三維電極光電微生物燃料電池反應(yīng)器及沼氣提質(zhì)增效的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微生物燃料電池技術(shù)、光催化技術(shù)、三維電極技術(shù)、生物炭為載體的生物膜反應(yīng)器技術(shù)、流化床厭氧消化技術(shù)及沼氣生產(chǎn)利用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三維電極光電微生物燃料電池反應(yīng)器及沼氣提質(zhì)增效的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]沼氣發(fā)酵技術(shù)，通過將農(nóng)作物秸桿、畜禽糞便等有機(jī)廢棄物進(jìn)行厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生的沼氣用于農(nóng)戶日常生活及生產(chǎn)可替代農(nóng)村生活能源，用于供熱及發(fā)電可減少化石能源的消耗，在能源緊缺、環(huán)境污染的今天，具有獨(dú)特意義。但傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵反應(yīng)器存在發(fā)酵原料有機(jī)質(zhì)降解率不高，厭氧消化速率慢，產(chǎn)生的沼氣純度不高，甲烷百分含量低等問題。為解決這些問題，各種厭氧發(fā)酵預(yù)處理技術(shù)、沼氣提純技術(shù)、難降解有機(jī)質(zhì)深度氧化技術(shù)等的研究競相成為沼氣生產(chǎn)利用領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。
[0003]光催化氧化技術(shù)處理難降解有機(jī)質(zhì)，具有反應(yīng)條件溫和、氧化能力強(qiáng)、無二次污染且適用范圍廣等特點(diǎn)，是一種非常有發(fā)展前景的處理技術(shù)。特別是T12光催化技術(shù)，通過在紫外光照射下，會在T12表面產(chǎn)生氧化能力很強(qiáng)的自由基、活性物質(zhì)等，如.0Η羥基自由基、活性氫等，從而對有機(jī)質(zhì)進(jìn)行很好地降解。利用這一特性處理水中有機(jī)污染物得到很多環(huán)境工作者的密切關(guān)注。張永明等公開了(公開號:CN 101284689 B) 一種光催化與生物降解一體化的水處理反應(yīng)器及其方法，提供了一種集光催化與生物降解一體化的反應(yīng)器。該技術(shù)，采用負(fù)載有光催化劑T12的平板(光催化板)將反應(yīng)器分為光催化反應(yīng)區(qū)和生物反應(yīng)區(qū)。在光催化區(qū)的上部設(shè)有紫外光源。由于光催化板的遮擋作用，使生物反應(yīng)區(qū)的微生物避開紫外光對其殺傷作用。這樣難降解有機(jī)物在光催化劑和生物膜的聯(lián)合作用下，通過兩者的協(xié)同作用，提高了水處理的速率。但該技術(shù)存在光催化打02時光生空穴和電子極易復(fù)合，光解效率低的問題。這一問題也是一直制約著光催化技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的幾個關(guān)鍵問題之一。
[0004]為解決光催化1102中電子-空穴對極易復(fù)合問題，電場協(xié)助光催化技術(shù)受到關(guān)注，即施加一定偏電壓，促進(jìn)光生載流子的分離，從而提高催化劑的活性。這是一種將光催化與電化學(xué)氧化聯(lián)用的新型深度氧化技術(shù)，即光電催化技術(shù)。特別是近年來，三維電極技術(shù)在光催化中的應(yīng)用，使光電催化技術(shù)受到廣泛關(guān)注。三維電極，即在傳統(tǒng)二維電極基礎(chǔ)上加入第三極(粒子電極)，即填充電極，從而構(gòu)成三維電極。三維粒子電極填充在陰陽極之間，粒子在電場作用下同時具有兩種電極性，每一個三維粒子電極都形成微電化學(xué)氧化系統(tǒng)。三維電極具有以下特點(diǎn):(I)比表面積大、面體比大、單位槽體處理量大；(2)有機(jī)質(zhì)降解效果好；(3)傳質(zhì)速率快、電流效率高、能耗低；(4)適用于處理電導(dǎo)率較低的介質(zhì)，節(jié)省了在二維電極使用中投加額外電解質(zhì)的費(fèi)用。熊亞等公開了一種(公開號:CN 2521210 Y)三相三維電極光催化反應(yīng)器，將三維電極和光催化技術(shù)結(jié)合，利用偏電壓有效捕獲光生電子，提高T12光催化氧化效率，比單純光催化的COD去除效率高出35.5%。雖然光電催化技術(shù)有效延緩了光生電子和空穴復(fù)合的時間，提高了光催化效率，但目前光電催化技術(shù)在生化反應(yīng)領(lǐng)域的應(yīng)用，主要采取電解池和生化反應(yīng)器耦合的形式，通過外電源供電給電極提供偏電場，這無疑增加了能耗。
[0005]不同于電解池，微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells，MFC)，是一種利用微生物將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。微生物燃料電池，在陽極室厭氧環(huán)境下，通過微生物降解或氧化有機(jī)物釋放出電子和質(zhì)子，電子通過一組呼吸酶在細(xì)胞內(nèi)外傳遞，以ATP形式為細(xì)胞提供能量，并依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽極之間進(jìn)行有效傳遞，最終通過外電路釋放給陰極的最終電子受體(terminal electron acceptor，簡稱TEA)，終而形成回路產(chǎn)生電流。而質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜傳遞到陰極，氧化劑(一般為氧氣)在陰極得到電子被還原，并與質(zhì)子結(jié)合成水。作為有機(jī)污染處理及能源回收的綠色產(chǎn)能技術(shù)，微生物燃料電池在污廢水處理、固體廢棄物處理、污染土壤修復(fù)、污染河道底泥修復(fù)等領(lǐng)域都有所應(yīng)用，特別是在污廢水處理領(lǐng)域，更是受到廣泛關(guān)注。但目前微生物燃料電池存在產(chǎn)電效能低，有機(jī)質(zhì)在里面降解不充分，生物質(zhì)能利用效率低等的問題，并且在沼氣發(fā)酵領(lǐng)域的應(yīng)用很少，幾乎未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種克服現(xiàn)有的利用光催化技術(shù)、生物降解技術(shù)、微生物燃料電池技術(shù)以及沼氣生產(chǎn)技術(shù)中存在的上述不足，提供一種新型的將三維電極技術(shù)、光催化技術(shù)及微生物燃料電池技術(shù)耦合在一起的沼氣提質(zhì)增效方法及相應(yīng)的反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)高效快速處理難降解有機(jī)質(zhì)、提高微生物燃料電池產(chǎn)電效能及沼氣的高效、高品質(zhì)生產(chǎn)。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)原理:
[0008]—種三維電極光電微生物燃料電池反應(yīng)器，即在傳統(tǒng)微生物燃料電池的基礎(chǔ)上加入光催化技術(shù)，并引入三維粒子電極，從而使微生物燃料電池由傳統(tǒng)的陰陽兩極改進(jìn)為三維電極，并使其產(chǎn)生的內(nèi)部電場為光催化提供偏電場，延緩光催化中光生電子和空穴復(fù)合的時間，提高光催化效率，降低能耗。同時由于光催化的深度氧化和催化作用，提高了燃料電池中有機(jī)物的降解深度和速率，從而使有機(jī)物更利用被微生物利用，提高了電子傳遞速率，增強(qiáng)了微生物燃料電池的產(chǎn)電性能和有機(jī)物利用效果。具體為:
[0007]本發(fā)明陽極室中，光催化板將其分為上下兩部分，上部為光催化區(qū)，下部為微生物厭氧消化區(qū)。由于光催化板對紫外光源的遮擋，使厭氧消化區(qū)的微生物避開紫外光對其的殺傷作用，使生物反應(yīng)正常進(jìn)行。同時，由于厭氧消化料液流經(jīng)上部的光催化區(qū)時，紫外光照射光催化板上的T12，發(fā)生光催化反應(yīng)，產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的自由基等活性物質(zhì)，促進(jìn)了厭氧消化料液的有機(jī)質(zhì)降解，從而當(dāng)料液流回下部的微生物厭氧消化區(qū)時，能提高厭氧消化效率。料液通過循環(huán)栗5在光催化區(qū)和微生物厭氧消化區(qū)間的循環(huán)流動，也起到了對厭氧消化料液的攪拌作用。此外，生物炭顆粒在微生物厭氧消化區(qū)的加入，一方面和陰陽兩極一起構(gòu)成三維電極，另一方面通過負(fù)載微生物構(gòu)成生物膜載體，使微生物厭氧消化區(qū)構(gòu)成流化床生物膜反應(yīng)區(qū)，增強(qiáng)了厭氧消化效果，同時也提高了微生物燃料電池的產(chǎn)電效能。
[0009]本發(fā)明陰極室中，隔板將其分為左右兩部分。在左部，從陽極室導(dǎo)氣管進(jìn)入的沼氣和質(zhì)子交換膜中透入的氫質(zhì)子H+在光催化條件下(陰極室外側(cè)的紫外光源照射T12薄膜陰電極時發(fā)生光催化反應(yīng))，沼氣中的0)2和H +發(fā)生反應(yīng)生成CH 4，反應(yīng)式如下:C02+8H++8e — CH 4+H20
反應(yīng)后的沼氣經(jīng)隔板下部的透氣孔進(jìn)入右部，再從右部頂部的沼氣輸出口排出，接至收集容器。陰極室中隔板的作用是讓左部的CO2甲烷化反應(yīng)更充分，防止CO2過早從陰極室逸出。陰極室中的生物炭顆粒，一方面起到了三維電極的作用，另一方面可吸附沼氣中的雜質(zhì)組分如H2S等，起到了提純的作用。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0011]—種三維電極光電微生物燃料電池反應(yīng)器，包括由質(zhì)子交換膜隔開的陽極室和陰極室，所述陽極室內(nèi)設(shè)陽極，所述陰極室內(nèi)設(shè)陰極，陽極和陰極由導(dǎo)線外接變電阻相連，所述陽極室由光催化板隔成上下兩部分，上部為光催化區(qū)，下部為微生物厭氧消化區(qū)，所述陰極室被隔板隔成左右兩部分，隔板底部開設(shè)通氣孔；
[0012]紫外光源，由開關(guān)控制，共兩處，分別位于陽極室上方和陰極室側(cè)面，作為優(yōu)選，所述被紫外光源照射的陽極室頂部及陰極室側(cè)面均采用石英玻璃材料制作，所述紫外光源的波長為365nm，功率為200?500W:
[0013]所述微生物厭氧消化，為序批式厭氧消化；
[0014]所述陽極室微生物厭氧消化區(qū)及所述陰極室內(nèi)，填充有生物炭顆粒，作為優(yōu)選，所述生物炭顆粒粒徑為3?5mm，填充量為所在容器的10%?30% ；
[0015]所述陽極室上，設(shè)置循環(huán)栗，水栗的出水口連接微生物厭氧消化區(qū)器壁下邊緣的循環(huán)液出水口，水栗的排水口連接光催化區(qū)，所述循環(huán)液出水口設(shè)置孔隙板，孔隙板孔徑應(yīng)小于所述填充的生物炭顆粒粒徑；
[0016]所述光催化板，其在光催化區(qū)一側(cè)的表面涂有納米T12涂層，并在靠近外壁側(cè)設(shè)置有下水口，所述下水口處裝孔隙板，所述孔隙板孔徑應(yīng)應(yīng)小于所述填充的生物炭顆粒粒徑，作為優(yōu)選，所述光催化板材料采用陶瓷或玻璃；
[0017]所述陽極室頂部側(cè)邊緣處設(shè)置導(dǎo)氣管，導(dǎo)氣管排氣口連接所述陰極室的左區(qū)，進(jìn)一步，所述陽極室頂部側(cè)邊緣遠(yuǎn)離所述導(dǎo)