三維電極光電微生物燃料電池反應器的制造方法
【技術領域】
[0001 ] 本實用新型涉及微生物燃料電池技術、光催化技術、三維電極技術、生物炭為載體的生物膜反應器技術、流化床厭氧消化技術及沼氣生產利用技術領域，具體涉及一種三維電極光電微生物燃料電池反應器。
【背景技術】
[0002]沼氣發酵技術，通過將農作物秸桿、畜禽糞便等有機廢棄物進行厭氧發酵，產生的沼氣用于農戶日常生活及生產可替代農村生活能源，用于供熱及發電可減少化石能源的消耗，在能源緊缺、環境污染的今天，具有獨特意義。但傳統厭氧發酵反應器存在發酵原料有機質降解率不高，厭氧消化速率慢，產生的沼氣純度不高，甲烷百分含量低等問題。為解決這些問題，各種厭氧發酵預處理技術、沼氣提純技術、難降解有機質深度氧化技術等的研究競相成為沼氣生產利用領域研究的熱點。
[0003]光催化氧化技術處理難降解有機質，具有反應條件溫和、氧化能力強、無二次污染且適用范圍廣等特點，是一種非常有發展前景的處理技術。特別是Ti02光催化技術，通過在紫外光照射下，會在Ti02表面產生氧化能力很強的自由基、活性物質等，如.0Η羥基自由基、活性氫等，從而對有機質進行很好地降解。利用這一特性處理水中有機污染物得到很多環境工作者的密切關注。張永明等公開了(公開號:CN101284689B) —種光催化與生物降解一體化的水處理反應器及其方法，提供了一種集光催化與生物降解一體化的反應器。該技術，采用負載有光催化劑Ti02的平板(光催化板)將反應器分為光催化反應區和生物反應區。在光催化區的上部設有紫外光源。由于光催化板的遮擋作用，使生物反應區的微生物避開紫外光對其殺傷作用。這樣難降解有機物在光催化劑和生物膜的聯合作用下，通過兩者的協同作用，提高了水處理的速率。但該技術存在光催化打02時光生空穴和電子極易復合，光解效率低的問題。這一問題也是一直制約著光催化技術實現工業化應用的幾個關鍵問題之一。
[0004]為解決光催化1102中電子-空穴對極易復合問題，電場協助光催化技術受到關注，即施加一定偏電壓，促進光生載流子的分離，從而提高催化劑的活性。這是一種將光催化與電化學氧化聯用的新型深度氧化技術，即光電催化技術。特別是近年來，三維電極技術在光催化中的應用，使光電催化技術受到廣泛關注。三維電極，即在傳統二維電極基礎上加入第三極(粒子電極)，即填充電極，從而構成三維電極。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氧化系統。三維電極具有以下特點:(1)比表面積大、面體比大、單位槽體處理量大；(2)有機質降解效果好；(3)傳質速率快、電流效率高、能耗低；(4)適用于處理電導率較低的介質，節省了在二維電極使用中投加額外電解質的費用。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器，將三維電極和光催化技術結合，利用偏電壓有效捕獲光生電子，提高Ti02光催化氧化效率，比單純光催化的C0D去除效率高出35.5%。雖然光電催化技術有效延緩了光生電子和空穴復合的時間，提高了光催化效率，但目前光電催化技術在生化反應領域的應用，主要采取電解池和生化反應器耦合的形式，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物中的化學能直接轉化成電能的裝置。微生物燃料電池，在陽極室厭氧環境下，通過微生物降解或氧化有機物釋放出電子和質子，電子通過一組呼吸酶在細胞內外傳遞，以ATP形式為細胞提供能量，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)，終而形成回路產生電流。而質子通過質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，并與質子結合成水。作為有機污染處理及能源回收的綠色產能技術，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、污染河道底泥修復等領域都有所應用，特別是在污廢水處理領域，更是受到廣泛關注。但目前微生物燃料電池存在產電效能低，有機質在里面降解不充分，生物質能利用效率低等的問題，并且在沼氣發酵領域的應用很少，幾乎未見報道。
【發明內容】
[0006]本實用新型的目的在于提供一種克服現有的利用光催化技術、生物降解技術、微生物燃料電池技術以及沼氣生產技術中存在的上述不足，提供一種新型的將三維電極技術、光催化技術及微生物燃料電池技術耦合在一起的沼氣提質增效方法及相應的反應器，實現高效快速處理難降解有機質、提高微生物燃料電池產電效能及沼氣的高效、高品質生產。
[0007]本實用新型的技術原理:
[0008]—種三維電極光電微生物燃料電池反應器，即在傳統微生物燃料電池的基礎上加入光催化技術，并引入三維粒子電極，從而使微生物燃料電池由傳統的陰陽兩極改進為三維電極，并使其產生的內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物的降解深度和速率，從而使有機物更利用被微生物利用，提高了電子傳遞速率，增強了微生物燃料電池的產電性能和有機物利用效果。具體為:
[0009]本實用新型陽極室中，光催化板將其分為上下兩部分，上部為光催化區，下部為微生物厭氧消化區。由于光催化板對紫外光源的遮擋，使厭氧消化區的微生物避開紫外光對其的殺傷作用，使生物反應正常進行。同時，由于厭氧消化料液流經上部的光催化區時，紫外光照射光催化板上的Ti02，發生光催化反應，產生強氧化性的自由基等活性物質，促進了厭氧消化料液的有機質降解，從而當料液流回下部的微生物厭氧消化區時，能提高厭氧消化效率。料液通過循環栗5在光催化區和微生物厭氧消化區間的循環流動，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的加入，一方面和陰陽兩極一起構成三維電極，另一方面通過負載微生物構成生物膜載體，使微生物厭氧消化區構成流化床生物膜反應區，增強了厭氧消化效果，同時也提高了微生物燃料電池的產電效能。
[0010]本實用新型陰極室中，隔板將其分為左右兩部分。在左部，從陽極室導氣管進入的沼氣和質子交換膜中透入的氫質子H+在光催化條件下(陰極室外側的紫外光源照射Ti02薄膜陰電極時發生光催化反應)，沼氣中的0)2和Η +發生反應生成CH 4，反應式如下:[0011 ] C02+8H++8e — CH 4+H20
[0012]反應后的沼氣經隔板下部的透氣孔進入右部，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C02甲烷化反應更充分，防止0)2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組分如H2S等，起到了提純的作用。
[0013]本實用新型的技術方案:
[0014]—種三維電極光電微生物燃料電池反應器，包括由質子交換膜隔開的陽極室和陰極室，所述陽極室內設陽極，所述陰極室內設陰極，陽極和陰極由導線外接變電阻相連，所述陽極室由光催化板隔成上下兩部分，上部為光催化區，下部為微生物厭氧消化區，所述陰極室被隔板隔成左右兩部分，隔板底部開設通氣孔；
[0015]紫外光源，由開關控制，共兩處，分別位于陽極室上方和陰極室側面，作為優選，所述被紫外光源照射的陽極室頂部及陰極室側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 ；
[0016]所述微生物厭氧消化，為序批式厭氧消化；
[0017]所述陽極室微生物厭氧消化區及所述陰極室內，填充有生物炭顆粒，作為優選，所述生物炭顆粒粒徑為3?5mm，填充量為所在容器的10%?30% ；
[0018]所述陽極室上，設置循環栗，水栗的出水口連接微生物厭氧消化區器壁下邊緣的循環液出水口，水栗的排水口連接光催化區，所述循環液出水口設置孔隙板，孔隙板孔徑應小于所述填充的生物炭顆粒粒徑；
[0019]所述光催化板，其在光催化區一側的表面涂有納米Ti02涂層，并在靠近外壁側設置有下水口，所述下水口處裝孔隙板，所述孔隙板孔徑應應小于所述填充的生物炭顆粒粒徑，作為優選，所述光催化板材料采用陶瓷或玻璃；
[0020]所述陽極室頂部側邊緣處設置導氣管，導氣管排氣口連接所述陰極室的左區，進一步，所述陽極室頂部側邊緣遠離所述導氣管處設置氮氣曝氣口 ；
[0021]所述陽極室微生物厭氧消化區的器壁上部，設置進料口，口上設密封蓋；
[0022]所述陰極室右區，頂部設置沼氣輸出口，外側壁上部設置溢流管；
[0023]所述陰極室隔板，上端與陰極室頂部齊平，下端與陰極室底部保持一定距離，從而形成通氣孔，所述通氣孔高度和陰極室內填充粒子高度相同；
[0024]所述質子交換膜前，靠近所述陽極室側，設置孔隙板，孔隙板孔徑應小于所述填充的生物炭顆粒粒徑；
[0025]作為優選，所述變電阻，電阻可變范圍為500?1000 Ω ；
[0026]作為優選，所述陽極，采用不銹鋼板、鈦板或炭系板、石墨板；
[0027]作為優選，所述陰極，采用以Ti為基底的1102薄膜電極；
[0028]作為優選，所述陰極室內，配磷酸鹽緩沖溶液；
[0029]作為優選，除特殊部位外，所述陽極室和陰極室采用有機玻璃材料制作。
[0030]本實用新型的有益效果:
[0031](1)本實用新型提供了一種集光催化、三維電極及微生物燃料電池于一體的反應器。該反應器以自身微生物燃料電池產生的內部電場作為偏電場，來延緩光催化中光生電子和空穴復合的時間，提高光催化效率，降低能耗；在微生物燃料電池的陽極室，采用負載有光催化劑的平板(光催化板)將其分為光催化反應區和微生物厭氧消化區，由于光催化板的遮擋作用，使厭氧消化區的微生物避開光催化區中紫外光的殺傷作用從而實現了光催化和厭氧消化的協同發生，這樣難降解有機物在光催化劑和生物膜的聯合作用下，大大提高降解效率；同時，本實用新型在傳統微生物燃料電池陰陽兩極間加入生物炭顆粒，構成三維電極，增加了燃料電池內部溶液的電導率，降低了內阻，提高了效率。綜上，本實用新型實現了微生物燃料電池技術、光催化技術及三維電極技術的耦合，增強了難降解有機質的降解，提高了微生物燃料電池的產電性能。