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转让专利

申请号 : CN201510540288.6

文献号 : CN105098217B

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相似专利:

发明人 : 陈潇邱凌

申请人 : 西北农林科技大学

摘要 :

本发明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。一种三维电极光电微生物燃料电池反应器,其结构主要包括由质子交换膜隔开的阳极室和阴极室。其中,阳极室由光催化板隔成上下两部分,上部为光催化区,下部为流化床生物膜微生物厌氧消化区,由于光催化板的作用,使下部的生物膜免受紫外光的杀伤,实现了光催化和微生物厌氧消化在同一反应器内的耦合;阴极室由底部开设通气孔的隔板隔成左右两部分,左区为光催化CO2甲烷化区,阴极室内填充的颗粒生物炭对沼气起到了进一步的提纯作用,反应器最终生成的沼气由右区输出。本发明实现了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。

权利要求 :

1.一种三维电极光电微生物燃料电池反应器,其特征在于:所述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;所述阴极室的隔板,上端与阴极室顶部齐平,下端与阴极室底部保持一定距离,从而形成通气孔,所述通气孔的高度和阴极室内填充的生物炭颗粒的高度相同;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;所述阳极室上,设置循环泵,所述循环泵的进水口连接微生物厌氧消化区器壁下边缘的循环液出水口,所述循环泵的排水口连接光催化区,所述循环液出水口处设置有孔隙板;所述阴极以Ti为基底的TiO2 薄膜电极作为阴极;

所述阳极室的上方和所述阴极室的左部外侧面均设有紫外光源;所述微生物厌氧消化区及所述阴极室内,填充有生物炭颗粒,与所述阳极和阴极一起构成三维电极。

2.根据权利要求1所述的三维电极光电微生物燃料电池反应器,其特征在于:所述光催化板,其在光催化区一侧的表面涂有纳米TiO2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,所述光催化板材料采用陶瓷或玻璃。

3.根据权利要求1所述的三维电极光电微生物燃料电池反应器,其特征在于:所述质子交换膜前,靠近所述阳极室侧,设置孔隙板。

4.根据权利要求1所述的三维电极光电微生物燃料电池反应器,其特征在于:所述孔隙板孔径应小于所述阳极室内填充的生物炭颗粒粒径。

5.根据权利要求1所述的三维电极光电微生物燃料电池反应器,其特征在于:所述紫外光源,由开关控制,且被紫外光源照射的所述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。

6.一种基于权利要求1所述的三维电极光电微生物燃料电池反应器的沼气提质增效方法,其特征在于:首先在无紫外光照射下进行生物膜的挂膜,挂膜成功后,随后开启循环泵和紫外灯,发酵料液在所述反应器的阳极室内循环流动,交替被光催化降解与微生物厌氧消化,其中微生物厌氧消化过程无紫外光照射;从所述反应器的阳极室中产生的沼气,通过所述导气管导入到所述阴极室狭长的左区内,所导入沼气中的CO2和从所述质子交换膜中透入的由阳极室微生物分解有机质时产生的氢质子H+,在阴极室外侧的紫外光源照射到TiO2 薄膜阴电极上,发生光催化反应的条件下发生化学反应生成CH4,实现了CO2甲烷化,增加了所述反应器产生的沼气中CH4百分含量,同时,当沼气从所述阴极室左区穿过所述隔板底部的通气孔流向右区时,阴极室中填充的生物炭颗粒,由于大的比表面积和孔隙率,可以吸附和作用于沼气中的杂质组分,使沼气得到了进一步提纯。

说明书 :

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,通过将农作物秸秆、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TiO2光催化技术,通过在紫外光照射下,会在TIO2表面产生氧化能力很强的自由基、活性物质等,如·OH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TiO2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TiO2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TiO2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:(1)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TiO2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] 一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:
[0009] 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TiO2,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。料液通过循环泵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。
[0010] 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TiO2薄膜阴电极时发生光催化反应),沼气中的CO2和H+发生反应生成CH4,反应式如下:
[0011] CO2+8H++8e-→CH4+H2O
[0012] 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。
[0013] 本发明的技术方案:
[0014] 一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;
[0015] 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:
[0016] 所述微生物厌氧消化,为序批式厌氧消化;
[0017] 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%;
[0018] 所述阳极室上,设置循环泵,水泵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,水泵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;
[0019] 所述光催化板,其在光催化区一侧的表面涂有纳米TiO2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;
[0020] 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气管处设置氮气曝气口;
[0021] 所述阳极室微生物厌氧消化区的器壁上部,设置进料口,口上设密封盖;
[0022] 所述阴极室右区,顶部设置沼气输出口,外侧壁上部设置溢流管;
[0023] 所述阴极室隔板,上端与阴极室顶部齐平,下端与阴极室底部保持一定距离,从而形成通气孔,所述通气孔高度和阴极室内填充粒子高度相同;
[0024] 所述质子交换膜前,靠近所述阳极室侧,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;
[0025] 作为优选,所述变电阻,电阻可变范围为500~1000Ω;
[0026] 作为优选,所述阳极,采用不锈钢板、钛板或炭系板、石墨板;
[0027] 作为优选,所述阴极,采用以Ti为基底的TiO2薄膜电极;
[0028] 作为优选,所述阴极室内,配磷酸盐缓冲溶液;
[0029] 作为优选,除特殊部位外,所述阳极室和阴极室采用有机玻璃材料制作。
[0030] 一种利用三维电极光电微生物燃料电池技术的沼气提质增效方法:
[0031] 所述方法主要分为两部分,即阳极室内增强微生物厌氧消化的方法,及阴极室内CO2甲烷化与沼气提纯的方法。下面分别进行说明:
[0032] (一)阳极室内增强微生物厌氧消化的方法:
[0033] 在所述反应器的启动阶段,首先在无紫外光照射下进行生物膜的挂膜;
[0034] 挂膜成功后,厌氧消化料液在如技术方案所述的阳极室内循环流动,交替被光催化降解与微生物厌氧消化,其中微生物厌氧消化过程无紫外光照射。
[0035] 进一步,厌氧消化的发酵原料不同时,所述生物膜的挂膜方法也不同:在处理难厌氧消化的发酵原料时,将经驯化的活性污泥或针对难厌氧消化发酵原料所培养的特殊微生物菌种溶液浸没生物膜载体,在阳极室内循环流动,挂膜时间5~10天;在处理易厌氧消化的发酵原料时,在厌氧发酵的过程中自然生成生物膜,挂膜时间7~14天。
[0036] 在阳极室内,采用本技术方案,通过循环泵让厌氧消化料液在阳极室内循环流动,当其流过光催化板表面时,在紫外光的照射下,料液主要进行光催化反应并得到一定的降解,且由于所述微生物燃料电池产生的内部偏电场作用,延缓光催化反应中光生电子和空穴复合的时间,提高光催化效率,降低能耗。当料液流过阳极室下部时,料液和以颗粒生物炭为载体的生物膜表面接触,主要进行厌氧消化反应。根据料液的透明程度,通过调节阳极室内微生物厌氧消化区进料量来控制阳极室内的料液高度,从而达到控制光催化板表面料液层厚度,增加紫外光的透射率,提高光催化效率,进而促进厌氧消化效率,提高沼气产气效率,同时也提高了微生物燃料电池的产电能力。
[0037] 所述微生物厌氧消化区,由于填充的生物膜载体为悬浮态的生物炭颗粒,加上循环泵5促进料液在该区域的循环流动,使其成为流化床生物膜反应区,增强了厌氧消化反应。
[0038] 所述光催化板作为遮光板挡住了紫外光对微生物厌氧消化区的照射,避免了紫外光对微生物细胞的杀伤作用。
[0039] 所述阳极室的光催化区上方由石英玻璃板覆盖,如此结构可以保证紫外光对光催化板的直接充分照射,进行光催化降解处理。
[0040] 所述生物炭颗粒,既是一种比较理想的生物膜载体,挂膜效果较好,还是一种良好的三维粒子电极,对微生物燃料电池有较好的促进作用,且绿色经济。
[0041] 所述质子交换膜前的空隙板的作用,是防止厌氧消化料液堵塞质子交换膜,对质子交换膜起保护作用,延长其使用寿命。
[0042] 所述微生物厌氧消化区循环液出水口前及所述光催化板下水口处的孔隙板作用,是阻止生物膜流入光催化区而使生物膜中的微生物被紫外光杀伤以致破坏生物膜结构。
[0043] (二)阴极室内CO2甲烷化与沼气提纯的方法:
[0044] 将阳极室产生的沼气通过导气管引入到阴极室狭长的左区。在左区,阴极室外侧的紫外光源照射到TiO2薄膜阴电极,发生光催化反应。于是,引入的沼气中的CO2和质子交换膜中透入的氢质子H+(由阳极室微生物分解有机质时产生)在光催化条件下发生化学反应生成CH4,实现了CO2甲烷化,增加了所述反应器产生的沼气中CH4百分含量。同时,当沼气从阴极室左区穿过隔板底部的通气孔流向右区时,阴极室中填充的生物炭颗粒,由于大的比表面积和孔隙率,可以吸附和作用于沼气中的杂质组分如H2S等,使沼气得到了进一步提纯。
[0045] 所述阴极室内的隔板,其作用是让左部的CO2甲烷化反应更充分,防止CO2过早从阴极室逸出。
[0046] 所述的阴极室中的生物炭颗粒,除了上述的对沼气提纯的作用外,还起到了三维电极的作用。
[0047] 本发明的有益效果:
[0048] (1)本发明提供了一种集光催化、三维电极及微生物燃料电池于一体的反应器。该反应器以自身微生物燃料电池产生的内部电场作为偏电场,来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;在微生物燃料电池的阳极室,采用负载有光催化剂的平板(光催化板)将其分为光催化反应区和微生物厌氧消化区,由于光催化板的遮挡作用,使厌氧消化区的微生物避开光催化区中紫外光的杀伤作用从而实现了光催化和厌氧消化的协同发生,这样难降解有机物在光催化剂和生物膜的联合作用下,大大提高降解效率;同时,本发明在传统微生物燃料电池阴阳两极间加入生物炭颗粒,构成三维电极,增加了燃料电池内部溶液的电导率,降低了内阻,提高了效率。综上,本发明实现了微生物燃料电池技术、光催化技术及三维电极技术的耦合,增强了难降解有机质的降解,提高了微生物燃料电池的产电性能。
[0049] (2)本发明实现了沼气的高效、高品质生产。一方面,微生物燃料电池的阳极室中,高效的流化床生物膜厌氧消化技术、光催化技术及三维电极技术的结合,使厌氧消化效率大大提高,实现了沼气的高效生产;另一方面,微生物燃料电池的阴极室中,经阳极室产生的沼气中的CO2和从质子交换膜中透入的氢质子H+在光催化条件下发生化学反应生成CH4,这既提高了输出沼气中的CH4含量,又去除了CO2杂质,实现了沼气的高品质生产;此外,阴极室中的生物炭颗粒,由于大的比表面积和孔隙率,可以吸附和作用于沼气中的杂质组分如H2S等,也起到了提纯沼气的作用,有助于实现沼气的高品质生产。
[0050] (3)本反应器具有装置结构紧凑和高效快速地处理有机废弃物和畜禽粪便的特点,改变了国内外现有技术的分体式反应器结构,对沼气生产应用领域、微生物燃料电池领域、难降解有机物处理领域、污废水处理领域都具有十分重要的意义。

附图说明

[0051] 图1是本发明的三维电极光电微生物燃料电池反应器的结构示意图
[0052] 图中:1.孔隙板,2.阳极室,3.进料口,4.光催化板,5.循环泵,6.循环液管,7.氮气曝气口,8.阳极,9.紫外光源,10.导气管,11.阴极,12.沼气输出口,13.溢流管,14.阴极室,15.隔板,16.通气孔,17.质子交换膜,18.孔隙板,19.紫外光源,20.下水口,21.循环液出水口,22.变电阻。

具体实施方式

[0053] 下面结合附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
[0054] 实施例一:
[0055] 一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17隔开的阳极室2和阴极室14,所述阳极室内设阳极8,阴极室内设阴极11,阳极和阴极由导线外接变电阻22相连,所述阳极室由光催化板4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15隔成左右两部分,隔板底部开设通气孔16;
[0056] 紫外光源9、19,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;
[0057] 所述微生物厌氧消化,为序批式厌氧消化;
[0058] 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%;
[0059] 所述阳极室上,设置循环泵5,水泵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21,水泵的排水口连接光催化区,所述循环液出水口设置孔隙板1,所述孔隙板孔径应小于所述填充的生物炭颗粒粒径;
[0060] 所述光催化板,其在光催化区一侧的表面涂有纳米TiO2涂层,并在靠近外壁侧设置有下水口20,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;
[0061] 所述阳极室顶部侧边缘处设置导气管10,所述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气管处设置氮气曝气口7;
[0062] 所述阳极室微生物厌氧消化区的器壁上部,设置进料口3,口上设密封盖;
[0063] 所述阴极室右区,顶部设置沼气输出口12,外侧壁上部设置溢流管13;
[0064] 所述阴极室隔板,上端与阴极室顶部齐平,下端与阴极室底部保持一定距离,从而形成通气孔16,所述通气孔高度和阴极室内填充粒子高度相同;
[0065] 所述质子交换膜前,靠近所述阳极室侧,设置孔隙板18,所述孔隙板孔径应小于所述填充的生物炭颗粒粒径;
[0066] 作为优选,所述变电阻,电阻可变范围为500~1000Ω;
[0067] 作为优选,所述阳极,采用不锈钢板、钛板或炭系板、石墨板;
[0068] 作为优选,所述阴极,采用以Ti为基底的TiO2薄膜电极;
[0069] 作为优选,所述阴极室内,配磷酸盐缓冲溶液;
[0070] 作为优选,除特殊部位外,所述阳极室和所述阴极室采用有机玻璃材料制作。
[0071] 实施例二:
[0072] 一种利用三维电极光电微生物燃料电池技术的沼气提质增效方法(以秸秆和畜禽粪便为原料):
[0073] 首先在无紫外光照射下进行生物膜的挂膜:关闭紫外光源9、19,将驯化好的活性污泥溶液或针对难降解有机质所培养的特殊微生物菌液加入微生物阳极室2中,使其浸没生物膜载体(3~5mm粒径的颗粒生物炭),并通过循环泵5在微生物阳极室2内循环,通过吸附接种后,经过5~10天后形成成熟的生物膜,排出多余的活性污泥或菌液。
[0074] 待生物膜形成之后,取风干的农林废弃秸秆并切碎至3cm左右,同时取新鲜畜禽粪便并过筛剔除杂物,然后将两者按碳氮比25~30∶1的比例混合,并加水配制成干物质浓度为4%~10%(夏季取小值,冬季取大值)的发酵料液,从微生物燃料电池阳极室2的进料口3投加到反应器内,投加量为达到发酵料液在阳极室中的液面超过光催化板4的高度1~3cm为准,并投加已完成挂膜的生物膜,生物膜投加量为总投料量的30%左右。同时,在微生物燃料电池的阴极室14内装入生物炭颗粒(粒径同前面所述)及磷酸盐缓冲溶液(2.77g/L的NaH2PO4·2H2O、11.55g/L的Na2HPO4·2H2O、0.31g/L的NH4Cl和0.13g/L的KCl)。其中磷酸盐缓冲溶液,是用来调整个反应器的PH值为6.5~7.5且增加溶液电导率的,其投加量为使其在阴极室内的液面高度和阳极室中发酵料液液面高度持平为准,生物炭颗粒的投加量为阳极室中总料量的30%左右。在加料完成后,对阳极室和阴极室进行爆氮气排空5min后密封,两电极外接500~1000Ω电阻箱。随后开启循环泵5和紫外灯9、19,反应正式启动。循环泵5从阳极室下部的微生物厌氧消化区的下侧部抽出厌氧消化料液,压入到上部的光催化区,使料液平流过光催化板进行光催化后,通过下水孔20又进入到微生物厌氧消化区进行流化床生物膜厌氧消化反应,如此往复在阳极室内循环。阳极室内产生的沼气通过导气管10导入到阴极室内进行进一步处理。
[0075] 在阴极室14内,由阳极室产生的沼气通过导气管引入到阴极室狭长的左区。在左区,阴极室外侧的紫外光源19照射到TiO2薄膜阴电极11上,发生光催化反应。于是,导入的+沼气中的CO2和质子交换膜中透入的氢质子H (由阳极室微生物分解有机质时产生)在光催化条件下发生化学反应生成CH4,实现了CO2甲烷化,增加了所述反应器产生的沼气中CH4百分含量。同时,当沼气从阴极室左区穿过隔板15底部的通气孔16流向右区时,阴极室中填充的生物炭颗粒,由于大的比表面积和孔隙率,可以吸附和作用于沼气中的杂质组分如H2S等,使沼气得到了进一步提纯。最后,在沼气输出口12便得到了较高甲烷百分含量和较高纯度的沼气。
[0076] 上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。