地或者以串联和并联的组合连接。

在一些实例中，MFC设备110具有拥有内部维度：31±2cm ×17±2cm×15±2cm、和8±3L的容积的矩形形状。在图2A和2B中所示的实例实施方式中，阳极组件114包括二十个阳极单元，其可被设计为碳阳极单元(例如，石墨纤维的)并且被结构化为具有10cm高度和2.5cm直径。也可使用其它高度和直径。

在一些实施方式中，将阳极组件114的阳极单元的至少一些电连接在一起作为一个电极。在多种实施方式中，例如，可将阳极单元在配置在反应器芯111中之前预处理，例如通过浸泡在有机溶剂中并且随后用水洗涤而预处理，以除去有机污染物或者活化阳极表面。特别地，例如，基于反应器芯111的模块化设计，可在将MFC设备110和系统100安装在实施场所之后将阳极组件114的阳极单元以这样的方式洗涤。

在像图2A和2B中所示的实例实施方式那样的一些实例中，阴极组件113包括两个气体扩散阴极，各自具有13.5cm×27.2cm的尺寸，几何表面积为367cm²。也可使用其它尺寸和其它表面积。将实例气体扩散阴极放置在反应器芯111的两个侧面上并且电连接。如图2B中所示，实例MFC设备110包括可被建造为外壳119的一部分以集成到反应器芯111中的导流板112，以引导溶液在反应器芯111内的流动。在一些实施中，例如，导流板112为实心静态壁，其可为反应器外壳119的一部分或者是在反应器芯111的安置之前另外插入的。可将导流板112以特定的布置放置以引导所述流动，提供恰当的混合以及在阴极处更高的质子供应。实例MFC设备110的反应器还可包括容许气体离开反应器的一个或多个排气管118A和/或容许反应器将液体排泄出以容许对反应器进行检修、运输、或将反应器从系统除去的一个或多个排泄阀118B。

图2C显示通过实例模块化MFC设备110的反应器芯实施的生物电化学废物发电转化工艺的原理图。如由该实例所显示的，在(例如，阳极组件114的)阳极单元的阳极电极处发生生物催化氧化有机物质以溶解二氧化碳。进行所述氧化过程的生物物质包括，例如，细菌、酵母或其它微生物体。这些微生物体可为纯培养物或者整个微生物群落。在所述有机物质的氧化期间，所给微生物进行细胞外电子转移至阳极表面和分泌质子到溶液中，如图2C的图中所示。所释放的电子通过外部电线行进至(例如，阴极组件113的阴极板的)阴极电极。质子从阳极周围向阴极扩散并且氧气被动地从空气扩散通过阴极。质子、电子和氧气在阴极表面处相互作用并且氧气被还原为过氧化氢或者新分子水。电子的流动提供能量产生的来源，其可作为该生物电化学过程的所得物之一被系统100所收获，在该生物电化学过程中另一所得物为更清洁的水，其被从反应器输出。模块化MFC设备110产生作为DC电流的电，其可被存储在电荷存储设备(例如，蓄电池)中。例如，配置在阳极和阴极之间的电路可用于对蓄电池进行涓流充电。在系统100的多种实施中，所收获和/或存储的能量可用于驱动泵，这可补偿系统100、例如图3中所示的泵306和/或泵307的功率需求。

描述高处理速率模块化MFC系统的其它实例实施方式和实施，其可被用于大规模应用于具有净零能量需求、远程监控和高百分比的固体减少或消除的废水处理。

在例如牲畜养殖中，在动物牧场(quarters)、例如养猪场(pig farm)的栏圈(pen)的日常洗涤和环卫期间，显著体积的废水积聚和排放到下水道中。在这些过程期间，消耗了巨大量的淡水。例如，全球淡水的大约四分之一被用于动物生产。根据Pork Checkoff组织的2011报告，给定生猪农场可将其总水消耗的24％用于设施操作例如对动物进行降温和粪便管理。生猪生产操作时粪便管理的最常见方法是将废水捕获到大的厌氧泻湖中。然而，如果没有恰当地加衬或者维护的话，这些泻湖可由于高浓度碳、氮和磷的释放以及潜在地病原性细菌的存在而导致造成严重环境影响的有害排放。但是，加快从生猪废水除去碳和氮的替代处理方法可使得能够将水再利用于农场清洁和/或灌溉，并且同时防止环境污染。

如下所述，描述了来自模块化MFC系统100的多种实例实施方式的多个实验实施的实例结果。结果展现并且表明了所公开的MFC设备、系统和方法对于来自各种各样的来源(包括尤其是农场、工业和生活废水)的废水处理和能量回收的实用性。

在一种实例实施中，模块化MFC系统100的一种实例实施方式在生猪农场以连续模式以4小时的水力停留时间(例如，流速380mL/min，0.1加仑/min)操作超过200天。来自该操作的实例结果表明非常稳定的电化学性能和高效的废弃物处理，其中将化学需氧量(COD)的最高达65％除去并且具有5.0kg-COD/m³/天的最大除去率。还评价了MFC反应器内的微生物动力学以及来自各反应器的电化学性能。这些数据集暗示了适合于使高度复杂废水中存在的多种多样化合物代谢并且转变为直供电(direct electricity)的非常稳定且鲁棒的微生物富集。进一步地，例如，实例模块化MFC系统100的电化学性能显示，从微生物将废弃有机物转变为电中所回收的电力不仅与常规热电联产工艺具有竞争性，而且实际上注意维持系统100的操作能量需要。

图3显示在用于连续处理流速为例如660L/天(例如，174gpd)的农场生猪排泄物达长期操作的实验实施中使用的模块化MFC系统100(称作MFC系统300)的一种实例实施方式的图。模块化MFC系统300包括在溶液连续不断流动情况下水力串联连接的呈MFC设备310阵列形式的十二个反应器，例如从反应器1至反应器2至反应器3至……至反应器12。实例系统300的总容积为110L。通过利用进料器箱305将废弃物物流重力进料到MFC设备310的反应器中，并且利用流体连接至MFC设备310阵列的蠕动泵306来精确地控制流速。例如，将MFC设备310的反应器沿着大致相同的平面配置；但是在一些实例中，可将MFC系统300配置成使得进料器箱305被放置在比MFC设备阵列的反应器1大的高度处；反应器1被安置在比反应器2大的高度处，并且诸如此类，使得反应器12具有相对于MFC设备310阵列的其它反应器而言最低的高度。在连续操作模式期间，例如，将原生猪排泄物存储在地下集水槽304(例如，5,700L)中并且从那里经由泵307泵送到进料器箱305中；之后，从进料器箱305对MFC设备310的反应器进行重力进料。在一些实例中，在集水槽304之前配置除砂器单元(未示出)以从原废水在递送至集水槽304之前除去大质量和/或大尺寸颗粒。将通过MFC设备310以生物电化学方式处理的经处理的水丢弃到卫生下水道排泄口324中。

稍后在本公开内容中参照图9A-22B描述用于生猪废水处理的MFC系统300的实例实施的实例结果和讨论。

图4显示在用于将生活废水以高处理速率连续处理的实验实施中使用的模块化MFC系统100(称作MFC系统400)的另一实例实施方式的图。实例模块化MFC系统400包括以水力串联方式三维布置在容器外壳(未示出)内的呈模块化MFC设备410阵列形式的六十二个反应器。阵列的模块化MFC设备410可以包括单反应器111的单反应器单元、包括两个反应器111的双反应器单元、和/或包括三个反应器111的三反应器单元配置。实例MFC系统400，如图4中的图所示，包括双和三反应器设计的二十二个独立式反应器单元(组件)，其组合以提供实例MFC系统400的总计六十二个反应器。例如，反应器单元1包括三个反应器111(“三反应器”)，其直接彼此连接并且包含在单个外壳内以主办(主持，hosting)该三反应器单元；并且反应器单元3包括两个反应器111(“双反应器”)，其直接彼此连接并且包含在单个外壳内以主办该双反应器单元。

模块化MFC设备410阵列在空间上在容器外壳中布置成在某一高度处开始并且使废水流体向下流动通过阵列。该空间布置容许提高容器内模块化MFC设备410的堆积密度。阵列的模块化MFC设备410布置成在反应器单元1处从进料器箱405接收、例如经由重力进料流动而接收经预处理废水，其中流体经历从反应器单元1至反应器单元2至反应器单元3至……至反应器单元22的连续不断的流动。例如，进料器箱405安置在反应器的平面上方以提供例如其中对于系统400而言不需要泵的重力进料流动。而且，例如，进料器箱405中的流体水平(液位)可影响反应器内的液体水平(液位)的控制。

在一些实施方式中，例如，模块化MFC设备410的一个或一些布置在第一竖直平面(例如，第一平面组)中，其将经处理流体输出至模块化MFC设备410的在第二竖直平面中的下一平面组，并且诸如此类。在一些实施方式中，例如，可在模块化MFC设备410的不同平面组之间配置独立的进料器箱。在这样的实施中，针对各平面位面的平面进料器箱可帮助防止压力差和辅助流体在其穿过模块化MFC设备410阵列时的重力流动。

在系统400的实例实施中，通过利用平面进料器箱将废弃物物流重力进料到MFC设备410的反应器中(注意，在该图中仅显示了初始的进料器箱405)。例如，多个竖直位面可作为一个处理列车工作，并且所述两个或更多个位面被串联水力连接；或者所述两个或更多个水平可平行处理废水以提高处理体积。在连续操作模式期间，例如，废弃物溶液可存储在地下集水槽中并且从那里泵送到平衡罐(未示出)中。通过MFC设备410以生物电化学方式处理的经处理的水可被丢弃到卫生下水道排泄口中。

图5A-5E显示根据本技术的单生物电化学反应器(标记为500)的一种实例实施方式的多种视图的图。在图5A-5E中，各四位参考数字的最后三位对应于反应器500的六个侧面之一。例如，5500为侧板之一的参考数字，并且5200为顶板的参考数字。

图5A显示实例单生物电化学反应器500的侧视图5500A。反应器500包括其中反应器侧板5500经由紧固件5525附着的反应器主外壳5000。反应器侧板5500在该侧板中具有开口5520以容许空气与阴极5560进行接触，阴极5560对空气为渗透性的并且放置在朝着反应器500内部的与反应器侧板5500相邻的平面中。反应器500的两侧可包括由导电材料制成并且为空气渗透性的阴极，例如，空气渗透性阴极。反应器500中的液体与阴极、反应器的末端、反应器的底部、与位置固定于反应器内的阳极进行接触，并且可与反应器的顶部进行接触。在反应器500的第一侧面上，第一渗透性阴极5560连接至第一侧面阴极接触头5235；并且在反应器500的第二侧面上，第二渗透性阴极(图5A中未显示)连接至第二侧面阴极接触头。碳阳极单元5230附着至反应器主外壳的顶板5200并且延伸到反应器中，从而与反应器中的液体进行接触。反应器500包括容许气体离开反应器的排气管5250和容许反应器将液体排泄出和/或容许对反应器进行检修、运输、或将反应器从MFC系统除去的排泄阀5645。在一些实例实施方式中，反应器500可按照以5564显示的长度(例如，13.26英寸长)配置，并且反应器可以作为5557显示的高度h1(例如，7.5英寸高)配置。包括排泄阀5645的厚度和排气管5250的长度在内的总高度显示为h2(标记为5555)，其可为24.93英寸。前述维度是作为反应器维度的说明性实例提供的。符合本公开内容的其它反应器可更大或更小。

图5B显示实例单反应器500的顶视图5200A。碳阳极单元5230沿着顶板5200的短轴成排放置。在图5B的实例中，阳极单元5230以交替长度的排放置，其中例如，第一排具有四个阳极单元5230，第二排具有五个阳极单元5230，第三排具有四个阳极单元5230，并且第五排具有四个阳极单元5230。各阳极单元5230具有预定的长度和直径并且阳极单元的长度比直径长。阳极单元具有高的表面积以提高对于反应器中的液体而言阳极暴露的表面积。各阳极单元5230可经由装配件5232附着至顶板5200，装配件5232将阳极单元5230保持在反应器500中的预定高度处，并且其可提供液体密封以防止反应器中的液体泄漏出来。各阳极单元5230是导电的并且物理连接至装配件5232，其中阳极单元5230连接至电线5255，电线5255将所有阳极单元电连接在一起以形成反应器阳极。在一些实例实施方式中，阳极单元5230之间的电连接体(例如，电线5255)可被包围在主反应器外壳5000内部。顶板5200中的孔5260容许插入紧固件5265以将顶板5200附着至反应器主外壳5000。接口5270穿过顶板5200中的孔(未示出)并且附着至排气管5250以容许对反应器主外壳5000的内部进行排气。接口5270可包括容许积聚的气体在接口5270打开时从主外壳5000逃逸的阀。

图5C显示实例单反应器500的端视图5300A。反应器500的端板5302可为反应器主外壳5000的一部分。端板5302具有孔5312以容许流体流入/出反应器。在反应器500的相反末端处的端板也具有另一个孔以容许流体流出/入反应器。可选择孔5312以及在反应器另一端处的孔的尺寸以容许/限制液体的流速至预定流速(可基于反应器500可加工所述液体的速率)。图5C中还显示了排气管5250、排气管接口5270、第一侧面阴极接触头5235、第二侧面阴极接触头5240和排泄口5645。

图5D显示实例单反应器500的立视图5500D。图5D中显示了排气管5250、排气管接口5270、第一侧面阴极接触头5235、第二侧面阴极接触头5240、排泄口5645、紧固件5525和5265、顶板5200、端板5302、侧板5500、侧板开口5520、孔5312、和空气渗透性阴极5560。

图5E显示实例单反应器500的分解图5500E。显示了反应器主外壳5000、顶板5200、排气管5250、第一侧面阴极接触头5235、第二侧面阴极接触头5240、装配件5232、紧固件5265、垫圈(washer)5266、和阳极单元5230。还显示了用于将顶板5200密封至反应器主外壳5000以防止反应器内部的液体在顶板5200和反应器外壳之间泄漏的垫片(gasket)材料5242。图5E中还显示了侧板5500、侧板开口5520、紧固件5525、垫圈5526、插件5527、垫片材料5582，以及两个空气渗透性阴极5560之一。还显示了具有孔5312和5412以及排泄口5645的端板5300和5400。

在一些实例实施方式中，反应器的维度包括7.5英寸的高度(例如，参见图5A上的5557)、13.26英寸的长度(例如，参见图5A上的5564)、和8.59英寸的宽度(例如，参见图5B上的5262)。也可制造其它尺寸的单反应器实施方式。

在多种实施方式中，单反应器性能可至少部分地取决于反应器的维度。例如，明显更大或更小的反应器可没有具有以上给出的大致维度的反应器表现得好。太宽的反应器宽度(例如，以宽度维度5262计)将使在反应器中间的阴极和阳极单元之间的间隔增加，从而引入高的内阻并且降低从阳极单元至阴极的质子通量。例如，高的内阻和降低的质子通量将使反应器的产生电流和COD除去效率降低。太长的反应器长度(例如，以长度维度5564计)可引入正被处理的流体的不同或者不均匀流型，这可在反应器芯中导致降低的流动动力学。例如，更长反应器中的流体流动通常更慢并且更不均匀，从而在反应器中引入缺乏恰当的流动动力学的区。更慢且不均匀的液体流体还使反应器的电流回收率和除去率降低。特别地，更小的反应器宽度可能容许氧气侵入到阳极单元周围，这妨碍细菌活性。此外，更小的反应器处理更小的体积。

因此，实例单反应器500包括在至少两侧包围阳极单元的分隔开的阴极(例如，空气渗透性阴极板)的空间配置，其优化(i)阳极和阴极之间的间隔(例如，距离)以促进高效的微生物催化的氧化还原反应，(ii)成分进入和扩散(例如，氧气)到反应器中和内的能力，和(iii)反应器部件的模块性以易于进行改进，例如，以便容许客户针对不同的应用而对反应器进行定制和/或以便容许修复。

实例单反应器500包括1.54的长度对宽度纵横比。在一些实施方式中，模块化MFC设备的长度对宽度纵横比可在～1.1至～2.0的范围内。实例单反应器500包括1.77的长度对高度纵横比和1.15的宽度对高度纵横比。在一些实施方式中，模块化MFC设备的长度对高度纵横比可在～1.3至～2.3的范围内；和/或模块化MFC设备的宽度对高度纵横比可在～0.8至～1.5的范围内。

图6A显示描绘单生物电化学反应器(标记为600)的一种实例实施方式的多种视图的图。反应器主外壳1100可使用注射模塑或其它模塑工艺生产。侧板1520和1120也可使用注射模塑或其它注射工艺生产。侧板1520和1120可经由紧固件1525例如螺钉或其它类型紧固件附着至反应器主外壳1100。垫片1582和空气渗透性阴极1560可放置在各侧板和反应器主外壳1100之间。垫片1582可被紧固件1525压缩以密封主外壳和侧板以放置流体从反应器内部泄漏出。反应器的各侧面上的空气渗透性阴极电连接至阴极接触头1235和1240。反应器顶部处的排气管1250容许气体从反应器排出并且排气管可包括阀以打开/关闭排气管。排泄口1645容许将反应器排泄。反应器主外壳1100在各个末端处具有孔1310/1610，一个用于流体输入并且一个用于输出。一些实例实施方式可具有320.6毫米(mm)的长度L(标记为1564)、222.6mm的宽度W(标记为1262)、和231mm的高度H(标记为1555)(不包括延长的排气管)。也可制造其它尺寸的单反应器600。

单反应器600的实例外壳结构被具体设计成通过其中一个反应器外壳1100使用一个模具生产的注射模塑制造工艺进行成本划算的生产。主外壳1100包括第一板1101和第二板1102，这显著地减少了所需要的制造步骤和材料的量，例如，消除了单反应器500的一些部件例如顶板5200、紧固件5265、垫圈5266和垫片材料5242以及它们的组装过程的需要。例如，主外壳和阳极板可作为反应器600中的一个主体的一部分制造，其是使用单个模具生产的。单反应器600的主外壳1100可包括特定特征，在一些实施方式中，例如在外壳1100的侧面上的三角形肋和沿着外壳1100的短侧面的矩形肋，这可提供外壳1100的物理稳定性和刚性。特别地，图6A中显示的实例侧板1520和1120是相同的并且也可通过使用一个模具的注射模塑而制造。侧板1520和1120，类似于主外壳主体1100，可被制造成具有肋以增强稳定性和刚性。

图6B显示来自实例单反应器600的阳极和阴极的多种视图的实例。反应器600可包括阴极1560，其在该实例中为空气渗透性阴极。在一些实例中，空气渗透性阴极1560包括具有气体扩散层的碳或其它导电织物材料。在一些实施方式中，阴极1560包括被压制在金属或碳集流体上的碳粉末。在一些实施方式中，阴极1560可包括具有空气渗透性膜以容许空气渗透性的阴极。在一些实施方式中，阴极1560可包括为了空气渗透性和液体阻挡性而浸渍有聚合物的阴极。例如，在一些实施方式中，空气渗透性阴极1560可配置成具有279.6mm的第一维度和190mm的第二维度。实例空气渗透性阴极是导电性的并且容许空气穿过阴极，同时不容许液体穿过阴极。这容许空气到达反应器内部的流体，同时将流体保持在反应器600中。

图6B中还显示了反应器600的阳极板1200，其与阳极单元1230集成。阳极单元可经由在阳极板1200上方或下方的电线电连接在一起并且可不需要阳极装配件。阳极板1200可包括经由铰链1204附着至阳极板1200的可折叠侧面1202。可折叠侧面1202可能够被向下折叠至大致平行于阳极单元1230的位置，其可用作阴极1560的支持体和/或促进组装过程。阳极板1200可具有与排气管1250对准以容许排气的孔。

图6C显示对于实例单反应器600将阳极组件安装到外壳中的实例。阳极组件包括可电连接在一起的阳极单元1230，并且具有(显示为展开的)可折叠侧面1202A/B的阳极板1200配置成滑动到反应器主外壳1100中。阳极板1200可在主反应器外壳1200的各侧面的内部边缘附近的肋1205上滑动。肋1205可被模塑为反应器主外壳1100的一部分。第一可折叠侧面1205A可沿着通过反应器主外壳1100的肋1205滑动至远侧，其中阳极组件在反应器主外壳中居中。一旦可折叠侧面1202A滑过，两个可折叠侧面1202A和1202B均可被向下折叠至平行于阳极单元的位置。

图6D显示对于实例单反应器600将阳极组件安装在主反应器外壳中的实例。如以上结合图6C所描述的，可将阳极板1200在可折叠侧面1202A/B展开情况下滑动到反应器主外壳1100中，然后可折叠侧面向下折叠。可折叠侧面包括停止肋1207以防止可折叠侧面旋转而超出垂直范围之外并且进入到主反应器外壳中。

图6E显示阳极组件就位的实例单反应器600的横截面图的实例。在该标记为1601的视图中标记了横截面图T-T、F-F、和R-R。

图7A显示实例双生物电化学反应器700的侧视图7500A。双反应器700的一些特征类似于单反应器500的一些特征，其可通过所述特征的四位参考数字中的最后三个数字而识别。双生物电化学反应器700包括双反应器主外壳1700，其具有被第一生物电化学反应器1704和第二生物电化学反应器1706所共用的单个壁1702。除了该共用的壁之外，反应器1704和1706均类似于结合图5A-5E描述的单反应器500。共用的壁1702具有单个开口用于一个反应器的输出和向另一反应器的输入。第一反应器1704和第二反应器1706各自包括排气管7250、排泄口7645、阳极装配件7232、阳极单元7230(未示出)、侧板7500、紧固件7525、开口7520、和空气渗透性阴极7560、以及图7A-7E中描述的其它特征。

图7B显示实例双反应器700的顶视图7200B。该双反应器的顶部包括排气管接口7270、装配件7232、电线7255、和紧固件7265。该双反应器的顶板1710可为覆盖两个反应器1704和1706的顶部的单个板。

图7C显示实例双反应器700的端视图7300A。图7C中的端视图类似于关于单反应器500的图5C中的端视图。对于双反应器700，流体输入孔1715容许流体进入到第一反应器1704中。第一反应器1704和第二反应器1706各自包括排气管7250、排泄口7645、装配件7232、阳极单元7230、侧板7500、紧固件7525，如稍后在图7E中显示的。图7C中两个反应器1704和1706的排气管7250、装配件7232、阴极接触头7235和7240、排泄口7645和紧固件7525重叠，使得该反应器的最深入到该页中的元件是不可见的。

图7D描绘双反应器的立视图。显示了以上在图7A-7C和5A-5E中描述的特征的许多。

图7D显示实例双反应器700的立视图7500D。图7D中显示了排气管(一个或多个)7250。在图7A-7E之中还显示的包括排气管接口7270、第一侧面阴极接触头(一个或多个)7235/7235A、第二侧面阴极接触头(一个或多个)7240/7240、排泄口7645、紧固件7525和7265、顶板7200、端板7302、侧板(一个或多个)7500、侧板开口7520、孔1715、和空气渗透性阴极(一个或多个)7560。

图7E显示实例双反应器700的分解图7500E。显示了反应器主外壳1700、顶板1710、排气管7250、第一侧面阴极接触头7235和7235A、第二侧面阴极接触头7240和7240A、装配件7232、紧固件7265、垫圈7266、和碳阳极单元7230。还显示了用于将顶板1710密封至反应器主外壳1700以防止反应器内部的液体在顶板1710和反应器外壳之间泄漏的垫片材料7242。图7E中还显示了侧板7500、侧板开口7520、紧固件7525、垫圈7526、插件7527、垫片材料7582、和空气渗透性阴极7560、以及在反应器1704和1706之间的具有开口的单个壁1702。端板具有孔1710。

在一些实例实施方式中，双反应器的维度为7.5英寸高度(从顶板至底板)和24.93英寸高(包括排气管的长度)，乘以25.62英寸长、和乘以8.59英寸宽。也可制造其它尺寸的双反应器。反应器性能可至少部分地取决于反应器的维度，其中明显更大或更小的反应器可没有具有以上给出的大致维度的反应器表现得好。在一些实例实施方式中，阳极单元和电连接体可包围在主反应器外壳的内部。

实例双反应器700包括2.98的长度对宽度纵横比。在一些实施方式中，具有双反应器配置的模块化MFC设备的长度对宽度纵横比可在～2.1至～3.9的范围内。实例双反应器700包括3.42的长度对高度纵横比和1.15的宽度对高度纵横比。在一些实施方式中，具有双反应器配置的模块化MFC设备的长度对高度纵横比可在～2.4至～4.4的范围内；和/或具有双反应器配置的模块化MFC设备的宽度对高度纵横比可在～0.8至～1.5的范围内。

图8A显示实例三生物电化学反应器800的侧视图8500A。三反应器800的一些特征类似于单反应器500和/或双反应器700的一些特征，其可通过特征的四位参考数字的最后三位数字识别。三生物电化学反应器800包括三反应器主外壳1800，其可配置成具有被第一生物电化学反应器1804、第二生物电化学反应器1806、和三生物电化学反应器1808共用的单个壁。在图8A-8E中显示的实例中，三反应器主外壳1800具有被第一反应器1804和第二反应器1806共用的第一壁1802，被第二反应器1806在与1802相反的末端处和第三反应器1808共用的第二壁1803。除了共用的壁之外，反应器1804、1806和1808类似于结合图5A-5E描述的单反应器500。共用的壁1802具有从反应器1804的输出至反应器1806的输入的单个开口并且共用的壁1803具有从反应器1806的输出至反应器1808的输入的单个开口。第一反应器1804、第二反应器1806、和第三反应器1808各自包括排气管8250、排泄口8565、阳极装配件8232、阳极单元8230(未示出)、侧板8500、紧固件8525、开口8520、和空气渗透性阴极8560、以及图8A-8E中描述的其它特征。

图8B显示实例三反应器800的顶视图8200B。该三反应器的顶部类似于单和双反应器的顶部，如以上描述的，其包括排气管接口8270、配件8232、电线8255、和紧固件8265。该三反应器的顶板1810可为覆盖全部三个反应器1804、1806、和1808的顶部的单个板。

图8C显示对于实例单反应器800将阳极组件安装到外壳中的实例。图8C中的端视图类似于图7C和图5C中显示的端视图。流体输入孔1815容许流体进入到第一反应器1804中。第一反应器1804、第二反应器1806、和第三反应器1808各自包括排气管8250、排泄口8645、装配件8232、阳极单元8230、侧板8500、紧固件8525。图8C中三个反应器1804、1806、和1808的排气管8250、装配件8232、阴极接触头8235和8240、排泄口8645和紧固件8525重叠，并且因此第二和第三反应器的最深入入到该页中的这些元件是不可见的。

图8D显示实例三反应器800的立视图8500D。图8D中显示了排气管(一个或多个)8250。

图8E显示实例三反应器800的分解图8500E。显示了反应器主外壳1800，顶板1810，排气管8250，第一侧面阴极接触头8235、8235A、和8235B，第二侧面阴极接触头8240、8240A、和8240B，装配件8232，紧固件8265，垫圈8266，和碳阳极单元8230。还显示了用于将顶板1810密封至反应器主外壳1800以防止反应器内部的液体在顶板1810和反应器外壳之间泄漏的垫片材料8242。图8E中还显示了侧板8500、侧板开口8520、紧固件8525、垫圈8526、插件8527、垫片材料8582、和空气渗透性阴极8560、在反应器1804和1806之间的具有开口的壁1802、以及在反应器1806和1808之间具有开口的壁1803。端板具有孔1815。

在一些实例实施方式中，反应器的维度为7.5英寸高度(从顶板至底板)和24.93英寸高(包括排气管的长度)，乘以37.98英寸长、和乘以8.59英寸宽。也可制造其它尺寸的三反应器。反应器性能可至少部分地取决于反应器的维度，其中明显更大或更小的反应器可没有具有以上给出的大致维度的反应器表现得好。在一些实例实施方式中，阳极单元和电连接体可包围在主反应器外壳的内部。

实例三反应器800包括4.42的长度对宽度纵横比。在一些实施方式中，具有双反应器配置的模块化MFC设备的长度对宽度纵横比可在～3.1至～5.7的范围内。实例三反应器800包括5.06的长度对高度纵横比和1.15的宽度对高度纵横比。在一些实施方式中，具有三反应器配置的模块化MFC设备的长度对高度纵横比可在～3.5至～6.6的范围内；和/或具有三反应器配置的模块化MFC设备的宽度对高度纵横比可在～0.8至～1.5的范围内。

用于生猪废水处理的MFC系统300的实例实施

对于实验，将模块化MFC系统300的实例安装在接近于小型养猪场的外部以接收生猪废水，并且包括遮蔽结构和监控系统以遮蔽和研究关于该系统的反应器的温度和湿度的环境变量。在该实验实施中，系统300通过混合如下而培菌：2.9L生猪排泄物原料溶液(例如，53,000mg/L化学需氧量(COD))；0.5L泻湖沉积物和30mM碳酸盐缓冲剂，pH 7.5。

表1显示生猪废水的化学组成。在表1中，COD(T)和COD(S)分别表示总化学需氧量和可溶性化学需氧量。

表1：系统培菌时生猪废水的化学组成。

参数	浓度
		pH	7.8
COD(T)，mg/L	298
		COD(S)，mg/L	133
NO<sub>3</sub><sup>-</sup>-N，mg/L	7
		NO<sub>2</sub><sup>-</sup>-N，mg/L	未检测到
NH<sub>4</sub><sup>+</sup>-N，mg/L	4.3
		SO<sub>4</sub><sup>2-</sup>，mg/L	未检测到
总悬浮固体(TSS)，mg/L	530
		电导率，mS/cm	62.7
浊度，NTU	435

对于该实验实施，生猪排泄物原料溶液是由从位于Escondido,CA的学校处/附近的小型养猪场收集的猪粪便制备的。将猪粪便与自来水混合并且共混以将固体废弃物研磨成较小颗粒。然后将该生猪排泄物悬浮液通过不锈钢筛网筛分。然后将该浓的生猪排泄物溶液(例如，50,000-80,000mg/L COD)在间歇模式期间添加至进料器箱并且在连续模式期间添加至集水槽。通过实例模块化MFC系统300的生猪废水处理的实验实施进行超过200天。

对于最初的30天，将系统以间歇模式操作，并且将溶液以1.9L/min的流速再循环通过进料器箱和反应器。在最初的14天操作期间的COD水平通过日常添加生猪排泄物原料溶液至进料器箱而保持为1000mg/L。接下来的两个星期，每星期一次将生猪排泄物溶液引入到系统300中。

在30天之后，将操作从间歇切换至连续流模式。将集水槽用生猪排泄物溶液(COD(T)～1000mg/L)和30mM碳酸盐缓冲剂(pH 7.5)填充并且经由空化泵从集水槽送至进料器箱，然后经由重力和蠕动流动控制而通过反应器，并且丢弃到卫生下水道排泄口中。流速为0.38L/min。

对各反应器独立地进行电监测。MFC设备310的各反应器的阳极和阴极通过电阻器连接，所述电阻器大小在30天操作期内逐渐地从47,000Ω降低至47Ω。

以下讨论通过MFC设备310阵列的反应器实施的生物电化学处理工艺的电化学表征。使用数据记录仪以10min间隔监测跨越各反应器的外部电阻器的电压(V)。将反应器定期断开以测量电极的开路电势(OCP)，进行极化曲线、循环伏安法(CV)测量或电化学阻抗谱法(EIS)。极化曲线是通过将外部电阻以5min间隔从开路改变为3Ω而进行的。在应用各电阻器的情况下测量反应器的电压以及电极电势。电流(I)和功率(P)是使用欧姆定律(I＝V/R和P＝V*I)计算的。阳极和阴极的电势是相对于Ag/AgCl参比电极测量的。体积系统电流和功率密度是通过将电流和功率相对于全部反应器的总容积(0.09m³)标准化而计算的。

各个单独反应器的电流和功率密度是作为相对于阴极几何表面积(0.0734m²)标准化的反应器的电流而计算的。阳极的循环伏安法测量是通过使用Potentiostat/Galvanostat Gamry 300而进行的。电势以1mV/s从-0.6扫描至0.4V(相对于Ag/AgCl)，其中使用阳极作为工作电极并且使用阴极作为对电极。在OCP下，在施加5mV AC电压的情况下从100,000Hz至0.1Hz进行反应器的阳极和阴极的EIS。

以下讨论与通过MFC设备310阵列的反应器实施的生物电化学处理工艺有关的化学分析。使用Hach DR850和DR900仪器和相关方法定期分析流入物和流出物样品的化学需氧量(COD)、硫酸根、硝酸根、和亚硝酸根。使用EPA方法160.2对总悬浮固体(TSS)进行量化。通过装备有pH、DO、和铵探针的Hach HQ40d便携式仪表现场定期测量溶解氧(DO)、pH、和铵。

COD除去如下计算：

COD除去(mg/L)＝COD_流入物-COD_除去物

并且COD除去效率(％)使用以下方程计算：

以类似的方式，确定TSS除去：

TSS除去(mg/L)＝TSS_流入物-TSS_流出物

连续操作模式期间的TSS负载(g/d TSS)如下计算：

TSS负载(g/d)＝TSS_流入物(g/L)*流量(L/d)

所产生生物质的量是基于在系统管道的定期维护(考虑到所述维护每周进行)期间抽出的溶液的TSS(TSS_溶液)计算的：

其中V_溶液为在维护期间抽出的溶液的体积。

以下讨论与通过MFC设备310阵列的反应器实施的生物电化学处理工艺有关的微生物组成分析。在实验期间在多个时间点收集流出物样品。此外，在培菌之前，从泻湖沉积物、生猪排泄物溶液和混合培菌液收集样品。还从在140天操作之后停运的反应器6的阳极和阴极收集样品。使用

DNA Isolation Kit(MO Bio,Carlsbad CA,P/N24000-50)根据制造商说明书，在进行一些较小改动的情况下从各样品提取基因组DNA。接着，使用PCR以使用引物357F(5’-CCTACGGGAGGCAGCAG-3’)和926R(5’-CCGTCAATTCMTTTRAGT-3’)以及标准Illumina接头(adapters)获得16S rRNA基因座的库。使用Illumina Miseq 2X150bp双端技术对扩增子库进行测序。使用QIIME 1.0对原始测序数据(raw reads)进行品质过滤和分析以鉴别和除去嵌合序列并且进行系统分类。

在系统300的实施的表征中使用扫描电子显微镜法(SEM)成像。在MFC6停运期间，收集阳极和阴极的小分段并且立即将其浸没于在1M PBS缓冲剂中的2.5％戊二醛中并且在4℃存储。在SEM成像之前，将样品在0％、10％、25％、50％、75％和100％乙醇中洗涤并且脱水，视需要用PBS溶液稀释。然后将样品用临界点干燥器干燥并且溅射上铱层。将经涂覆的样品用SEM(FEI XL30 SFEG)在3kV下检查。

主成分分析(PCA)是用于分析数据集以找到样式(patterns)的统计工具。PCA将样品和变量之间的相关性和反相关性可视化。其产生不相关的成分，称为主成分。第一主成分(F1)具有最大的可能变化，并且与第一正交的第二具有最大的可能惯性(F2)。将XLSTAT(Addinsoft)中的PCA应用于从反应器6的停运起收集的样品的数据集。

使用XLSTAT进行典范对应分析(CCA)以描述群落组成和环境因素之间的相关性。CCA为可将关键环境变量和相关物种(种系型)组成之间的相关性可视化的对比评价工具。

以下描述系统300的实验实施的实例结果。

针对电化学性能和表征、以及COD除去率的实例结果

在培菌之后，将各反应器通过47,000Ω电阻器连接。反应器的即时响应为～0.1V的电压，其最有可能是由于生猪废水中积聚的电化学活性的化合物或者细菌中存储的电荷引起的。在初始放电和下降之后，各反应器的电压逐渐增加至第2天的～0.3V至第6天的0.6V。系统300的启动时间短(例如，小于24小时)。还可看到在所述昼夜循环之后所产生电压的波动。

在富集阶段期间，将系统在间歇模式下在每日进料的情况下操作以保持相对恒定水平的COD(例如，～1000mg/L)。实验实施的该阶段的一个实例目标是开发在阳极表面处鲁棒且功能上选择性的微生物群落，以制备让连续流通过的系统300。因此，为了提供让细菌lg生长和生物膜发展的足够能量，反应器初始地通过47,000Ω的高电阻器连接，在第二个星期期间将其切换至4,700Ω。基于电池极化测量结果选择接下来的330Ω和47Ω的电阻器，其中最高效的电阻器是与略低于来自该极化曲线的最大功率的功率对应者。在第二个星期之后，向电极施加过电势以对于电活性细菌提供选择性压力。然而，应用47Ω的电阻器导致阴极电势的快速降低并且使系统在间歇模式结束时返回至330Ω，并且在连续模式期间在该电阻器下保持。

图9A和9B显示描绘当相对于阴极表面积(图9A)和反应器容积(图9B)标准化时各个单独反应器的电流密度的数据图。

使用所产生电流作为各反应器的性能的指标(图9A和9B)。反应器展现了类似的电化学性能。例如，第100天时的平均流密度为14.9±1.4mA/m²(186±10mA/m³)，相对标准偏差(RSD)为5％，表明非常良好的再现性和相同的反应器性能。未观察到沿着反应器系列电流升高或降低的趋势。

在47Ω电阻器下实现了103±7mA/m²(1011±73mA/m³)的最大平均电流密度，并且其对应于37±5mW/m²(362±52mW/m³)。例如，此处所涉及反应器的该较低的电化学特性可能是由于明显较低的COD负载。

图10显示描绘实例MFC系统300的反应器5的阳极和阴极的开路电势(OCP)测量结果的数据图。还定期监测独立电极的OCP。图10显示作为代表性反应器的反应器5的阳极(例如，作为单阳极系统操作的20个阳极单元)、以及左和右阴极的OCP。如可在该数据图中看到的，阳极在35天内逐渐显现出稳定的电化学电势，其对于余下的操作保持恒定。同时，两个阴极的OCP对于左和右阴极分别从183±6mV和182±7mV降低至-33±40mV和-22±17mV。

例如，阴极电势的急剧降低有可能是由于在47Ω下更高的极化引起的，虽然系统在该点处显示出最高的能量回收。因此，将电阻切换回330Ω并且对于余下的研究保持该值。延长阴极操作是非常重要的，因为在大多数迄今所报道的长期研究中，阴极是随着时间流逝而失效并且需要修复或者更换的电极。而且，使用系统300的实验研究的一个实例目标是有机物除去和废水处理，而不是使能量收获最大化。因此，对于实例实施而言，将系统300以次优能量产生条件操作是可接受的。

图11A和11B显示描绘在间歇操作模式期间反应器5的极化和功率曲线(图11A)以及阴极和阳极的极化曲线(图11B)的数据图。反应器的电化学性能在间歇模式期间由于逐渐的阳极发展而提高(图11A和11B)。从第14天至第30天最大功率从18增加至105mW/m²(133至1067mW/m³)，其伴随着所产生电流从第14天的79mA/m²(800mA/m³)到第30天的533mA/m²(5,200mA/m³)的6.5倍提升。虽然在间歇模式期间阳极的OCP未显著变化(-533±6mV，相对于Ag/AgCl)，但是生电性群落参与到与阳极表面的电荷转移的能力急剧提高。

从第14天至第23天的阴极电势降低最有可能是由于在阴极表面处生物膜的发展引起的。还值得注意的是，在间歇操作模式期间反应器的总体电化学输出由阳极性能决定。

图12A-12D显示描绘在连续模式期间实例MFC系统300的反应器5的极化(图12A、12C)和功率曲线(图12B)以及随着时间流逝的最大功率发展(图12D)的数据图。当系统300在连续流下操作时观察到不同行为。在连续模式期间，反应器从第30天一直到第150天显示出在339-379mA/m²(3333-4000mA/m³)下在84-105mW/m²(800-933mW/m³)范围内的功率输出，此时COD负载降低至500-600mg/L COD(T)。由于较低的有机物含量，电化学输出降低至在大约273mA/m²(2667mA/m³)下53-64mW/m²(533-667mW/m³)的功率。

该研究的米氏常数为1,510mg/L COD(T)，其一直到第150天都高于COD负载，并且在该研究中在第150天之后为COD负载的三倍高。因此，可随着降低的COD负载而预期MFC的电化学输出的降低。

在150天之后，由于降低的电极性能，由于降低的电极性能而记录了电流不断且轻微的衰减，如从(例如，图12C中显示的)反应器5的阳极和阴极的极化曲线看到的。随着时间流逝，阳极电势变得不太负，但是阳极仍然具有稳定的极化。阴极遭受比阳极高的电势损失并且通常支配所产生的电流。

图12D显示实例系统300的反应器5的最大功率，其是通过电池极化和功率曲线确定的。在间歇模式期间，反应器的最大功率由于未发展的阳极而是低的。在其达到第30天之后，最大功率一直到第142天都停留在约92±8mW/m²(905±78mW/m³)，之后其最终降低至第198天测量的53mW/m²(519mW/m³)。通常，在较高的COD负载率下记录了较高的P_最大，其是由于电流和功率提取自有机材料的氧化而预期的。

从极化曲线的斜率确定的反应器的内阻在第14天时为100Ω，在第23天时为22Ω并且从第30天至第200天停留在10Ω(例如，图12D中显示的)。因此，反应器的电化学性能未受反应器内阻的变化或增加的影响。反应器中和电极表面处生物质的积聚未导致R_内的增加，这表明在操作期间期间在两个电极处的反应速率未变化。

降低的阴极输出最有可能是由于生物膜形成或者盐积聚而引起的降低的通过阴极的氧气扩散的结果。在我们的研究中，未观察到阴极操作的显著下降(图12C)，虽然在阴极表面上逐渐形成厚的生物膜。特别地，在碱性pH下可发生在面对溶液的阴极表面上形成鸟粪石沉积物，其被假定为由于作为氧还原的副产物产生的氢氧化物而发生在阴极表面附近。特别地，在该研究中未目视观察到沉淀物形成。

图13显示描绘实例系统300的反应器在不同时间间隔下的EIS的数据图。使用阳极的EIS来评价在阳极处的电荷转移电阻(阻力)(图13)。起始阳极电荷转移电阻为0.1Ω并且逐渐增加至在第205天的1.2Ω。在初始阶段时和在第205天时的电荷转移电阻非常低，这表明高度活跃且快速的细菌-电极相互作用，例如，快速的细胞外电子转移。

由于溶液降低的电导率，溶液电阻也从1.2Ω略微增加至9.4Ω。在第150天之后不再对溶液进行缓冲，并且在第110天之后COD负载从1000mg/L降低至500mg/L。此外，生物质积聚在反应器中，这也导致降低的电导率和提高的欧姆电阻。

废水组成的化学分析的实例结果

定期取得用于实例MFC系统300的流入物和流出物的化学分析的样品以评价作为主要参数的COD除去率，以及确定系统除去含氮和硫的无机污染物的能力。

图14A和14B显示描绘随着时间流逝，实验实施的流入物、流出物和COD除去的COD浓度(图14A)和COD处理速率(图14B)的数据图。在最初的110天期间，MFC系统300的流入物的目标COD为1000mg/L，之后其降低至大约500mg/L。图14A和14B显示，当COD负载较高时，在连续模式的初始阶段期间观察到平均较高的即时COD除去(以mg/L计)。系统的有机物除去率在1-5kg/m³的范围内变化。

COD除去率常数基于一级速率常数的假设而确定为：k(h^-1)＝-ln(COD_流入物/COD_流出物)/HRT，其中COD_流入物为流入物COD，COD_流出物为流出物COD并且HRT为4小时。在COD_流入物～1000mg/L时COD除去率常数为0.112±0.07h^-1，并且在COD_流入物～500mg/L时，k＝0.135±0.07h^-1。在这两种COD负载下的速率常数在P＝0.01下没有显著不同，这表明该研究中的COD除去遵循一级反应速率，并且COD除去的速率取决于流入物COD的浓度。

在第95天观察到≈5.0kg COD/m³/天的最大COD处理速率，其中COD负载为2200mg/L。在第102天看到最大COD除去效率(65％)。当系统在间歇模式下时在富集期间记录下最低COD除去。

图15显示描绘在系统连续操作模式期间的COD除去效率(％)的数据图。COD除去效率平均起来在越低COD负载下越高，并且当COD负载降低时更一致和稳定。在该实例实施中，在连续模式和4h的HRT下关注36±15％COD除去效率(如图15中显示)，并且在操作过程中在反应器中未观察到显著的固体沉积。在不同的操作时间点，通过实例MFC系统300实现的最高COD除去效率为65％。

用于气味除去的MFC在间歇模式下展现出84％COD除去达260h。保持在开路下的对照MFC由于厌氧发酵而已经显示出53％COD除去。因此，可假定，由于作为生物电化学系统的MFC的操作而引起的COD除去仅为所观察到的总体除去的31％，其与该实例研究中的平均除去率相当。

该研究中的实例MFC系统300与先前研究的常规系统相比具有明显更高的工作容积和更快的流速，这对于实际废水处理是重要的。例如，该实例实施中的MFC系统300的COD除去效率为在连续模式下运行的MFC中最高者之一；该研究中的MFC系统300的(每平方cm的)电流和功率密度与其它研究相当；并且该研究中观察到的净能量回收(NER)明显高于其它系统。在330Ω和连续操作模式下MFC系统300的标准化能量回收(NER)为0.11kWh/kgCOD，其高于从甲烷回收能量的厌氧消化处理厂的NER。由于在间歇模式期间更低的COD除去率，NER计算为0.22kWh/kg COD，并且库伦效率(CE)为27％。平均起来，在连续模式下MFC系统300的CE估计为7％。

氮和硫是废水中的主要污染物并且它们的除去也是可持续废水处理技术的关键参数。可通过生物硝化和脱硝步骤从废水除去氮。硝化涉及在氧气和硝化细菌的参与下铵氧化为硝酸根。硝酸根可进一步被还原为亚硝酸根并且最终被还原为氮气。脱硝过程所必需的电子可由有机材料的氧化提供。

脱硝(方案1)可例如在溶液中或者通过利用在阳极处捕获并且转移至阴极的电极而进行，在阴极处将出现硝酸根还原(E^o` _NO3/NO2＝+433mV，相对于SHE，E^o` _NO2/NO＝+350mV，相对于SHE，E^o` _NO3/N2＝+700mV，相对于SHE)。在MFC中，例如，可典型地在阴极表面处经由如下而发生脱硝反应：(i)从阴极至微生物体的直接电子转移，或者(ii)中间产生H₂，其进一步被细菌用作电子给体而用于硝酸根还原。与脱硝反应竞争的反应是异化硝酸根还原为铵(DNRA)(方案1)。

方案1：脱硝和DNRA途径

图16A-16C显示描绘在连续模式期间系统的流入物(入)和流出物(出)中的NO₃ ^--N(图16A)、NO₂ ^--N(图16B)和NH₄ ⁺-N(图16C)的浓度的数据图。注：*-流入物和流出物中的浓度为零。

MFC中硝酸根转化的两种可能过程为脱硝为氮气或DNR。由于MFC反应器中的厌氧条件，铵的硝化未进行，因此其积聚在流出物中。后一过程是在实例系统300的实施的一些中看到的过程。因此，DNRA为MFC系统300中的硝酸根除去的实例主要途径(例如，图16A-16C中显示的实例结果)。当在流入物中存在硝酸根时，其被快速地还原为铵。在连续模式下硝酸根除去效率为60-100％(例如，图16A)。亚硝酸根通常不存在于生猪废水中或者在处理过程期间其不是以可测量量产生的(例如，图16B)。

在样品中，当废水穿过反应器时铵的浓度增加。观察到铵含量增加至平均30-40％，并且记录了最高达90％(例如，图16C)。后者是例如DNRA的清楚指示。在异养硝酸根还原期间，在高C/N比率的溶液中由于高的有机物含量(其转变为高电子给体含量)可发生DNRA。

实例MFC系统300为具有高C/N比率的生物电化学系统，因此DNRA的两种机理，异养和自养，均可进行并且导致铵的产生。在实例实施中，实例系统300的C/N比率(作为COD/NO₃ ^--N计算)确定为在28-380的范围内。来自阴极群的微生物组成分析的实例结果显示存在红环菌目(Rhodocyclales)，其已知为需氧、脱硝细菌(图20)。还在阴极表面处以小的丰度(例如，<0.5％)发现可爱地杆菌属(Geobacter lovleyi)并且其已经被鉴别为能够DNRA的物种。作为反应器中的中性pH的结果，铵未转变成氨并且积聚在流出物中。

应注意，不存在针对铵浓度的EPA法规；然而，味觉和嗅觉界限分别在35mg-N/L至0.2mg-N/L的范围内。硝酸根和亚硝酸根水品质界限分别为10mg-N/L和1mg-N/L。实例MFC系统300显示铵除去以及硝酸根和亚硝酸根浓度的降低，这提供可满足和超出这些阈值的经处理的水。

生猪排泄物不是特征在于具有高的硫酸根含量。在浓的生猪排泄物溶液中测得的硫酸根的最高量为250mg/L并且大多数时间检测不到硫酸根。实例MFC系统300中展现了最高达70％的硫酸根除去(例如，示于图17中)。

图17显示描绘在连续模式期间系统300的流入物(入)和流出物(出)中的硫酸根浓度的数据图。注：*-流入物和流出物中的硫酸根的浓度为零。硫酸根被还原为硫根，并且硫根水平未超过6mg/L。硫酸根被作为二级污染物管控，并且最大污染水平为250mg/L。在操作过程中来自MFC的流入物和流出物未超过该值。

常规需氧废水处理技术的主要缺点之一是生物质的显著产生，这需要另外的污泥管理。对于生猪废水，例如，总悬浮固体(TSS)的水平高于生活废水并且相对于生活废弃物物流的小于100mg-TSS/L，范围为400-500mg-TSS/。对于4小时的HRT，TSS量降低50-80％，并且产生初始TSS负载的小于0.12％的生物质。估计，270±32g/d的TSS引入到系统中，并且1.7g/d在反应器中作为生物质积聚。

双室MFC的忧虑之一是质子在阳极室中积聚，从而导致pH变成酸性的，并且在阴极室中质子贫化并且氢氧根积聚，这导致碱性环境。在单室MFC中，通常观察不到该问题，但是即使在该实例设计中，也仍然将MFC的溶液缓冲一段时间。使用33mM碳酸盐缓冲剂来保持恒定且接近于中性的pH(例如，示于图18中)。然而，在第150天之后，未对生猪废水进行缓冲，但是pH仍然保持相对恒定。还不断地监测流入物的DO以确保厌氧条件并且所测量的DO一致地在探针的检测极限以下。

图18显示描绘随着时间流逝的pH和DO廓线的数据图。

微生物组成分析的实例结果

在实验实施中通过16S rRNA序列分析来监测和评价实例MFC系统300的微生物组成和动力学。调查在间歇和连续操作模式期间的培菌液来源和系统流出物，以及单反应器的阳极和阴极相关群。

图19显示使用16S rRNA序列描绘实例MFC系统流出物的微生物群落廓线的图。在系统培菌时收集来自泻湖沉积物、生猪排泄物原料溶液和混合培菌液的样品(图19)。如看到的，培菌液中的微生物群主要由生猪排泄物原料溶液的微生物多样性和相对丰度决定。在培菌液和系统溶液中在第0天时观察到来自拟杆菌目(Bacteroidales)和梭菌目(Clostridiales)的发酵细菌的高的相对丰度。这两种目占据群落的几乎80％。然而，在第4天之后，拟杆菌目和梭菌目的相对丰度分别降低至总群落群的大约20％和15％，其贯穿136天的操作在流出物中保持相对稳定。

虽然在培菌液中不存在可检测量的除硫单胞菌目(Desulfuromonadales)，但是在第58天开始它们在系统溶液中变成相对丰富的群。溶液中观察到的大多数除硫单胞菌目细菌来自地杆菌属并且所鉴别的物种与可爱地杆菌属有关。可爱地杆菌属的丰度与在我们的系统中在前行的第58天时观察到的DNRA反应相关，如之前所陈述的。

在间歇和开始连续操作模式期间，在第1天之后，在溶液中发酵假单胞菌目的相对丰度显著增加并且保持广泛地存在；然而，在连续模式期间假单胞菌目的相对丰度显著降低。该初始的增加和随后的降低与系统中的COD含量和除去率一致，这例如可增强如下见解：高效发酵器，例如来自假单胞菌目的那些，对MFC中的废水处理的性能作贡献。在间歇模式下假单胞菌目的持久性还可归因于它们形成难以除去的持久性生物膜的能力。此外，假单胞菌(Pseudomonas)属中的物种能够降解复杂的芳族化合物，从而在当COD含量相对高时的时间期间富集的微生物聚生体中赋予它们独特的生态位，这有可能提供复杂的有机物作为底物。

黄杆菌目(Flavobacteriales)中的物种在第50天左右是明显的并且随后消失。不清楚在连续操作模式初现时改变的电化学和生物化学环境在富集黄杆菌(其已知为具有呼吸和发酵代谢能力两者的需氧或者兼性厌氧化学能有机营养菌)方面是否起到决定性作用。来自该实例实施的实例数据不足以预测它们的相对丰度和一个或多个非生物或生物因素之间的因果关联。

弯曲菌目(Campylobacterales)在间歇模式期间出现并且在连续模式期间，尤其是在第58天左右变成主导目之一。弯曲菌目是反刍动物以及人类中胃肠道的常见居住者。大多数弯曲菌目是需要复杂营养的(fastidicous)并且适合于中性以下的pH。在实例MFC系统300中，弯曲菌目的相对丰度的波动的初现与pH的变化相关，pH在第58天左右下降至中性以下，并且在第150天左右再次下降至中性以下，这例如与弯曲菌目的丰度的主要偏移一致。而且，已知曲菌目将硫和铁释放到其环境中，从而由于硫的加入而影响pH，以及促进取决于作为用于生长和代谢的底物的硫化合物的细菌的生长。

在连续模式期间、尤其是在第58天之后以更高的丰度看到来自脱硫弧菌目(Desulfovibrionales)和脱硫杆菌目(Desulfobacterales)的细菌(称作硫酸根还原细菌)，这与提高的弯曲菌目丰度一致。这些硫酸根还原种系型的出现也与在大约相同时间观察到的硫酸根从实例MFC系统300的除去良好地相关。

当从进料流入物和各反应器的流出物收集样品(第50天和/或第58天)时，未观察到微生物组成或相对丰度的显著差异。来自全部十二个反应器的流出物样品中的微生物群在量级水平上相同，这与实例MFC系统300中12个反应器的相当的电化学性能是一致的。进一步地，当比较连续模式期间来自各反应器的流入物废水和流出物组合物的的微生物组成时，相对丰度在量级水平上明显没有显著变化。这些数据表明，溶液中的微生物群在量级水平上未被在实例MFC系统300中4小时停留时间所显著影响。

在该实例实施中还通过所进行的循环伏安法测量而证实，微生物组成的偏移影响阳极性能。随着时间流逝的氧化反应向更负电势偏移的初现伴随着所产生的氧化电流的增加。

虽然在系统流出物中未观察到各反应器中的群落分化，但是可能的是，处理列车中更长的水力停留时间或附加的反应器将引起独特的微生物选择。还可能的是，在属-或种-水平上更高分辨率分析可提供对十二个反应器中的独特微生物组成的更深洞察。在电极相关群落中，微生物分化也可更明显。

为了评价与阳极、阴极、和残留污泥有关的微生物群，将单反应器(反应器6)停运。在取样时(第105天)反应器6具有与所有其它反应器类似的性能。从各阳极刷在顶部和底部处提取样品。还每个各左和右阴极在不同的流动位置(流入物、中间流、和流出物)以及各段的顶部和底部(例如，显示于图20中)处提取六个样品。阳极刷上的微生物组成就多样性和相对丰度而言在量级水平上几乎相同，表明在我们的反应器中，足够的水流动和混合产生均匀的环境。

图20显示描绘在其停运之后从实例MFC系统300的反应器6的阳极和阴极收集的样品的基于16S rRNA的微生物群落廓线的图。数字表示样品从其收集的刷并且T意指刷的顶部，B为刷的底部。LC和RC为左和右阴极；入、中和出表示按照流动方向的取样位置，并且T和B为阴极的顶部和底部。

在阳极处相对最丰富的细菌属于有可能贡献发酵能力的梭菌目、拟杆菌目。还观察到：脱硫弧菌目，其为硫酸根还原组；和红环菌目，其催化通用组的生物化学反应，包括在需氧和厌氧两种环境中的脱硝。例如，由于阳极群落是跨越反应器随着时间流逝并且就性能而言可再现的，因此在这些群落中发酵和电化学物质的稳定共存提供如下的有力证据：对于实际应用，可从各种各样的废弃物物流选择和保持电活性富集。还观察到，阳极表面处的微生物群落在组成和相对丰度方面当与从流出物溶液和流入物表征的那些相比时截然不同。这也证实在例如野外(fielded)、中试规模微生物燃料电池中生物膜富集和相关功能的稳定性。

当与阳极和流入物群落相比时，阴极微生物群落在微生物组成和相对丰度方面也截然不同。然而，左和右阴极在表面上的不同取样点处的微生物组成彼此非常类似，即使不同目的相对丰度是明显的也是如此。由于氧气的存在，支配性的微生物群包括来自伯克氏菌目的细菌。

图21A和21B显示SEM图像，其显示实例MFC系统300的反应器6的阳极(图21A)和阴极(图21B)上的生物膜。

来自反应器6的阳极和阴极子样品的SEM图像证实了存在多样性微生物群落，这在阴极表面上更明显，这有可能是由于在气体扩散电极处氧气的存在引起的。在该实例实施中，阳极刷上的生物膜不均匀并且主要是在所述刷的纤维之间中观察到的。例如假定，石墨刷的表面是非常光滑的并且疏水性的，并且防止形成牢固附着的生物膜。特别地，例如，在反应器停运期间拍摄的相机图像显示在所述刷上存在厚的且均匀的生物膜，所述生物膜由于其松散地附着至石墨纤维而在为了SEM而样品加工期间明显失去。阴极表面完全被厚的生物膜覆盖，如通过相机和SEM图像(例如，图21B)两者所证实的。对于阳极和阴极生物膜两者均可观察到在细胞和显著的细胞外材料之间中细菌附器(appendage)的存在。

包括统计分析的实例结果

对随着时间流逝从系统收集的流出物数据进行典范对应分析(CCA)。这些分析使得能够表征在反应器操作变量和相关微生物多样性及丰度之间的可能相关性。

图22A和22B显示包括如下的数据图：从系统流出物收集的样品的CCA双标图(图22A)，和在反应器6的停运期间收集的样品的PCA双标图(图22B)。

CCA双标图显示，在间歇模式期间的流入物以及流出物微生物群落具有更高丰度的假单胞菌目(Pseudomonadales)和螺旋体目(Spirochaetales)，其在连续操作模式中随着时间流逝而消失。所确定的是，随着时间流逝，反应器富集硫酸根还原细菌(脱硫杆菌目和除硫单胞菌目)和脱硝细菌(红环菌目)。后者主要发现于阳极处(例如，图22B)并且在阴极表面处，由于氧气的存在，来自伯克氏菌目(Burkholderiales)的需氧细菌是占主导的。在乙酸根改良的脱硝微生物群落中已经鉴别出伯克氏菌目，从而显示可能在阴极处发生脱硝。伯克氏菌目也是在水系统中发现的最常见的细菌目之一并且一些物种已经被报道为机会病原体。

主成分分析为在最近5年中用于对微生物燃料电池实验进行数据分析的统计工具。例如，其具有将相关性可视化表示并且容易数据阐释的优点，尤其是对于经常需要多维标度技术的大的数据集多变量。在其已经停运之后从反应器6的阳极刷和阴极收集的样品通过PCA进行分析(例如，图22B)。来自阳极刷的样品簇集在一起并且在顶部和底部之间有轻微的分离。所述刷的底部填充有来自梭菌目的更多物种。而且，在阳极处的梭菌与硫酸根还原细菌以及生电性细菌(除硫单胞菌目)一起出现。

在梭菌和硫酸根还原细菌之间存在协同相互作用。在MFC中发酵细菌还与生电性细菌合作。在共生合作期间，发酵细菌使较复杂的有机化合物分解为挥发性脂肪酸，其然后被硫酸根还原细菌或生电性细菌例如地杆菌(Geobacter spp)所利用。

系统300的实例实施展现了用于以4小时的HRT连续处理小型农场的生猪废水的大规模MFC系统的设计和操作。此处呈现的数据子集包括仅210天的操作，并且特别地，系统300能够目前操作。实例结果显示在该时间框架期间的最大电流密度为103±7mA/m²(1011±73mA/m³)并且对应于37±5mW/m²(362±52mW/m³)。在330Ω时MFC系统的标准化能量回收(NER)为0.11kWh/kg COD，其高于从甲烷回收能量的厌氧消化处理厂的NER。在第95天时观察到～5.0kg COD/m³/天的最大COD处理速率，其中COD负载为2200mg/L。在第102天看到最大COD除去效率(65％)。

用于生活废水处理的MFC系统400的实例实施

图23显示模块化MFC系统400的一种实例实施的图像。在以高处理速率连续处理生活废水的实验实施中使用图4中所示的实例MFC系统400。

例如，模块化MFC系统400安装在20英尺船运集装箱内部并且靠近居民小区放置以接收生活废水。系统400的MFC设备410布置在两个竖直平面即顶部和底部处理列车中。MFC设备410的各竖直平面形成单个处理列车。在该实验实施中，这两个处理列车通过如下而培菌：混合生活废水(例如，550mg/L化学需氧量(COD))；31L泻湖沉积物和30mM碳酸盐缓冲剂，pH 7.5。

对于该实验实施，顶部处理列车的模块化MFC设备410被标记为从1至11并且包括双和三反应器111。双和/或三反应器MFC设备中的各反应器按照流动方向命名为A、B和C。例如，反应器单元1包括三个反应器111，其直接彼此连接并且包含在单个外壳内以主办该三反应器设计。第一反应器111表示为A，第二反应器表示为B并且第三反应器表示为C。反应器单元3包括两个反应器111，其直接彼此连接并且包含在单个外壳内以主办该双反应器设计。第一反应器表示为A并且第二反应器111表示为B。

对于该实验实施，底部处理列车的MFC设备410被标记为从12至22并且包括双和三反应器111。双和/或三MFC设备中的各反应器按照流动方向命名为A、B和C。

表2显示该生活废水的化学组成。在表2中，COD(T)和COD(S)分别表示总化学需氧量和可溶性化学需氧量。

表2：在系统培菌时生活废水的化学组成。

参数	浓度
		pH	7.3
COD(T)，mg/L	550
		COD(S)，mg/L	392
NO<sub>3</sub><sup>-</sup>-N，mg/L	25.4
		NH<sub>4</sub><sup>+</sup>-N，mg/L	21.1
SO<sub>4</sub><sup>2-</sup>，mg/L	300
		电导率,mS/cm	62.7
硫根，mg/L	7.9

对于该实验实施，对于该平面组的模块化MFC设备410使用独立的进料器箱。用于各平面水平(位面)的进料器箱帮助防止压力差并且有助于流体在其穿过模块化MFC设备410阵列时的重力流动。

对于最初的30天，系统以间歇模式操作并且将溶液以1.9L/min的流速再循环通过进料器箱和反应器。通过每周对系统400进行介质(培养基)更换而将COD水平保持为500mg/L，此时引入新的生活废水。

独立地电监测模块化MFC设备(一个或多个)410的各反应器111。MFC设备410的各反应器111的阳极和阴极通过电阻器连接，所述电阻器大小在30天操作期内逐渐地从47,000Ω降低至1,000Ω。

以下讨论通过MFC设备410阵列的反应器实施的生物电化学处理工艺的电化学表征。

针对电化学性能和表征、和COD除去率的实例结果

在培菌之后，将各反应器通过47,000Ω电阻器连接。反应器的即时响应为～0.3V的电压，其逐渐地增加至第2天的～0.5V和第4天的0.67V。如之前对于系统300观察到的那样，系统400的启动时间短(例如，小于24小时)。

在富集阶段期间，系统在间歇模式下操作并且每周进行介质更换以保持相对恒定水平的COD(例如，～500mg/L)。例如，介质更换通过如下进行：排泄处理列车溶液的一半并且将其用新的原生活废水替换。后者使系统的COD负载提高。

图24A和24B显示描绘对于顶部处理列车(图24A)和底部处理列车(图24B)，当相对于阴极表面积标准化时各个单独反应器的电流密度的数据图。

使用所产生的电流作为各反应器的性能的指标(图24A和24B)。由顶部处理列车的反应器产生的最大电流密度为4.0±1.2mA/cm²，并且相对标准偏差(RSD)为30％，其高于底部处理列车的反应器的电流密度的RSD。底部处理列车的反应器展现出1.9±0.2mA/cm²的最大电流密度和RSD＝9％。例如，顶部列车反应器的电流密度的更高偏差是由于如下而引起的：对于一些反应器更换阴极，这导致由它们产生的电流密度更高。

通常，可得出如下结论：来自所给处理列车的反应器就电流产生而言性能表现类似。未观察到沿着反应器系列电流升高或降低的趋势。

图25显示描绘实例MFC系统400的反应器7B的阳极和阴极的开路电势(OCP)测量结果的数据图。还定期监测独立电极的OCP。图25显示作为代表性反应器的反应器7B的阳极(例如，20个阳极单元作为单阳极系统操作)、以及左和右阴极的OCP。如可在数据图中看到的，阳极在15天内逐渐形成稳定的电化学电势，其对于余下的操作保持恒定。同时，两个阴极的OCP对于两个阴极均从154mV降低至0mV。

废水组成的化学分析的实例结果

用于实例MFC系统400的化学分析的样品是在间歇循环之前和之后以及在连续操作模式期间从流入物和流出物取得的。评价作为主要参数的COD除去率并且还测定系统除去含氮和硫的无机污染物的能力。

图26显示描绘在间歇模式下实例MFC系统400的COD除去效率的数据图。例如，顶部处理列车的COD除去效率为53±16％并且对于底部处理列车，COD除去效率为29±11％。顶部列车的更高除去效率是来自顶部处理列车的反应器的更好电化学性能的结果。

在连续模式期间整个系统400的有机物除去率在21-47％的范围内。

由该实例实施注意到，该实施中使用的实例MFC系统400具有比MFC系统300高的工作容积，但是该实例实施中的MFC系统400的COD除去效率与上述MFC系统300相当。在1000Ω和连续操作模式时MFC系统400的标准化能量回收(NER)为0.24kWh/kg COD，其高于MFC系统300的NER，这是由于更高数量的反应器引起的。由于在间歇模式期间更低的COD除去率，NER计算为9.8kWh/kg COD并且库伦效率(CE)为31％。平均起来，在连续模式下MFC系统400的CE估计为32％。

图27显示描绘在间歇模式期间系统中的NO₃ ^--N和NH₄ ⁺-N的浓度的数据图。类似于实例MFC系统300，处理生活废水的实例MFC系统400也按照DNRA途径将硝酸根转化为铵以除去硝酸根。当在流入物中存在硝酸根时，其被快速还原。在连续模式下的硝酸根和亚硝酸根除去效率分别为70％和20％。

在样品中，当废水穿过反应器时升高铵的浓度升高。观察到铵含量的增量为6，这也表明沿着DNRA，硝酸根和亚硝酸根被还原为氮气。后者在废水处理和亚硝酸根/硝酸根除去中是高度期望的反应。

应注意，不存在针对铵浓度的EPA法规；然而，味觉和嗅觉界限分别在35mg-N/L至0.2mg-N/L的范围内。硝酸根和亚硝酸根水品质界限分别为10mg-N/L和1mg-N/L。实例MFC系统400显示铵除去以及硝酸根和亚硝酸根浓度的降低，这提供可满足和超出这些阈值的经处理的水。

图28显示描绘在间歇模式期间系统400的硫酸根浓度的数据图。在处理过程期间硫酸根被还原为硫根。系统中硫根的积聚可导致由于催化剂中毒和/或竞争性阴极硫酸根还原而阴极电势降低。在所述处理过程中必须实施用于硫酸根/硫根除去的预处理步骤。

图29显示描绘随着时间流逝的pH廓线的数据图。在整个操作中系统的pH保持中性。

用于酿造厂废水处理的MFC系统3000的实例实施

图30显示在用于以高处理速率和流速例如570L/天(例如，150gpd)连续处理酿造厂废水达长期操作的实验实施中使用的模块化MFC系统100(标记为MFC系统3000)的另一实例实施方式的图。实例模块化MFC系统3000包括水力串联地布置在可移动的台架结构上的模块化MFC设备3010阵列。阵列的模块化MFC设备3010可以单反应器设计、双反应器设计、和/或三反应器设计配置。如图30的图中显示的，实例MFC系统3000包括单反应器设计的十二个独立式反应器组件。

模块化MFC设备3010的阵列在空间上布置在一个竖直平面和单个处理列车中。阵列的模块化MFC设备3010布置成在反应器1处从进料器箱3005接收，例如经由重力进料流动而接收经预处理废水，其中流体经历从反应器1至反应器2至反应器3至……至反应器12的连续不断的流动。例如，进料器箱3005安置在反应器的平面上方以提供重力进料流动。

在一些实施方式中，例如，通过U环配置或通过具有反U形的管道的组件而控制反应器中的流体水平(液位)。在系统3000的这样的实施方式中，模块化MFC设备3010阵列的流出物流经U环，之后其到达收集罐3030。该U环可安置在模块化MFC设备3010阵列的平面上方和进料器箱3005的平面下方。进料器箱3005和U环之间的流体水平(液位)决定通过MFC设备3010的液体流动。

在一些实施方式中，例如，通过平衡罐3020提供原废水并且将经处理的流出物排放到收集罐3030中。在一些实施方式中，例如，MFC系统3000包括硫除去单元3040，其辅助原废水的预处理。

虽然在图30中的系统3000的实例模块化MFC设备3010中显示了双和三反应器配置，但是模块化MFC设备3010可包括单、双和/或三生物电化学反应器的其它组合。结合图5A-5E和图6A-6E进一步详述单反应器的实例；结合图7A-7E进一步详述双反应器的实例，并且结合图8A-8E进一步详述三反应器的实例。单、双、和/或三反应器的各种部件，例如反应器外壳，可使用计算机数控(CNC)机器制造，或者可通过另外的工艺用手或者使用其它机器工具机加工。

在一种实例实验实施中，实例模块化MFC系统3000安装在小型酿造厂外部以接收酿造厂废水，并且包括遮蔽结构和监控系统以遮蔽和研究关于该系统的反应器的温度和湿度的环境变量。在该实验实施中，系统3000通过如下培菌：混合酿造厂废水(例如，26,000mg/L化学需氧量(COD))；0.5L泻湖沉积物和30mM碳酸盐缓冲剂，pH 7.5。

表3显示酿造厂废水的化学组成。在表3中，COD(T)和COD(S)分别表示总化学需氧量和可溶性化学需氧量。

表3：在系统培菌时酿造厂废水的化学组成。

参数	浓度
		pH	5.88
COD(T)，mg/L	26,560
		COD(S)，mg/L	26.480
NO<sub>3</sub><sup>-</sup>-N，mg/L	11
		NO<sub>2</sub><sup>-</sup>-N，mg/L	未检测到
NH<sub>4</sub><sup>+</sup>-N，mg/L	21
		SO<sub>4</sub><sup>2-</sup>，mg/L	未检测到
S<sup>2-</sup>，mg/L	未检测到
		总悬浮固体(TSS)，mg/L	246
电导率，mS/cm	1.46
		挥发性脂肪酸(VFA)，mg/L	355
蛋白质，mg/L	232

对于该实验实施，从Joshua Tree,CA的小型酿造厂收集酿造厂废水。该酿造厂废水原样使用。然后将该酿造厂废水添加至平衡罐并且进料到进料器箱中。通过实例模块化MFC系统3000的酿造厂废水处理的实验实施进行超过250天。

系统主要以间歇模式操作并且将溶液以0.38L/min的流速再循环通过进料器箱和反应器。将酿造厂原废水一星期一次引入到系统3000中。

将系统定期地切换为连续模式用于COD除去率评价。在连续模式下，酿造厂废水从平衡罐流动至进料器箱，通过反应器并且收集在收集罐中。

独立地电监测各反应器。MFC设备3010的各反应器的阳极和阴极通过电阻器连接，在操作期间所述电阻器大小逐渐从47,000Ω降低至200Ω。

以下讨论通过MFC设备3010阵列的反应器实施的生物电化学处理工艺的电化学表征。以30min间隔监测各反应器的跨越外部电阻器的电压(V)。将反应器定期断开以测量电极的开路电势(OCP)。

各个单独反应器的电流和功率密度是作为相对于阴极几何表面积(0.0734m²)标准化的反应器的电流计算的。

以下描述系统3000的实验实施的实例结果。

针对电化学性能和表征、以及COD除去率的实例结果

在培菌之后，各反应器通过47,000Ω电阻器连接并且缓慢降低至200Ω。各反应器的电压逐渐地升高至第2天的～0.3V至第6天的0.6V。系统3000的启动时间短(例如，小于24小时)。还可看到昼夜循环之后所产生电压的波动。

图31显示描绘当相对于阴极表面积标准化时各个单独反应器的电流密度的数据图。使用所产生电流作为各反应器的性能的指标。反应器展现出相对类似的电化学性能。在200Ω电阻器下实现了25mA/m²的最大平均电流密度并且对应于9mW/m²。

图32显示描绘实例MFC系统3000的反应器11的阳极和阴极的开路电势(OCP)测量结果的数据图。还定期监测独立电极的OCP。图32显示作为代表性反应器的反应器11的阳极(例如，20个阳极单元作为单阳极系统操作)、以及左和右阴极的OCP。阳极OCP高度取决于COD负载，其中越高的COD导致越负的阳极电势。随着时间流逝，阴极电势从100mV缓慢地降低至-300mV(相对于Ag/AgCl)。该降低的阴极电势最有可能是特定酿造厂废水组成以及出现竞争性反应的结果。

废水组成的化学分析的实例结果

定期取得实例MFC系统3000的流入物和流出物的化学分析用样品以评价作为主要参数的COD除去率，以及测定系统除去含氮和硫的无机污染物的能力。

图33A和33B显示描绘对于在间歇模式下的实验实施，COD除去率(作为除去的mg/LCOD计)(图33A)和COD除去效率(图33B)的数据图。图34A和35B显示对于在连续模式下的实验实施，COD除去率(作为除去的mg/L COD计)(图34A)和COD除去效率(图34B)。

平均起来，对于所述实例实施，当COD负载越高时在初始阶段观察到在间歇模式下越高的COD除去(以mg/L计)。在间歇模式下的平均COD除去率为300mg/L并且平均COD除去效率为18％。

平均起来，对于所述实例实施，在连续模式下更高的即时COD除去(以mg/L计)为2800mg/L并且COD除去效率为25％。在连续模式下的平均COD除去率为1230mg/L并且平均COD除去效率为12％。

在400Ω和连续操作模式下MFC系统3000的标准化能量回收(NER)为2.8kWh/kgCOD，其高于从甲烷回收能量的厌氧消化处理厂的NER。由于在间歇模式期间更低的COD除去率，NER计算为4.5kWh/kg COD并且库伦效率(CE)为54％。平均起来，在连续模式下MFC系统3000的CE估计为20％。

实施例

在根据本技术的一些实施方式(实施例A1)中，用于废水处理的微生物燃料电池(MFC)系统包括：废水渠首工程模块，其用于接收和预处理原废水以从该废水渠首工程模块进料经预处理废水；一个或多个模块化MFC设备，其用于以生物电化学方式加工经预处理废水，这同时产生电能并且消化废水中的有机污染物和颗粒以产生经处理的水，一个或多个模块化MFC设备包括生物电化学反应器和包围生物电化学反应器的外壳，其中生物电化学反应器包括布置在阴极组件之间的多个阳极单元；和水收集模块，其用于接收来自一个或多个模块化MFC设备的经处理的水并且存储经处理的水和/或将经处理的水从系统送出。

实施例A2包括任意前述或后续实施例的系统，其中废水渠首工程模块包括用于过滤具有大的尺寸和质量之一或两者的固体物质的除砂模块。

实施例A3包括实施例A2的系统，其中除砂模块包括用于分离和收集所述物质以作为固体废弃物从系统丢弃的旋转装置或筛网装置的至少一种。

实施例A4包括实施例A2的系统，其中废水渠首工程包括用于接收和收集经除砂废水并且调节经预处理废水的稳定机负荷和流动的一个或多个平衡罐。

实施例A5包括实施例A2的系统，其中废水渠首工程包括用于除去包括硫物质、油脂或油的一种或多种在内的不想要的化学物质的一个或多个预处理模块。

实施例A6包括任意前述或后续实施例的系统，其中一个或多个模块化MFC设备的外壳包括刚性壳体，所述刚性壳体具有实心底部并且在外壳的顶部处具有开口以容许将生物电化学反应器的模块化部件安置在外壳的内部之内和从外壳的内部除去。

实施例A7包括实施例A6的系统，其中外壳具有在流体通过模块化MFC设备的流动方向上的第一维度。

实施例A8包括实施例A7的系统，其中外壳包括布置在外壳沿着流动方向的相对侧上的输入孔和输出孔。

实施例A9包括实施例A7的系统，其中外壳包括容许空气流动通过生物电化学反应器的阴极组件的在外壳的垂直于流动方向的相对侧上的第一开口和第二开口。

实施例A10包括任意前述或后续实施例的系统，其中阳极单元各自包括从内部圆柱体突出的碳纤维。

实施例A11包括任意前述或后续实施例的系统，其中阴极组件包括两个气体扩散阴极。

实施例A12包括任意前述或后续实施例的系统，其中一个或多个模块化MFC设备包括水力串联布置的多个模块化MFC设备的阵列，其中第一模块化MFC设备接收来自废水渠首工程模块的经预处理废水并且以生物电化学方式加工所述经预处理以输出第一经处理的水，第一经处理的水被接收在阵列的第二模块化MFC设备处，第二模块化MFC设备以生物电化学方式加工第一经处理的水以输出第二经处理的水，第二经处理的水被接收在阵列的下一模块化MFC设备处。

实施例A13包括实施例A12的系统，其中所述多个模块化MFC设备的阵列是在阵列的一组或多组模块化MFC设备之间在多个竖直平面中水力串联地布置的。

实施例A14包括任意前述或后续实施例的系统，其中一个或多个模块化MFC设备包括包含包围在外壳中的生物电化学反应器的两个的双反应器配置，和/或其中一个或多个模块化MFC设备包括包含包围在外壳中的生物电化学反应器的三个的双反应器配置。

实施例A15包括任意前述或后续实施例的系统，其中将经预处理废水通过进料器箱重力进料至一个或多个模块化MFC设备的至少一个。

实施例A16包括实施例A15的系统，其进一步包括连接在一个或多个模块化MFC设备的末端处或者模块化MFC设备阵列的系列的末端处以控制流体通过模块化MFC设备的流速的蠕动泵。

实施例A17包括任意前述或后续实施例的系统，其中废水包括从生活基础设施系统、农业系统、或工业系统接收的污水。

以上实施例各自可包括用于通过生物电化学废物发电转化工艺处理废水和产生电能的模块化微生物燃料电池(MFC)设备、系统和/或方法。

在根据本技术的一些实施方式(实施例B1)中，用于以生物电化学方式加工废水的微生物燃料电池(MFC)设备包括用于接收废水的流体输入端口；MFC外壳；悬在外壳中以接触废水的多个阳极单元；一个或多个阴极电极，其中所述一个或多个阴极电极是气体渗透性的并且导电的；和用于输出经处理废水的流体输出端口。

实施例B2包括前述或后续实施例的MFC设备，其中MFC设备产生电能并且加工废水中的有机污染物和颗粒以产生经处理的水。

实施例B3包括前述或后续实施例的MFC设备，其中流体输入端口和流体输出端口布置在外壳的沿着流动方向的相对侧上。

实施例B4包括实施例B3的MFC设备，其中流动方向垂直于通过生物电化学反应器的阴极组件的的空气流，和其中空气流使得能够加工反应器中的废水。

实施例B5包括前述或后续实施例的MFC设备，其中MFC外壳包括刚性壳体，所述刚性壳体具有实心底部并且在MFC外壳的顶部和侧面处具有开口以容许将生物电化学反应器的模块化部件安置在MFC外壳的内部并且从MFC外壳的内部除去。

实施例B6包括前述或后续实施例的MFC设备，其中MFC外壳具有在流体通过MFC设备的流动方向上的第一维度、正交于第一维度和所述一个或多个阴极电极的第二维度、和正交于第一维度和第二维度的第三维度，并且其中第一维度位于13.26英寸±0.5英寸的范围内，第二维度位于8.59英寸±0.5英寸的范围内，并且第三维度位于7.5英寸±0.5英寸的范围内。

实施例B7包括前述或后续实施例的MFC设备，其中所述一个或多个阴极电极为气体扩散电极。

实施例B8包括前述或后续实施例的MFC设备，其中所述一个或多个阴极电极电连接在一起。

实施例B9包括前述或后续实施例的MFC设备，其中所述多个阳极单元各自包括围绕中央阳极芯径向安置的导电分支，其中所述中央阳极芯平行于所述一个或多个阴极电极。

实施例B10包括前述或后续实施例的MFC设备，其中阳极单元分支包括碳。

实施例B11包括前述或后续实施例的MFC设备，其中所述多个阳极单元的阳极单元在外壳的外部电连接在一起。

实施例B12包括前述或后续实施例的MFC设备，其中MFC外壳是通过计算机数控加工而生产的。

实施例B13包括前述或后续实施例的MFC设备，其中外壳是通过注射模塑而生产的。

实施例B14包括前述或后续实施例的MFC设备，其中所述多个阳极单元在外壳内部电连接。

在根据本技术的一些实施方式(实施例B15)中，用于废水处理的微生物燃料电池(MFC)系统包括用于接收废水的废水渠首工程模块；和用于以生物电化学方式加工废水的一个或多个MFC设备，其中各MFC设备包括MFC外壳、悬在外壳中以接触废水的多个阳极单元、和一个或多个阴极电极，其中所述一个或多个阴极电极为气体渗透性的；和水收集模块，其用于从所述一个或多个MFC设备接收经处理的水。

实施例B16包括前述或后续实施例的MFC系统，其中MFC系统为包括串联流体连接的两个MFC设备的双反应器，其中第一MFC设备接收来自废水渠首工程模块的废水，其中最后一个MFC设备将经处理的水提供至水收集模块，和其中来自第一MFC设备的第一经处理的水被作为输入水提供至最后一个MFC设备。

实施例B17包括实施例B16的MFC系统，其中双反应器的MFC外壳具有在流体通过MFC设备的流动方向上的第一维度、正交于第一维度和所述一个或多个阴极电极的第二维度、以及正交于第一维度和第二维度的第三维度，和其中第一维度位于25.62英寸±0.5英寸的范围内，第二维度位于8.59英寸±0.5英寸的范围内，并且第三维度位于7.5英寸±0.5英寸的范围内。

实施例B18包括前述或后续实施例的MFC系统，其中MFC系统为包括串联流体连接的三个MFC设备的三反应器，其中第一MFC设备接收来自废水渠首工程模块的废水，其中来自第一MFC设备的第一经处理的水被作为第二输入水提供至第二MFC设备并且来自第二MFC设备的第二经处理的水被作为第三输入水提供至第三MFC设备，和其中第三MFC设备将经处理的水提供至水收集模块。

实施例B19包括前述或后续实施例的MFC系统，其中三反应器的MFC外壳具有在流体通过MFC设备的流动方向上的第一维度、正交于第一维度和所述一个或多个阴极电极的第二维度、以及正交于第一维度和第二维度的第三维度，和其中第一维度位于37.98英寸±0.5英寸的范围内，第二维度位于8.59英寸±0.5英寸的范围内，并且第三维度位于7.5英寸±0.5英寸的范围内。

实施例B20包括前述或后续实施例的MFC系统，其中废水包括从生活基础设施系统、农业系统、或工业系统接收的污水。

在根据本技术的一些实施方式(实施例C1)中，用于能量产生和废水处理的系统包括：废水渠首工程系统，其用于通过除去固体颗粒而预处理原废水并且产生从废水渠首工程系统输出的经预处理废水；一个或多个模块化微生物燃料电池(MFC)设备，其用于通过同时产生电能和消化经预处理废水中的有机污染物和颗粒而以生物电化学方式加工经预处理废水以产生经处理的水，一个或多个模块化MFC设备包括外壳和包围在外壳内的生物电化学反应器，其中生物电化学反应器包括布置在阴极组件之间的多个阳极；和水收集系统，其用于接收来自一个或多个模块化MFC设备的经处理的水并且存储经处理的水和/或将经处理的水从所述系统送出。

实施例C2包括实施例C1或者在C3-C20之中的任何后续实施例的系统，其中废水渠首工程系统包括用于过滤和/或除去具有大的尺寸和质量之一或两者的固体物质的除砂设备。

实施例C3包括实施例C2的系统，其中除砂设备包括用于分离和收集过滤的固体物质以作为固体废物从系统丢弃的旋转设备或筛网设备的至少一种。

实施例C4包括在C1-C20之中的任意前述或后续实施例的系统，其中废水渠首工程系统包括用于接收和收集经除砂废水并且调节经预处理废水的稳定的有机负荷和流动的一个或多个平衡罐。

实施例C5包括在C1-C20之中的任意前述或后续实施例的系统，其中废水渠首工程系统包括用于除去包括硫物质、油脂或油的一种或多种在内的不想要的化学物质的一个或多个化学、物理或生物预处理设备。

实施例C6包括在C1-C20之中的任意前述或后续实施例的系统，其中一个或多个模块化MFC设备的外壳包括刚性壳体，所述刚性壳体具有容许将生物电化学反应器的模块化部件安置在外壳的内部之内和从外壳的内部除去的实心框架。

实施例C7包括在C1-C20之中的任意前述或后续实施例的系统，其中模块化MFC设备在流体通过模块化MFC设备的流动方向上的第一维度大于垂直于第一维度的第二维度。

实施例C8包括实施例C7和/或C9的系统，其中外壳包括布置在外壳的沿着流动方向的相对侧上的输入孔和输出孔。

实施例C9包括实施例C7和/或C8的系统，其中外壳包括容许空气流入到生物电化学反应器中以向阴极组件提供氧气的在外壳的垂直于流动方向的相对侧上的第一开口和第二开口。

实施例C10包括在C1-C20之中的任意前述或后续实施例的系统，其中所述多个阳极的阳极包括从内部圆柱体突出的碳纤维。

实施例C11包括在C1-C20之中的任意前述或后续实施例的系统，其中阴极组件包括分隔于所述多个阳极的两侧并且沿着流体通过生物电化学反应器的流动方向纵向布置的两个气体扩散阴极，所述气体扩散阴极能够容许氧气渗透到生物电化学反应器内的流体中。

实施例C12包括在C1-C20之中的任意前述或后续实施例的系统，其中一个或多个模块化MFC设备包括水力串联布置的多个模块化MFC设备的阵列，其中第一模块化MFC设备接收来自废水渠首工程系统的经预处理废水并且以生物电化学方式加工经预处理废水以输出第一经处理的水，第一经处理的水被接收在阵列的第二模块化MFC设备处，第二模块化MFC设备以生物电化学方式加工第一经处理的水以输出第二经处理的水，第二经处理的水被接收在阵列的下一模块化MFC设备处。

实施例C13包括实施例C12的系统，其中所述多个模块化MFC设备的阵列是在阵列的一组或多组模块化MFC设备之间在多个竖直平面中水力串联地布置的。

实施例C14包括在C1-C20之中的任意前述或后续实施例的系统，其中一个或多个模块化MFC设备包括双反应器配置，双反应器配置包括包围在一个或多个模块化MFC设备的外壳中的生物电化学反应器的两个。

实施例C15包括在C1-C20之中的任意前述或后续实施例的系统，其中一个或多个模块化MFC设备包括三反应器配置,三反应器配置包括包围在一个或多个模块化MFC设备的外壳中的生物电化学反应器的三个。

实施例C16包括在C1-C20之中的任意前述或后续实施例的系统，其中将经预处理废水通过进料器箱重力进料至一个或多个模块化MFC设备的至少一个。

实施例C17包括在C1-C20之中的任意前述或后续实施例的系统，其进一步包括连接在一个或多个模块化MFC设备的末端处或者模块化MFC设备的阵列的系列的末端处以控制流体通过一个或多个模块化MFC设备或者模块化MFC设备的阵列的流速的蠕动泵。

实施例C18包括在C1-C20之中的任意前述或后续实施例的系统，其中模块化MFC设备能用于以至少100mL/min和/或至少120L/天的流速清洁经预处理废水和产生经处理的水，和/或其可操作达至少10个连续操作小时。

实施例C19包括在C1-C20之中的任意前述或后续实施例的系统，其中一个或多个模块化MFC设备能用于产生电能和在净零能量消耗的情况下产生经处理的水。

实施例C20包括在C1-C19之中的任意前述实施例的系统，其中原废水包括从生活基础设施系统、农业系统、或工业系统接收的污水。

在根据本技术的一些实施方式(实施例C21)中，用于能量产生和废水处理的方法包括通过从废水流体除去至少一些固体颗粒而预处理原废水，这产生经预处理废水；通过生物电化学转化工艺加工经预处理废水，所述生物电化学转化工艺通过消化废水流体中的物质而产生电能并且同时清洁经预处理废水以产生经处理的水；提取所产生的电能用于存储或者转移至外部电气设备；和输出经处理的水。

实施例C22包括实施例C21或者在C23-C35之中的任意后续实施例的方法，其中所述生物电化学转化工艺包括：在包括在空间上布置在至少两个阴极之间的多个阳极的生物电化学反应器内通过利用生物物质的生物催化氧化将废水流体中的有机物质氧化，其导致质子分泌到溶液中以及在所述氧化期间释放的电子向生物电化学反应器中的阳极的导电表面的胞外转移，所述质子向生物电化学反应器中的阴极扩散；和将电子通过电路而电转移至阴极，这通过质子、电子和氧的相互作用而促进了阴极处的电化学还原以产生过氧化氢和/或新水。

实施例C23包括实施例C22的方法，其中所述生物物质包括细菌或酵母的至少一种。

实施例C24包括在C21-C35之中的任意前述或后续实施例的方法，其中所述方法包括将经预处理废水收集在一个或多个平衡罐中和调节去往生物电化学反应器的经预处理废水的稳定的有机负荷和流动。

实施例C25包括在C21-C35之中的任意前述或后续实施例的方法，其中输出经处理的水包括如下的一个或两个：将经处理的水存储在罐中和将经处理的水送至外部流体设备。

实施例C26包括在C21-C35之中的任意前述或后续实施例的方法，其中预处理原废水包括除去具有大的尺寸和质量之一或两者的固体颗粒的至少一些。

实施例C27包括在C21-C35之中的任意前述或后续实施例的方法，其中预处理原废水包括从废水流体除去包括硫物质、油脂或油的一种或多种在内的不想要的化学物质。

实施例C28包括在C21-C35之中的任意前述或后续实施例的方法，其中通过生物电化学转化工艺加工经预处理废水在包括包围在外壳内的生物电化学反应器的微生物燃料电池(MFC)设备中实施，生物电化学反应器包括在空间上布置在至少两个阴极之间的多个阳极。

实施例C29包括实施例C28和/或在C21-C35之中的任意前述或后续实施例的方法，其中所述多个阳极的阳极包括从内部圆柱体突出的碳纤维。

实施例C30包括实施例C28和/或在C21-C35之中的任意前述或后续实施例的方法，其中阴极组件包括分隔于所述多个阳极的两侧并且沿着流体通过生物电化学反应器的流动方向纵向布置的两个气体扩散阴极，所述气体扩散阴极能够容许氧气渗透到生物电化学反应器内的流体中。

实施例C31包括实施例C28和/或在C21-C35之中的任意前述或后续实施例的方法，其中将模块化MFC设备包括在水力串联布置的多个模块化MFC设备的阵列中，其中第一模块化MFC设备接收经预处理废水并且以生物电化学方式加工经预处理废水以输出第一经处理的水，第一经处理的水被接收在阵列的第二模块化MFC设备处，第二模块化MFC设备以生物电化学方式加工第一经处理的水以输出第二经处理的水，第二经处理的水被从阵列输出或者被接收在阵列的下一模块化MFC设备处。

实施例C32包括实施例C28和/或在C21-C35之中的任意前述或后续实施例的方法，其中将经预处理废水重力进料至模块化MFC设备。

实施例C33包括在C21-C35之中的任意前述或后续实施例的方法，其中加工经预处理废水以产生电能并且同时产生经处理的水在至少100mL/min和/或至少120L/天的流速下发生，和/或其可操作至少10个连续操作小时。

实施例C34包括在C21-C35之中的任意前述或后续实施例的方法，其中通过生物电化学转化工艺加工经预处理废水产生电能和在净零能量消耗的情况下产生经处理的水。

实施例C35包括在C21-C34之中的任意前述实施例的方法，其中原废水包括从生活基础设施系统、农业系统、或工业系统接收的污水。

在根据本技术的一些实施方式(实施例C36)中，用于能量产生和废水处理的设备包括模块化微生物燃料电池(MFC)设备，其能用于以生物电化学方式加工在流体中包括有机物质的废水，这同时产生电能并且消化所述有机物质以产生经处理的水，模块化MFC设备包括：外壳、和包围在外壳内的生物电化学反应器，生物电化学反应器包括布置在阴极组件之间的多个阳极，其中阴极组件包括分隔于所述多个阳极的两侧并且沿着流体通过生物电化学反应器的流动方向纵向布置的两个气体扩散阴极，所述气体扩散阴极能够容许氧气渗透到生物电化学反应器内的流体中。

实施例C37包括在C36-C47之中的任意前述或后续实施例的设备，其中外壳包括刚性壳体，所述刚性壳体具有容许将生物电化学反应器的模块化部件安置在外壳的内部之内和从外壳的内部除去的实心框架。

实施例C38包括在C36-C47之中的任意前述或后续实施例的设备，其中模块化MFC设备的在流动方向上的第一维度大于垂直于第一维度的第二维度。

实施例C39包括在C36-C47之中的任意前述或后续实施例的设备，其中外壳包括布置在外壳的沿着流动方向的相对侧上的输入孔和输出孔。

实施例C40包括在C36-C47之中的任意前述或后续实施例的设备，其中外壳包括容许空气流入到生物电化学反应器中以向阴极组件提供氧气的在外壳的垂直于流动方向的相对侧上的第一开口和第二开口。

实施例C41包括在C36-C47之中的任意前述或后续实施例的设备，其中所述多个阳极的阳极包括从内部圆柱体突出的碳纤维。

实施例C42包括在C36-C47之中的任意前述或后续实施例的设备，其中模块化MFC设备包括双反应器配置，双反应器配置包括沿着流动方向串联布置并且包围在外壳中的两个生物电化学反应器。

实施例C43包括在C36-C47之中的任意前述或后续实施例的设备，其中模块化MFC设备包括三反应器配置，三反应器配置包括沿着流动方向串联布置并且包围在外壳中的三个生物电化学反应器。

实施例C44包括在C36-C47之中的任意前述或后续实施例的设备，其中模块化MFC设备以生物电化学方式加工废水：在生物电化学反应器内通过利用生物物质的生物催化氧化将废水流体中的有机物质氧化，其导致质子分泌到溶液中和在所述氧化期间释放的电子向所述多个阳极的阳极的导电表面的胞外转移，所述质子向阴极组件的阴极扩散；和将电子通过电路而电转移至阴极，这通过质子、电子和氧的相互作用而促进了阴极处的电化学还原以产生过氧化氢和/或新水。

实施例C45包括在C36-C47之中的任意前述或后续实施例的设备，其中模块化MFC设备能用于以生物电化学方式加工流速为至少100mL/min和/或至少120L/天的废水，和/或其可操作达至少10连续操作小时。

实施例C46包括在C36-C47之中的任意前述或后续实施例的设备，其中模块化MFC设备能用于产生电能和在净零能量消耗的情况下产生经处理的水。

实施例C47包括在C36-C46之中的任意前述实施例的设备，其中废水包括从生活基础设施系统、农业系统、或工业系统接收的污水。

在根据本技术的一些实施方式(实施例C48)中，用于能量产生和废水处理的设备包括第一模块化微生物燃料电池(MFC)设备和第二模块化MFC设备。第一模块化MFC设备能用于以生物电化学方式加工在流体中包括有机物质的废水，这同时产生电能并且消化所述有机物质以产生经处理的水，并且第一模块化MFC设备包括：第一外壳、和包围在第一外壳内的第一生物电化学反应器，第一生物电化学反应器包括布置在阴极组件之间的多个阳极，其中阴极组件包括分隔于所述多个阳极的两侧并且沿着流体通过第一生物电化学反应器的流动方向纵向布置的两个气体扩散阴极，所述气体扩散阴极能够容许氧气渗透到第一生物电化学反应器内的流体中。第二模块化MFC设备流体地连接至第一模块化MFC设备并且能用于以生物电化学方式加工通过第一模块化MFC设备产生的经处理的水以同时产生电能和消化经处理的水的流体中的有机物质以产生经进一步处理水，并且第二模块化MFC设备包括：第二外壳、和包围在第二外壳内的第二生物电化学反应器，第二生物电化学反应器包括布置在阴极组件之间的多个阳极，其中阴极组件包括分隔于所述多个阳极的两侧并且沿着流体通过第二生物电化学反应器的流动方向纵向布置的两个气体扩散阴极，所述气体扩散阴极能够容许氧气渗透到第二生物电化学反应器内的流体中。

实施例C49包括在C48-C59之中的任意前述或后续实施例的设备，其中第一外壳和第二外壳的一个或两个包括刚性壳体，所述刚性壳体具有容许第一生物电化学反应器和第二生物电化学反应器之一或两者的模块化部件分别被安置在各自的外壳的内部之内和从各自的外壳的内部除去的实心框架。

实施例C50包括在C48-C59之中的任意前述或后续实施例的设备，其中第一模块化MFC设备和第二模块化MFC设备之一或两者在流动方向上的第一维度大于垂直于第一维度的第二维度。

实施例C51包括在C48-C59之中的任意前述或后续实施例的设备，其中第一外壳和第二外壳之一或两者包括布置在各自的外壳的沿着流动方向的相对侧上的输入孔和输出孔。

实施例C52包括在C48-C59之中的任意前述或后续实施例的设备，其中第一外壳和第二外壳之一或两者包括分别容许空气流入到第一生物电化学反应器和第二生物电化学反应器之一或两者中以向阴极组件提供氧气的在各自的外壳的垂直于流动方向的相对侧上的第一开口和第二开口。

实施例C53包括在C48-C59之中的任意前述或后续实施例的设备，其中第一生物电化学反应器和第二生物电化学反应器之一或两者的所述多个阳极的阳极包括从内部圆柱体突出的碳纤维。

实施例C54包括在C48-C59之中的任意前述或后续实施例的设备，其中第一模块化MFC设备和第二模块化MFC设备之一或两者包括双反应器配置，双反应器配置包括沿着流动方向串联布置并且包围在各自的外壳中的两个生物电化学反应器。

实施例C55包括在C48-C59之中的任意前述或后续实施例的设备，其中第一模块化MFC设备和第二模块化MFC设备之一或两者包括三反应器配置，三反应器配置包括沿着流动方向串联布置并且包围在外壳中的三个生物电化学反应器。

实施例C56包括在C48-C59之中的任意前述或后续实施例的设备，其中第一模块化MFC设备和第二模块化MFC设备各自以生物电化学方式加工废水：在生物电化学反应器内通过利用生物物质的生物催化氧化将废水流体中的有机物质氧化，其导致质子分泌到溶液中和在所述氧化期间释放的电子向所述多个阳极的阳极的导电表面的胞外转移，所述质子向阴极组件的阴极扩散；和将电子通过电路而电转移至阴极，这通过质子、电子和氧的相互作用而促进了阴极处的电化学还原以产生过氧化氢和/或新水。

实施例C57包括在C48-C59之中的任意前述或后续实施例的设备，其中第一模块化MFC设备和第二模块化MFC设备各自能用于以生物电化学方式加工流速为至少100mL/min和/或至少120L/天的废水，和/或其可操作达至少10连续操作小时。

实施例C58包括在C48-C59之中的任意前述或后续实施例的设备，其中第一模块化MFC设备和第二模块化MFC设备各自能用于产生电能和在净零能量消耗的情况下产生经处理的水。

实施例C59包括在C48-C58之中的任意前述实施例的设备，其中废水包括从生活基础设施系统、农业系统、或工业系统接收的污水。

实施例C60包括任意实施例C1-C20的系统，其配置成实施任意实施例C21-C35的方法。

实施例C61包括任意实施例C36-C48的设备，其配置成实施通过根据任意施例C21-C35的生物电化学转化工艺加工经预处理废水。

意图是，说明书与附图一起被认为仅是示例性的，其中示例性的意味着实例。如本文中使用的，单数形式“一个(种)(a,an)”和“该(所述)”也意图包括复数形式，除非上下文清楚地另外说明。另外，“或(者)”的使用意图包括“和/或”，除非上下文清楚地另外说明。

虽然本专利文件包含许多细节，但是这些不应被解释为对任何发明的范围或可要求保护的范围的限制，而是相反，解释为可针对具体发明的具体实施方式的特征的描述。在本专利文件中在独立实施方式的上下文中描述的某些特征也可在单个实施方式中组合实施。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可独立地或者以任何合适的子组合在多个实施方式中实施。而且，虽然特征可在上文中被描述为以某些组合作用并且甚至最初如此要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征可在一些情况下从所述组合删除，并且所要求保护的组合可涉及子组合或者子组合的变型。

类似地，虽然在附图中操作是以特定次序描绘的，但是这不应被理解为要求，为了实现期望的结果，这样的操作以该所显示的特定次序或者以顺序的次序进行，或者进行所有所示操作。而且，本专利文件中描述的实施方式中的各种系统部件的间隔不应被理解为在所有实施方式中要求这样的间隔。

描述了仅少许实施和实施例并且可基于该专利文件中描述和示出的内容进行其它实施、增强和变型。

Claims

1.用于能量产生和废水处理的系统，其包括：

废水渠首工程系统，其用于通过除去固体颗粒而预处理原废水并且产生从废水渠首工程系统输出的经预处理废水；

一个或多个模块化微生物燃料电池(MFC)设备，其用于通过同时产生电能和消化经预处理废水中的有机污染物和颗粒而以生物电化学方式加工经预处理废水以产生经处理的水，一个或多个模块化MFC设备包括外壳和包围在外壳内的生物电化学反应器，其中生物电化学反应器包括布置在阴极组件之间的多个阳极；和

水收集系统，其用于接收来自一个或多个模块化MFC设备的经处理的水并且存储经处理的水和/或将经处理的水从系统送出。

2.权利要求1的系统，其中废水渠首工程系统包括用于过滤具有大的尺寸和质量之一或两者的固体物质的除砂设备。

3.权利要求2的系统，其中除砂设备包括用于分离和收集过滤的固体物质以作为固体废物从系统丢弃的旋转装置或筛网装置的至少一种。

4.权利要求2的系统，其中废水渠首工程系统包括用于接收和收集经除砂废水并且调节经预处理废水的稳定的有机负荷和流动的一个或多个平衡罐。

5.权利要求1的系统，其中废水渠首工程系统包括用于除去包括硫物质、油脂或油的一种或多种在内的不想要的化学物质的一个或多个化学、物理或生物预处理设备。

6.前述权利要求任一项的系统，其中一个或多个模块化MFC设备的外壳包括刚性壳体，所述刚性壳体具有容许生物电化学反应器的模块化部件安置在外壳的内部之内和从外壳的内部除去的实心框架。

7.前述权利要求任一项的系统，其中模块化MFC设备在流体通过模块化MFC设备的流动方向上的第一维度大于垂直于第一维度的第二维度。

8.权利要求7的系统，其中外壳包括布置在外壳的沿着流动方向的相对侧上的输入孔和输出孔。

9.权利要求7的系统，其中外壳包括容许空气流入到生物电化学反应器中以向阴极组件提供氧气的在外壳的垂直于流动方向的相对侧上的第一开口和第二开口。

10.前述权利要求任一项的系统，其中所述多个阳极的阳极包括从内部圆柱体突出的碳纤维。

11.前述权利要求任一项的系统，其中阴极组件包括分隔于所述多个阳极的两侧并且沿着流体通过生物电化学反应器的流动方向纵向布置的两个气体扩散阴极，所述气体扩散阴极能够容许氧气渗透到生物电化学反应器内的流体中。

12.前述权利要求任一项的系统，其中一个或多个模块化MFC设备包括水力串联布置的多个模块化MFC设备的阵列，其中第一模块化MFC设备接收来自废水渠首工程系统的经预处理废水并且以生物电化学方式加工经预处理废水以输出第一经处理的水，第一经处理的水被接收在阵列的第二模块化MFC设备处，第二模块化MFC设备以生物电化学方式加工第一经处理的水以输出第二经处理的水，第二经处理的水被接收在阵列的下一模块化MFC设备处。

13.权利要求12的系统，其中所述多个模块化MFC设备的阵列是在阵列的一组或多组模块化MFC设备之间在多个竖直平面中水力串联地布置的。

14.前述权利要求任一项的系统，其中一个或多个模块化MFC设备包括双反应器配置，双反应器配置包括包围在一个或多个模块化MFC设备的外壳中的生物电化学反应器中的两个。

15.前述权利要求任一项的系统，其中一个或多个模块化MFC设备包括三反应器配置，三反应器配置包括包围在一个或多个模块化MFC设备的外壳中的生物电化学反应器中的三个。

16.前述权利要求任一项的系统，其中将经预处理废水通过进料器箱重力进料至一个或多个模块化MFC设备的至少一个。

17.前述权利要求任一项的系统，其进一步包括连接在一个或多个模块化MFC设备的末端处或者模块化MFC设备的阵列的系列的末端处以控制流体通过一个或多个模块化MFC设备或者模块化MFC设备的阵列的流速的蠕动泵。

18.前述权利要求任一项的系统，其中模块化MFC设备可操作的用于以至少100mL/min和/或至少120L/天的流速清洁经预处理废水和产生经处理的水达至少10个连续操作小时。

19.前述权利要求任一项的系统，其中一个或多个模块化MFC设备可操作的用于产生电能和在净零能量消耗的情况下产生经处理的水。

20.前述权利要求任一项的系统，其中原废水包括从生活基础设施系统、农业系统、或工业系统接收的污水。

21.用于能量产生和废水处理的方法，其包括：

通过从废水流体中除去固体颗粒中的至少一些而预处理原废水，这产生经预处理废水；

通过生物电化学转化工艺加工经预处理废水，所述生物电化学转化工艺通过消化废水流体中的物质而产生电能并且同时清洁经预处理废水以产生经处理的水；

提取所产生的电能用于存储或者转移至外部电气设备；和

输出经处理的水。

22.权利要求21的方法，其中所述生物电化学转化工艺包括：

在包括在空间上布置在至少两个阴极之间的多个阳极的生物电化学反应器内通过利用生物物质的生物催化氧化将废水流体中的有机物质氧化，其导致质子分泌到溶液中以及在所述氧化期间释放的电子向生物电化学反应器中的阳极的导电表面的胞外转移，所述质子向生物电化学反应器中的阴极扩散，和

将电子通过电路而电转移至阴极，这通过质子、电子和氧的相互作用而促进阴极处的电化学还原以产生过氧化氢和/或新水。

23.权利要求22的方法，其中所述生物物质包括细菌或酵母的至少一种。

24.权利要求22的方法，其包括：

将经预处理废水收集在一个或多个平衡罐中和调节去往生物电化学反应器的经预处理废水的稳定的有机负荷和流动。

25.权利要求21的方法，其中输出经处理的水包括如下的一个或两个：将经处理的水存储在罐中和将经处理的水送至外部流体设备。

26.权利要求21的方法，其中预处理原废水包括除去具有大的尺寸和质量之一或两者的固体颗粒中的至少一些。

27.权利要求21的方法，其中预处理原废水包括从废水流体除去包括硫物质、油脂或油的一种或多种在内的不想要的化学物质。

28.前述权利要求任一项的方法，其中通过生物电化学转化工艺加工经预处理废水在包括包围在外壳内的生物电化学反应器的微生物燃料电池(MFC)设备中实施，生物电化学反应器包括在空间上布置在至少两个阴极之间的多个阳极。

29.权利要求28的方法，其中所述多个阳极的阳极包括从内部圆柱体突出的碳纤维。

30.权利要求28的方法，其中阴极组件包括分隔于所述多个阳极的两侧并且沿着流体通过生物电化学反应器的流动方向纵向布置的两个气体扩散阴极，所述气体扩散阴极能够容许氧气渗透到生物电化学反应器内的流体中。

31.权利要求28的方法，其中模块化MFC设备包括在水力串联布置的多个模块化MFC设备的阵列中，其中第一模块化MFC设备接收经预处理废水并且以生物电化学方式加工经预处理废水以输出第一经处理的水，第一经处理的水被接收在阵列的第二模块化MFC设备处，第二模块化MFC设备以生物电化学方式加工第一经处理的水以输出第二经处理的水，第二经处理的水被从阵列输出或者被接收在阵列的下一模块化MFC设备处。

32.权利要求28的方法，其中将经预处理废水重力进料至模块化MFC设备。

33.前述权利要求任一项的方法，其中在至少100mL/min和/或至少120L/天的流速下加工经预处理废水以产生电能并且同时产生经处理的水达至少10个连续操作小时。

34.前述权利要求任一项的方法，其中通过生物电化学转化工艺加工经预处理废水产生电能和在净零能量消耗的情况下产生经处理的水。

35.前述权利要求任一项的方法，其中原废水包括从生活基础设施系统、农业系统、或工业系统接收的污水。

36.用于能量产生和废水处理的设备，其包括：

模块化微生物燃料电池(MFC)设备，其可操作的用于以生物电化学方式加工在流体中包括有机物质的废水，这同时产生电能和消化所述有机物质以产生经处理的水，模块化MFC设备包括：

外壳，和

包围在外壳内的生物电化学反应器，生物电化学反应器包括布置在阴极组件之间的多个阳极，其中阴极组件包括分隔于所述多个阳极的两侧并且沿着流体通过生物电化学反应器的流动方向纵向布置的两个气体扩散阴极,所述气体扩散阴极能够容许氧气渗透到生物电化学反应器内的流体中。

37.权利要求36的设备，其中外壳包括刚性壳体，所述刚性壳体具有容许生物电化学反应器的模块化部件安置在外壳的内部之内和从外壳的内部除去的实心框架。

38.权利要求36的设备，其中模块化MFC设备在流动方向上的第一维度大于垂直于第一维度的第二维度。

39.权利要求36的设备，其中外壳包括布置在外壳的沿着流动方向的相对侧上的输入孔和输出孔。

40.权利要求36的设备，其中外壳包括容许空气流入到生物电化学反应器中以向阴极组件提供氧气的在外壳的垂直于流动方向的相对侧上的第一开口和第二开口。

41.前述权利要求任一项的设备，其中所述多个阳极的阳极包括从内部圆柱体突出的碳纤维。

42.前述权利要求任一项的设备，其中模块化MFC设备包括双反应器配置，双反应器配置包括沿着流动方向串联布置并且包围在外壳中的两个生物电化学反应器。

43.前述权利要求任一项的设备，其中模块化MFC设备包括三反应器配置，三反应器配置包括沿着流动方向串联布置并且包围在外壳中的三个生物电化学反应器。

44.前述权利要求任一项的设备，其中模块化MFC设备以生物电化学方式加工废水：

在生物电化学反应器内通过利用生物物质的生物催化氧化将废水流体中的有机物质氧化，其导致质子分泌到溶液中和在氧化期间释放的电子向所述多个阳极的阳极的导电表面的胞外转移，所述质子向阴极组件的阴极扩散，和

45.前述权利要求任一项的设备，其中模块化MFC设备能用于以生物电化学方式加工流速为至少100mL/min和/或至少120L/天的废水达至少10个连续操作小时。

46.前述权利要求任一项的设备，其中模块化MFC设备能用于产生电能和在净零能量消耗的情况下产生经处理的水。

47.前述权利要求任一项的设备，其中废水包括从生活基础设施系统、农业系统、或工业系统接收的污水。

48.用于能量产生和废水处理的设备，其包括：

第一模块化微生物燃料电池(MFC)设备，其可操作的用于以生物电化学方式加工在流体中包括有机物质的废水，这同时产生电能并且消化所述有机物质以产生经处理的水，第一模块化MFC设备包括：

第一外壳，和

包围在第一外壳内的第一生物电化学反应器，第一生物电化学反应器包括布置在阴极组件之间的多个阳极，其中阴极组件包括分隔于所述多个阳极的两侧并且沿着流体通过第一生物电化学反应器的流动方向纵向布置的两个气体扩散阴极，所述气体扩散阴极能够容许氧气渗透到第一生物电化学反应器内的流体中；和

第二模块化MFC设备，其流体连接至第一模块化MFC设备并且能用于以生物电化学方式加工通过第一模块化MFC设备产生的经处理的水以同时产生电能和消化经处理的水的流体中的有机物质以产生经进一步处理的水，第二模块化MFC设备包括：

第二外壳，和

包围在第二外壳内的第二生物电化学反应器，第二生物电化学反应器包括布置在阴极组件之间的多个阳极，其中阴极组件包括分隔于所述多个阳极的两侧并且沿着流体通过第二生物电化学反应器的流动方向纵向布置的两个气体扩散阴极，所述气体扩散阴极能够容许氧气渗透到第二生物电化学反应器内的流体中。

49.权利要求48的设备，其中第一外壳和第二外壳之一或两者包括刚性壳体，所述刚性壳体具有容许将第一生物电化学反应器和第二生物电化学反应器之一或两者的模块化部件分别安置在各自的外壳的内部之内和从各自的外壳的内部除去的实心框架。

50.权利要求48的设备，其中第一模块化MFC设备和第二模块化MFC设备之一或两者在流动方向上的第一维度大于垂直于第一维度的第二维度。

51.权利要求48的设备，其中第一外壳和第二外壳之一或两者包括布置在各自的外壳的沿着流动方向的相对侧上的输入孔和输出孔。

52.权利要求48的设备，其中第一外壳和第二外壳之一或两者包括分别容许空气流入到第一生物电化学反应器和第二生物电化学反应器之一或两者中以向阴极组件提供氧气的在各自的外壳的垂直于流动方向的相对侧上的第一开口和第二开口。

53.前述权利要求任一项的设备，其中第一生物电化学反应器和第二生物电化学反应器之一或两者的所述多个阳极的阳极包括从内部圆柱体突出的碳纤维。

54.前述权利要求任一项的设备，其中第一模块化MFC设备和第二模块化MFC设备之一或两者包括双反应器配置，双反应器配置包括沿着流动方向串联布置并且包围在各自的外壳中的两个生物电化学反应器。

55.前述权利要求任一项的设备，其中第一模块化MFC设备和第二模块化MFC设备之一或两者包括三反应器配置,三反应器配置包括沿着流动方向串联布置并且包围在外壳中的三个生物电化学反应器。

56.前述权利要求任一项的设备，其中第一模块化MFC设备和第二模块化MFC设备各自以生物电化学方式加工废水：

在生物电化学反应器内通过利用生物物质的生物催化氧化将废水流体中的有机物质氧化，其导致质子分泌到溶液中和在所述氧化期间释放的电子向所述多个阳极的阳极的导电表面的胞外转移，所述质子向阴极组件的阴极扩散，和

57.前述权利要求任一项的设备，其中第一模块化MFC设备和第二模块化MFC设备各自可操作的用于以生物电化学方式加工流速为至少100mL/min和/或至少120L/天的废水达至少10个连续操作小时。

58.前述权利要求任一项的设备，其中第一模块化MFC设备和第二模块化MFC设备各自能用于产生电能和在净零能量消耗的情况下产生经处理的水。

59.前述权利要求任一项的设备，其中废水包括从生活基础设施系统、农业系统、或工业系统接收的污水。