光催化协同微生物燃料电池技术处理污水同时发电的方法及装置

摘要

一种光催化协同微生物燃料电池技术处理污水同时发电的方法及装置。所述装置以涂有n型半导体光催化剂薄膜的导电玻璃为阴极室的外侧壁，以涂有p型半导体光催化剂薄膜的导电玻璃为阳极室的外侧壁，分别在阴、阳极室外侧壁上连接导电填料作为微生物燃料电池的电极。所述的导电填料为碳纤维绳，供微生物生长。所述微生物燃料电池的阴、阳两级分别培养反硝化细菌和硝化细菌，主要功能是有机物的降解和氨氮的去除。在紫外光照射下，电子由阳极流向阴极，使阳极具有较强氧化性，阴极具有较强的还原性。本发明中微生物阴极燃料电池和光催化技术二者功能相互协调，使得污水处理成本低，发电量大。

权利要求

1.一种光催化协同微生物燃料电池技术处理污水同时发电的装置，其特征在于：所述装置包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室之间由离子交换膜分隔，离子交换膜由阴离子膜和阳离子膜各占一半面积共同组成一张膜，离子交换膜使阳极室中硝化反应产生的质子和硝态氮转移到阴极室；

阳极室以涂有p型半导体光催化剂薄膜的导电玻璃为阳极室的外侧壁，在阳极室内放置导电填料和硝化细菌，涂有p型半导体光催化剂薄膜的导电玻璃连接导电填料作为微生物燃料电池的阳极；在紫外灯照射下，p型半导体导电玻璃的电子向阴极迁移，并富集从阴极迁移过来的空穴，使阳极呈氧化性，氧化去除有机物，并将氨氮氧化为硝态氮；

阴极室以涂有n型半导体光催化剂薄膜的导电玻璃为阴极室的外侧壁，在阴极室中放置导电填料和反硝化细菌，涂有n型半导体光催化剂薄膜的导电玻璃连接导电填料作为微生物燃料电池的阴极；在紫外灯照射下，n型半导体导电玻璃的空穴向阳极迁移，并富集从阳极迁移过来的电子，使阴极呈还原性，将硝态氮还原为氮气；

所述阴、阳极室中的导电填料由外电路连接，在紫外光照射下，电子由p型半导体经外电路流向n型半导体，外电流由阴极室流向阳极室；

在阴极室的底部设有废水进水口，顶部设置阴极室出水口，阳极室进水口设置在阳极室底部，阴极室出水直接导入阳极室，在阳极室的顶部设置阳极室出水口。

2.利用权利要求1所述的装置进行污水处理并同时发电的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：（1）微生物培养：在阳极室培养硝化细菌，在阴极室培养反硝化细菌；

（2）内电流产生：在阳极室中，有机物降解产生的质子由阳离子交换膜转入阴极室，在阴极室中供反硝化细菌进行反硝化反应；质子由阳极室转向阴极室，产生内电流，内电流方向为从阳极流向阴极；

（3）有机物和氨氮的去除：将污水从阴极室进水口送进阴极室，污水中的一部分有机物质为反硝化细菌提供碳源，供反硝化细菌生长，使污水中原有的硝态氮被还原为氮气去除，同时去除部分有机物；阴极室出水直接通过阳极室进水口送入阳极室，在阳极室中有机物被氧化去除，释放出质子，质子通过阳离子交换膜渗入阴极室；氨氮在阳极室被硝化细菌氧化为硝态氮，硝态氮通过阴离子交换膜渗入阴极室，在阴极室被反硝化细菌还原为氮气，排出反应器，氨氮被去除；

（4）外电流产生：在紫外光线照射下，电子由涂p型半导体的阳极流向涂有n型半导体的阴极，形成外电流，外电流方向为阴极流向阳极；同时，有机物及氨氮在阳极室中被氧化，释放电子；

微生物将电子由导电填料传递至阳极，再从外电路传递至阴极；

硝态氮在阴极捕获电子，自身被还原为氮气；这样，光催化和微生物燃料电池两者共同完成外电流的产生，外电流方向从阴极流向阳极。

说明书

光催化协同微生物燃料电池技术处理污水同时发电的方法

及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及光催化技术和微生物燃料电池技术，具体涉及一种光催化协同微生物燃料电池技术处理污水同时发电的方法及装置。技术背景

[0002] 微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，简称MFC）是利用微生物将有机物中的化学能直接转化为电能的装置。在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子。电子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，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极。氧化剂在阴极得到电子被还原与质子结合成水。研究发现生物阴极型MFC具有脱氮的能力，它为生物脱氮技术提供了一条新思路。目前认为MFC的脱氮功能可在阳极室和阴极室中分别发生。由于传统脱氮工艺中硝化和反硝化对环境的要求不同，两者往往是在不同的反应器中进行，由此也发展出各种不同的构型。目前脱氮MFC对氨氮的去处理率比较理想，但是其结构较为复杂，且发电能力较低。

[0003] 光催化剂（photocatalyst）是一类半导体材料，其能带间缺少连续区域，存在一定的禁带宽度。当以能量等于或大于半导体的禁带宽度的光照射光催化剂时，电子从价带（valence band，VB）跃迁至导带（conduction band，CB），产生空穴－电子对。在势场作用+ - +下，光生空穴（h）和光生电子（e）都可以迁移至催化剂表面。空穴（h）具有极强的氧化性，-
是极佳的电子受体。电子（e）具有极强的还原性，是极佳的电子供体。本发明结合了光催化技术和微生物燃料电池，处理污水中有机物和氨氮，同时发电。在太阳光照射条件下，电子从光催化剂的价带激发至导带，在价带留下空穴。价带作为硝化过程的电子受体，在硝化菌的协同下实现氨氮的硝化。导带作为反硝化过程的电子供体，在反硝化细菌的协同下实现硝态氮的反硝化。

发明内容

[0004] 为解决现有微生物阴极微生物燃料电池结构复杂，发电量少以及废水COD去除率低等问题，本发明提供了一种光催化协同微生物燃料电池技术处理污水同时发电的方法及装置。

[0005] 本发明的技术方案如下：

[0006] 一种光催化协同微生物燃料电池技术处理污水同时发电的装置，包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室之间由离子交换膜分隔，离子交换膜由阴离子膜和阳离子膜各占一半面积共同组成一张膜，离子交换膜使阳极室中硝化反应产生的质子和硝态氮转移到阴极室；

[0007] 阳极室以涂有p型半导体光催化剂薄膜的导电玻璃为阳极室的外侧壁，在阳极室内放置导电填料和硝化细菌，涂有p型半导体光催化剂薄膜的导电玻璃连接导电填料作为微生物燃料电池的阳极；在紫外灯照射下，p型半导体导电玻璃的电子向阴极迁移，并富集从阴极迁移过来的空穴，使阳极呈氧化性，能够氧化去除有机物，并能将氨氮氧化为硝态氮；

[0008] 阴极室以涂有n型半导体光催化剂薄膜的导电玻璃为阴极室的外侧壁，所谓外侧壁是指与离子交换膜相对的侧壁，在阴极室中放置导电填料和反硝化细菌，涂有n型半导体光催化剂薄膜的导电玻璃连接导电填料作为微生物燃料电池的阴极；在紫外灯照射下，n型半导体导电玻璃的空穴向阳极迁移，并富集从阳极迁移过来的电子，使阴极呈还原性，能够将硝态氮还原为氮气；

[0009] 所述阴、阳极室中的导电填料由外电路连接，在紫外光照射下，电子由p型半导体经外电路流向n型半导体，外电流由阴极室流向阳极室；

[0010] 在阴极室的底部设有废水进水口，顶部设置阴极室出水口，阳极室进水口设置在阳极室底部，阴极室出水直接导入阳极室，在阳极室的顶部设置阳极室出水口。

[0011] 本装置采用光催化协同微生物燃料电池技术处理污水，同时获得电能，在阴极室中，污水中的一部分有机物质为反硝化细菌提供碳源，供反硝化细菌生长，使污水中原有的硝态氮被还原为氮气去除，同时去除部分有机物。阴极室出水直接送入阳极室。在阳极室中氨氮被硝化细菌氧化为硝态氮，硝态氮通过离子交换膜渗入阴极室，在阴极室被反硝化细菌还原为氮气，排出反应器，氨氮被去除；有机物被氧化去除，释放出质子和电子。质子由阳极室通过阳离子膜进入阴极室，从而产生内电流，内电流方向从阳极流向阴极；电子由导电填料传递至阳极，再从外电路传递至阴极，外电流方向从阴极流向阳极。

[0012] 采用所述装置进行污水处理并同时发电的方法包括以下步骤：

[0013] （1）微生物培养：在阳极室培养硝化细菌，在阴极室培养反硝化细菌；

[0014] （2）内电流产生：在阳极室中，有机物降解产生的质子由阳离子交换膜转入阴极室，在阴极室中供反硝化细菌进行反硝化反应；质子由阳极室转向阴极室，产生内电流，内电流方向为从阳极流向阴极；

[0015] （3）有机物和氨氮的去除：将污水从阴极室进水口送进阴极室，污水中的一部分有机物质为反硝化细菌提供碳源，供反硝化细菌生长，使污水中原有的硝态氮被还原为氮气去除，同时去除部分有机物；阴极室出水直接通过阳极室进水口送入阳极室，在阳极室中有机物被氧化去除，释放出质子，质子通过阳离子交换膜渗入阴极室；氨氮在阳极室被硝化细菌氧化为硝态氮，硝态氮通过阴离子交换膜渗入阴极室，在阴极室被反硝化细菌还原为氮气，排出反应器，氨氮被去除；

[0016] （4）外电流产生：在紫外光线照射下，电子由涂p型半导体的阳极极流向涂有n型半导体的阴极，形成外电流，外电流方向为阴极流向阳极；同时，有机物及氨氮在阳极室中被氧化，释放电子。微生物将电子由导电填料传递至阳极，再从外电路传递至阴极。硝态氮在阴极捕获电子，自身被还原为氮气；这样，光催化和微生物燃料电池两者共同完成外电流的产生，外电流方向从阴极流向阳极。

[0017] 本发明的优点如下：

[0018] （1）增加产电量。此装置结合了微生物燃料电池和光催化技术，二者发生了协同效应，大大增加了原本微生物燃料电池的产电量。

[0019] （2）结构简单。本装置中将涂有光催化剂的导电玻璃作为微生物燃料电池的器壁，在MFC的阴阳极室中用一张阴阳离子膜各半的离子交换膜，使阳极产生的质子和硝态氮可以直接从内部进入阴极室，简化了反应器的结构。

[0020] （3）去除有机物同时脱氮。在微生物阴极室中，反硝化细菌利用污水中的有机物将阳极室渗入阴极室的硝态氮转化为氮气排除。在微生物阳极室中，进一步的降解有机物以及将进水中的氨氮转化为硝态氮。在阳极室和阴极室的双重作用下，增大了有机物的去除效果，同时完成了硝化反硝化脱氮作用。

[0021] 本发明中的微生物燃料电池和光催化技术能够实现优势互补，功能相互协调，使得污水处理成本低，发电量大。

附图说明

[0022] 图1为光催化协同微生物燃料电池处理污水同时发电装置的结构示意图。

[0023] 图中：1—废水进水口；2—阴极室出水口；3—阳极室进水口；4—阳极室出水口；5—涂二氧化硅导电玻璃；6—涂二氧化钛导电玻璃；7—导电填料；8—用电器；a—阴离子交换膜；b—阳离子交换膜；A—MFC阳极室；B—MFC阴极室。

具体实施方式

[0024] 结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不局限于此。

[0025] 下述实施例所用电极：分别由阴、阳极室的外侧壁连接各自室内的导电填料作为微生物燃料电池的电极，其中阴极室外侧壁为涂有二氧化钛（n型半导体）的导电玻璃，阳极室外侧壁为涂有二氧化硅（p型半导体）的导电玻璃。阳离子膜和阴离子膜均从日本旭硝子公司购买；除导电玻璃外其余反应装置外壳材料为有机玻璃。

[0026] 参见图1，本装置具有MFC阳极室A和MFC阴极室B。在阳极室A内放置有导电填料和硝化细菌，在阴极室B中放置有导电填料和反硝化细菌。以涂有二氧化钛光催化剂薄膜的导电玻璃为MFC阴极室的外侧壁，以涂有二氧化硅光催化剂薄膜的导电玻璃为MFC阳极室的外侧壁，分别在阴、阳极器的外侧壁上连接导电填料作为微生物燃料电池的电极。

[0027] 微生物燃料电池的阳极室A和阴极室B由离子交换膜隔开，离子交换膜由阴离子交换膜a以及阳离子交换膜b各一半组成一整张。离子交换膜的主要功能是使阳极室中硝化反应产生的质子和硝态氮转移到阴极室。

[0028] 在阴极室的底部设有废水进水口1，顶部设置阴极室出水口2，阳极室进水口3设置在阳极室底部，接通阴极室和阳极室，在阳极室的顶部设置阳极室出水口4。污水由进水口1进入阴极室，再经阴极室排水口2和阳极室进水口3进入阳极室，最后由出水口4出水。

[0029] 本装置中阳极室中的微生物为硝化细菌，主要功能是降解污水中的有机污染物以及将氨氮转化为硝态氮，同时将电子转移至电极，从而发电。阴极室的微生物为反硝化细菌，主要功能是将硝态氮转化为氮气，排出反应器。

[0030] 本装置的光催化技术部分为涂有光催化剂的导电玻璃作为反应器器壁。在紫外光照射下，电子由p型半导体经外电路流向n型半导体，外电流由阴极室流向阳极室。具体如下：

[0031] 阳极为涂有二氧化硅的导电玻璃5以及所连接的导电填料7。在紫外光照射下，p型半导体导电玻璃的电子向阴极迁移，并富集从阴极迁移过来的空穴，使阳极呈氧化性，在厌氧条件下，能将污水中的有机物氧化为二氧化碳和质子。阳极导电填料上生长的硝化细菌能将氨氮氧化为硝态氮，产生的电子经导电填料传至外电路。

[0032] 阴极为涂有二氧化钛的导电玻璃6以及所连接的导电填料7。在紫外光照射下，n型半导体导电玻璃的空穴向阳极迁移，二氧化钛会集结电子，使阴极呈还原性，为反硝化反应提供电子，在导电填料上生长的反硝化细菌作用下将硝态氮还原为氮气，排出反应器。

[0033] 微生物燃料电池的导电填料为碳纤维绳，供微生物在上面附着生长。

[0034] 外电路装有用电器8，用于观察和计算产电量。

[0035] 本装置的污水处理及发电的方法如下：

[0036] （1）微生物培养：在阳极室培养硝化细菌，在阴极室培养反硝化细菌；

[0037] （2）内电流产生：在阳极室中，有机物降解产生的质子由阳离子交换膜转入阴极室，在阴极室中供反硝化细菌进行反硝化反应。质子由阳极室转向阴极室，从而产生内电流，内电流方向从阳极流向阴极。

[0038] （3）有机物和氨氮的去除：将污水从进水口送进阴极室，污水中的一部分有机物质为反硝化细菌提供碳源，供反硝化细菌生长，使污水中原有的硝态氮被还原为氮气去除，同时去除部分有机物。阴极室出水直接送入阳极室。在阳极室中有机物被氧化去除，释放出质子，质子通过阳离子交换膜渗入阴极室。氨氮被硝化细菌氧化为硝态氮，硝态氮通过阴离子交换膜渗入阴极室，在阴极室被反硝化细菌还原为氮气，排出反应器，氨氮被去除。

[0039] （4）外电流产生：在紫外光线照射下，电子由涂有二氧化硅的阳极极流向涂有二氧化钛的阴极，形成外电流。外电流方向为阴极流向阳极。同时，有机物及氨氮在阳极室中被氧化，释放电子。微生物将电子由导电填料传递至阳极，再从外电路传递至阴极。硝态氮在阴极捕获电子，自身被还原为氮气。光催化和微生物燃料电池两者共同完成外电流的产生，外电流方向从阴极流向阳极。

[0040] 本装置的工艺参数如下：微生物燃料电池阳极室与阴极室的体积均为4.5L；涂有2
光催化剂的导电玻璃表面积为300cm。当有机废水化学需氧量为500 mg/L；氨氮含量为150
2
mg/L；有机废水流量为20 mL/min；紫外光照强度为0.5mW/cm 时，装置的产点能力为0.32
2
W/m，有机废水化学需氧量降解率为85.3% ，氨氮去除率为89.7%。