基于太阳光催化的无碳同步硝化反硝化生物脱氮技术

水体富营养化问题已经成为世界范围内的重大环境问题，控制污水中的氮排放迫在眉睫。而城市污水普遍存在的碳源不足问题，极大的限制了现有生物脱氮工艺的处理效率。因此急需研究新的脱氮工艺，解决碳源不足对生物脱氮的限制问题。本项目提出研究基于太阳光催化的无碳同步硝化反硝化生物脱氮技术，采用光催化剂为载体，利用太阳光激发光催化剂，将光催化剂的价带作为氨氮硝化的电子受体，同时将光催化剂的导带作为硝酸盐反硝化的电子供体，通过太阳光-光催化剂-微生物系统的耦合作用，实现无碳源条件下的污水生物脱氮。本项目拟从微观电子传递角度,研究光催化剂同时作为电子受体和电子供体，嵌入生物脱氮电子传递链的机理和效果。并从宏观污水处理工艺角度，研究城市污水无碳源生物脱氮工艺的控制条件，力图为低碳源城市污水脱氮问题提供一条新的解决途径。

城市污水普遍存在的碳源不足问题，极大的限制了现有生物脱氮工艺的处理效率，急需研究新的脱氮工艺。本项目提出研究基于太阳光催化的无碳同步硝化反硝化生物脱氮技术，采用光催化剂为载体，利用太阳光激发光催化剂，将光催化剂的价带作为氨氮硝化的电子受体，同时将光催化剂的导带作为硝酸盐反硝化的电子供体，通过太阳光-光催化剂-微生物系统的耦合作用，实现无碳源条件下的污水生物脱氮，为低碳源城市污水脱氮问题提供一条新的解决途径。项目主要研究了：①太阳光响应型光催化剂载体的研制；②基于太阳光光催化的无碳同步硝化反硝化生物脱氮效果及影响因素研究；③系统脱氮机理及长效维持技术研究。. 用CuO对TiO2光催化剂进行改性，获得了具有可见光响应特性的CuO/TiO2光催化剂。CuO/TiO2催化剂具有良好的可见光响应性能，其最大激发波长为821nm;改性后催化剂的电子-空穴对复合几率明显降低,比表面积从181.3m2/g增加至241.8m2/g。用一步水热法制备了BiVO4-石墨烯复合材料。石墨烯的加入未改变BiVO4的晶形，减少了BiVO4纳米颗粒的团聚，且BiVO4-石墨烯的可见光光催化活性高于BiVO4。CuO/TiO2和BiVO4-石墨烯光催化剂均是潜在的光催化强化微生物燃料电池构建材料。. 分别采用镀有二氧化钛和二氧化硅薄膜的导电玻璃板与微生物燃料电池阳、阴极连接制成了光催化强化微生物燃料电池。研究发现，当系统进水不含有机物时，系统仍有一定的脱氮效果，实现了系统在无氧耗无碳耗条件下完成的能力；当逐渐增加阳极室氨氮浓度以及阴极室硝态氮浓度，系统脱氮效果逐步增加；增加光催化作用后，系统脱氮和产电性能都进一步提升，电流从由0.012mA增加到0.032mA，微生物燃料电池两级电势差由20mV增加到了70mV，说明结合光催化作用可以增强系统的电势，从而增强系统的脱氮和产电效果。本研究表明在系统不存在有机物时，氨氮和光催化激发的电子是反硝化脱氮的电子供体,其电子传递过程为：氨氮→硝化细菌→光催化剂价带→光催化剂导带→反硝化细菌→硝酸盐→氮气。