光催化燃料電池強化廢水生物脫氮新方法研究

在國家自然科學基金（批準號：21477076）的資助下，針對本項目提出的基于光催化燃料電池系統(tǒng)的低濃度城市污水同步COD去除與脫氮處理研究的科學問題，通過賈金平教授、應迪文講師、李侃助理教授、三位博士生和五位碩士生的研究，申請書中所列研究計劃的要點已基本完成。本項目分析了目前低濃度城市污水處理的瓶頸問題，在光催化燃料電池高效光陽極、光催化燃料電池全電池特性、陰極產(chǎn)物設計方面進行了研究。在高效光陽極方面，制備了微米深孔結(jié)構(gòu)的深丘型二氧化鈦納米管電極、1D結(jié)構(gòu)的二氧化鈦納米線電極，并對其在光降解模擬染料有機物的降解構(gòu)效關系與產(chǎn)電性能進行了研究；在光催化燃料電池全電池的性能優(yōu)化方面，分別從反應器原理、光電流組成以及界面反應的角度，闡述了光催化燃料電池的電位匹配理論，提出了光催化燃料電池改進的方法；在光生電子的利用即陰極產(chǎn)物的選擇性合成方面，本項目研究了陰極利用光生電子產(chǎn)H2O2反應適用的催化劑以及利用光生電子強化脫氮陰極反應微生物膜，闡述了陰極反應產(chǎn)物設計下的光催化燃料電池設計的可行性。 受本項目資助，已發(fā)表與本項目相關SCI源論文（含錄用）8篇，國內(nèi)核心期刊2篇，會議論文2篇，其中在本領域A類刊物上發(fā)表論文6篇（包括Water Research 1篇，Applied Catalysis B: Environmental 1篇，Bioresource Technology 1篇，Journal of Power Sources 2篇，Chemical Engineering Journal 1篇）。同時還有3篇文章在審閱或整理中。已申請專利3項。共培養(yǎng)了3名博士研究生，5名碩士研究生。項目研究過程中參加了國內(nèi)外各種學術會議，邀請國內(nèi)外知名專家進行指導，組織課題組成員到國內(nèi)外知名高校和研究所參觀學習。 2100433B

目前，我國水環(huán)境的形勢依然嚴峻，沿江等COD排放標準一再提高，氨氮、總氮等指標也日趨嚴格。而一味地強化處理效果以滿足嚴格的排放標準將消耗大量的能量，亟需開發(fā)基于清潔能源的高效低耗廢水深度處理新方法。本研究將光催化燃料電池技術引入廢水深度處理領域，將廢水中有機物的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，不僅在陰極高效深度處理低濃度COD及殘存的氨氮，并在陰極同步強化微生物反硝化脫氮，同時還能產(chǎn)生一定的電能。具體研究主要從以下幾個方面展開：1）研究高效多維光催化陽極與負載催化劑陽極的合成方法，研制具有高降解效能大電流的新型大比表面光催化陽極。2）研究燃料電池輸出電壓、電流與FF因子等產(chǎn)電特性，優(yōu)化燃料電池內(nèi)阻，并對電池串并聯(lián)性能進行優(yōu)化。3）研究光生電子陰極強化微生物反硝化脫氮新方法，以燃料電池供給光生電子，馴化并強化電生物膜陰極反硝化脫氮，并研究強化電生物膜脫氮機理。

（1）新型高效光催化劑，包括可見光光催化劑的研究與開發(fā)；

（2）光催化技術在空氣凈化和污水處理等環(huán)保領域的應用研究；

（3）光催化技術在軍事領域的應用研究；

（4）光催化技術在醫(yī)療方面的應用研究和技術開發(fā)；

（5）光催化技術在高壓輸變電線路安全保障方面的應用研究；

（6）光催化技術及其產(chǎn)品的工程化和產(chǎn)業(yè)化研究與設計。

本書以技術研究與工程實際相結(jié)合，全面、系統(tǒng)地闡述了化工園區(qū)廢水強化處理技術及工程應用。全書共7章，分別介紹了化工園區(qū)廢水處理生物強化組合技術及其工程應用，精細化工園區(qū)、印染工業(yè)園區(qū)和制藥工業(yè)園區(qū)廢水綜合治理成套技術與工程應用，維生素C廢水深度處理關鍵技術與應用工程示范，化工園區(qū)廢水長效穩(wěn)定運營機制與智能化控制技術，是本研究項目組十多年從事化工園區(qū)廢水處理研究的大量成果與工程實踐的系統(tǒng)總結(jié)。

實踐中多采用硝化-反硝化作用的生物脫氮法對廢水進行處理。已對活性污泥法、生物膜法處理過程中的嫌氣反應與好氣反應經(jīng)過各種形式組合設計出多種處理程序。