三维电极光电微生物燃料电池反应器及沼气提质增效的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微生物燃料电池技术、光催化技术、三维电极技术、生物炭为载体的生物膜反应器技术、流化床厌氧消化技术及沼气生产利用技术领域，具体涉及一种三维电极光电微生物燃料电池反应器及沼气提质增效的方法。
【背景技术】
[0002]沼气发酵技术，通过将农作物秸杆、畜禽粪便等有机废弃物进行厌氧发酵，产生的沼气用于农户日常生活及生产可替代农村生活能源，用于供热及发电可减少化石能源的消耗，在能源紧缺、环境污染的今天，具有独特意义。但传统厌氧发酵反应器存在发酵原料有机质降解率不高，厌氧消化速率慢，产生的沼气纯度不高，甲烷百分含量低等问题。为解决这些问题，各种厌氧发酵预处理技术、沼气提纯技术、难降解有机质深度氧化技术等的研究竞相成为沼气生产利用领域研究的热点。
[0003]光催化氧化技术处理难降解有机质，具有反应条件温和、氧化能力强、无二次污染且适用范围广等特点，是一种非常有发展前景的处理技术。特别是T12光催化技术，通过在紫外光照射下，会在T12表面产生氧化能力很强的自由基、活性物质等，如.0Η羟基自由基、活性氢等，从而对有机质进行很好地降解。利用这一特性处理水中有机污染物得到很多环境工作者的密切关注。张永明等公开了(公开号:CN 101284689 B) 一种光催化与生物降解一体化的水处理反应器及其方法，提供了一种集光催化与生物降解一体化的反应器。该技术，采用负载有光催化剂T12的平板(光催化板)将反应器分为光催化反应区和生物反应区。在光催化区的上部设有紫外光源。由于光催化板的遮挡作用，使生物反应区的微生物避开紫外光对其杀伤作用。这样难降解有机物在光催化剂和生物膜的联合作用下，通过两者的协同作用，提高了水处理的速率。但该技术存在光催化打02时光生空穴和电子极易复合，光解效率低的问题。这一问题也是一直制约着光催化技术实现工业化应用的几个关键问题之一。
[0004]为解决光催化1102中电子-空穴对极易复合问题，电场协助光催化技术受到关注，即施加一定偏电压，促进光生载流子的分离，从而提高催化剂的活性。这是一种将光催化与电化学氧化联用的新型深度氧化技术，即光电催化技术。特别是近年来，三维电极技术在光催化中的应用，使光电催化技术受到广泛关注。三维电极，即在传统二维电极基础上加入第三极(粒子电极)，即填充电极，从而构成三维电极。三维粒子电极填充在阴阳极之间，粒子在电场作用下同时具有两种电极性，每一个三维粒子电极都形成微电化学氧化系统。三维电极具有以下特点:(I)比表面积大、面体比大、单位槽体处理量大；(2)有机质降解效果好；(3)传质速率快、电流效率高、能耗低；(4)适用于处理电导率较低的介质，节省了在二维电极使用中投加额外电解质的费用。熊亚等公开了一种(公开号:CN 2521210 Y)三相三维电极光催化反应器，将三维电极和光催化技术结合，利用偏电压有效捕获光生电子，提高T12光催化氧化效率，比单纯光催化的COD去除效率高出35.5%。虽然光电催化技术有效延缓了光生电子和空穴复合的时间，提高了光催化效率，但目前光电催化技术在生化反应领域的应用，主要采取电解池和生化反应器耦合的形式，通过外电源供电给电极提供偏电场，这无疑增加了能耗。
[0005]不同于电解池，微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFC)，是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。微生物燃料电池，在阳极室厌氧环境下，通过微生物降解或氧化有机物释放出电子和质子，电子通过一组呼吸酶在细胞内外传递，以ATP形式为细胞提供能量，并依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，最终通过外电路释放给阴极的最终电子受体(terminal electron acceptor，简称TEA)，终而形成回路产生电流。而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原，并与质子结合成水。作为有机污染处理及能源回收的绿色产能技术，微生物燃料电池在污废水处理、固体废弃物处理、污染土壤修复、污染河道底泥修复等领域都有所应用，特别是在污废水处理领域，更是受到广泛关注。但目前微生物燃料电池存在产电效能低，有机质在里面降解不充分，生物质能利用效率低等的问题，并且在沼气发酵领域的应用很少，几乎未见报道。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种克服现有的利用光催化技术、生物降解技术、微生物燃料电池技术以及沼气生产技术中存在的上述不足，提供一种新型的将三维电极技术、光催化技术及微生物燃料电池技术耦合在一起的沼气提质增效方法及相应的反应器，实现高效快速处理难降解有机质、提高微生物燃料电池产电效能及沼气的高效、高品质生产。
[0007]本发明的技术原理:
[0008]—种三维电极光电微生物燃料电池反应器，即在传统微生物燃料电池的基础上加入光催化技术，并引入三维粒子电极，从而使微生物燃料电池由传统的阴阳两极改进为三维电极，并使其产生的内部电场为光催化提供偏电场，延缓光催化中光生电子和空穴复合的时间，提高光催化效率，降低能耗。同时由于光催化的深度氧化和催化作用，提高了燃料电池中有机物的降解深度和速率，从而使有机物更利用被微生物利用，提高了电子传递速率，增强了微生物燃料电池的产电性能和有机物利用效果。具体为:
[0007]本发明阳极室中，光催化板将其分为上下两部分，上部为光催化区，下部为微生物厌氧消化区。由于光催化板对紫外光源的遮挡，使厌氧消化区的微生物避开紫外光对其的杀伤作用，使生物反应正常进行。同时，由于厌氧消化料液流经上部的光催化区时，紫外光照射光催化板上的T12，发生光催化反应，产生强氧化性的自由基等活性物质，促进了厌氧消化料液的有机质降解，从而当料液流回下部的微生物厌氧消化区时，能提高厌氧消化效率。料液通过循环栗5在光催化区和微生物厌氧消化区间的循环流动，也起到了对厌氧消化料液的搅拌作用。此外，生物炭颗粒在微生物厌氧消化区的加入，一方面和阴阳两极一起构成三维电极，另一方面通过负载微生物构成生物膜载体，使微生物厌氧消化区构成流化床生物膜反应区，增强了厌氧消化效果，同时也提高了微生物燃料电池的产电效能。
[0009]本发明阴极室中，隔板将其分为左右两部分。在左部，从阳极室导气管进入的沼气和质子交换膜中透入的氢质子H+在光催化条件下(阴极室外侧的紫外光源照射T12薄膜阴电极时发生光催化反应)，沼气中的0)2和H +发生反应生成CH 4，反应式如下:C02+8H++8e — CH 4+H20
反应后的沼气经隔板下部的透气孔进入右部，再从右部顶部的沼气输出口排出，接至收集容器。阴极室中隔板的作用是让左部的CO2甲烷化反应更充分，防止CO2过早从阴极室逸出。阴极室中的生物炭颗粒，一方面起到了三维电极的作用，另一方面可吸附沼气中的杂质组分如H2S等，起到了提纯的作用。
[0010]本发明的技术方案:
[0011]—种三维电极光电微生物燃料电池反应器，包括由质子交换膜隔开的阳极室和阴极室，所述阳极室内设阳极，所述阴极室内设阴极，阳极和阴极由导线外接变电阻相连，所述阳极室由光催化板隔成上下两部分，上部为光催化区，下部为微生物厌氧消化区，所述阴极室被隔板隔成左右两部分，隔板底部开设通气孔；
[0012]紫外光源，由开关控制，共两处，分别位于阳极室上方和阴极室侧面，作为优选，所述被紫外光源照射的阳极室顶部及阴极室侧面均采用石英玻璃材料制作，所述紫外光源的波长为365nm，功率为200?500W:
[0013]所述微生物厌氧消化，为序批式厌氧消化；
[0014]所述阳极室微生物厌氧消化区及所述阴极室内，填充有生物炭颗粒，作为优选，所述生物炭颗粒粒径为3?5mm，填充量为所在容器的10%?30% ；
[0015]所述阳极室上，设置循环栗，水栗的出水口连接微生物厌氧消化区器壁下边缘的循环液出水口，水栗的排水口连接光催化区，所述循环液出水口设置孔隙板，孔隙板孔径应小于所述填充的生物炭颗粒粒径；
[0016]所述光催化板，其在光催化区一侧的表面涂有纳米T12涂层，并在靠近外壁侧设置有下水口，所述下水口处装孔隙板，所述孔隙板孔径应应小于所述填充的生物炭颗粒粒径，作为优选，所述光催化板材料采用陶瓷或玻璃；
[0017]所述阳极室顶部侧边缘处设置导气管，导气管排气口连接所述阴极室的左区，进一步，所述阳极室顶部侧边缘远离所述导