CN114275879A - 一种采用透光导电生物阴极的菌藻生物电化学系统处理污水的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用透光导电生物阴极的菌藻生物电化学系统处理污水的装置及方法，该装置包括透光导电阴极、生物阳极以及设置在反应器内部的膜曝气生物膜和微曝气装置，所述的透光导电阴极上附着生长微藻，另专门设置有微藻收集刮板，并且所述的生物阳极通过外接电路与透光导电阴极电连接，所述的系统可用于处理有机废水，与现有技术相比，本发明系统污水处理效果好，产电效率高，操作过程耗能低，整个系统运行稳定，高效节能，兼具污染物处理和产电功能，具有很好的开发运用前景。

Description

一种采用透光导电生物阴极的菌藻生物电化学系统处理污水 的装置及方法

技术领域

本发明属于污水处理技术与设备技术领域，涉及一种采用透光导电生物阴极的菌藻生物电化学系统处理污水的方法和应用。

背景技术

随着化石燃料的耗竭和二氧化碳排放过多对环境的破坏加剧，寻找生产清洁能源的替代技术显得尤为迫切。在生物电化学系统中，微生物燃料电池能在处理废水的同时将储存在有机物中的化学能转化为电能，既可以有效回收生物资源，又可以处理废水，所以是公认的一项很有潜力的技术。

近年来，将藻类引入微生物燃料电池阴极的光合藻类微生物燃料电池受到了广泛关注。在传统的微生物燃料电池中，阴极室的电子受体基本上是氧气，所以通常需要进行持续的机械曝气以保持阴极的还原反应正常进行，这就导致了经济成本的增加。而光合藻类微生物燃料电池就可以采用光合藻类作为生物阴极，通过光合藻类固定二氧化碳，同时进行光合作用产生氧气，这就可以为电极提供电子受体。这种方法既能处理废水又能收获微藻和电能，还能实现二氧化碳的固定。这就有望为人类面临的能源、水资源和环境这三大问题的解决提供一个新型的解决方案。

运用光合藻类微生物燃料电池的相关技术已有报道。

申请号为CN201910045387.5和CN202110007434.4的中国专利都公开了一种光合藻类微生物燃料电池，主要由阳极室、阴极室、质子交换膜和外电路系统组成，阴极表面附着有微藻生物膜。待处理的污水进入阳极室之后，由阳极室的微生物降解污水中的有机物，生成二氧化碳同时产生电子和质子，电子通过导线流至阴极从而产生电流。阴极上的微藻生物膜利用二氧化碳和污水中的氮和磷进行光合作用产生氧气，为阴极室内的还原反应提供电子受体。上述专利的技术方案虽然可以实现产电、微藻培养和污水处理的功能，但反应器构型为单室长方体型和双室H型，并不能像圆柱形构型的微生物燃料电池一样多角度接收光照。同时上述专利的反应器也无法让反应器的污水处于完全混合状态。

另外，申请号为CN201210136613.9和201510409538.2的专利分别公开了一种圆柱型的光合藻类微生物燃料电池反应器。其中，CN201210136613.9专利中的反应器是将微生物燃料电池与光生物反应器两个独立反应器相互耦合形成分体式结构，使废水经微生物燃料电池的阳极室后直接流入阴极室，阴极室中培养有微藻，阴极作为光生物反应器，阴极室和阳极室之间设有交换膜。201510409538.2专利中的反应器分为内圆桶和外圆桶，内圆桶和外圆桶之间的空间作为微藻培养腔室和放置微生物燃料电池的阴极。内圆桶壁上进行壁面镂空处理，并交替粘贴阴离子交换膜和阳离子交换膜。上述专利的技术方案虽然应用了圆柱型的反应器构型，并且器壁都为透光材料，但并不是直接将透光材料用作阴极。虽然都在阴极室培养微藻，但没有设置专门的微藻收集刮板，能在电池工作时进行微藻收集。虽然有供气单元，但是并不是膜曝气装置，脱氮除磷效率不高。虽然阳极都处于反应器中心，但是并不能起到导流作用。并且都装有离子交换膜，让结构更加复杂。

发明内容

本发明的目的在于设计一种直接将透光导电材料作为微生物燃料电池阴极和反应器器壁，并且能够同时实现产电、污水处理以及培养微藻的需求的圆柱形微生物燃料电池反应器及其应用。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种采用透光导电生物阴极的菌藻生物电化学系统处理污水的装置，包括圆柱形反应器，所述圆柱形反应器由外至内依次包括中空的透光生物阴极、微藻生长区域、刮板装置、膜曝气生物膜和中空的生物阳极；所述的生物阳极与圆柱形反应器底部之间留有一定的空间，所述透光生物阴极和生物阳极通过可调电阻连接形成回路；所述膜曝气生物膜分别与外部的排气管和供二氧化碳单元连接，所述微曝气装置分别与外部的进气管和供氧单元连接，所述圆柱形反应器的下部设有进水管道，所述进水管道位于中空的生物阳极的下方，所述圆柱形反应器上部设有出水管道和敞开区域。

优选地，所述刮板装置包括微藻收集刮板，所述微藻收集刮板设置在微藻生长区域内，所述微藻收集刮板的底部采用圆环状结构且紧贴透光生物阴极，所述微藻收集刮板底部的两侧分别设有倒钩，所述两侧的倒钩分别位于微藻生长区域与膜曝气生物膜内，所述微藻收集刮板通过底部的倒钩既可收集透光生物阴极内壁上的微藻，又可收集所述膜曝气生物膜上的生物膜。

优选地，所述微藻收集刮板的底部设有两个垂直设置的刮板提升装置，所述刮板提升装置延伸至圆柱形反应器外，通过刮板提升装置提升微藻收集刮板并在敞开区域收集微藻和生物膜。

优选地，所述微藻收集刮板上设置有微曝气装置，所述的微曝气装置采用圆环状结构设置在微藻收集刮板的底部上，所述微曝气装置分别与外部的进气管和供氧装置连接，所述进气管与刮板提升装置固定，所述供氧单元包括调节阀、压力表和氧气瓶；所述供氧单元根据需要调节供氧量，以达到二氧化碳和氧气之间的平衡。

优选地，所述微曝气装置采用鼓泡曝气，所述鼓泡曝气能产生气泡起到推流的作用，多余气体直接通过敞开区域排放到大气中。

优选地，所述圆柱形反应器的底部设有搅拌器，所述搅拌器位于中空的生物阳极的下方，所述进水管道位于搅拌器出口的一侧，起导流作用，使整个反应器内部的水流处于完全混合状态。

优选地，所述进水管道通过外接管路与出水管道相连通，所述外接管路上设有蠕动泵和污水桶；当水位达到出水管道的高度时，处理后的废水就能够溢流出圆柱形反应器，经外接管路排出或者再次回流至污水桶。

优选地，所述透光生物阴极内侧呈锯齿状结构，所述锯齿状结构有利于微藻的附着生长。

优选地，所述膜曝气生物膜采用中空圆柱型结构，所述膜曝气生物膜采用单侧向外曝气，所述膜曝气生物膜分别与外部的排气管和供二氧化碳单元连接，所述供二氧化碳单元包括调节阀、压力表和二氧化碳气瓶；所述供二氧化碳单元将二氧化碳提供给微藻生长区域内的微藻，作为光合作用的碳源，多余气体通过排气管排出圆柱形反应器。

本发明还提供了一种采用透光导电生物阴极的菌藻生物电化学系统处理污水的方法，步骤如下：

S1:有机废水通过进水管道进入圆柱形反应器内，经过搅拌器的作用，将有机废水推流至中空圆柱状结构的生物阳极内部，生物阳极内的阳极碳纸上附着大量产电微生物，废水流经生物阳极的阳极时，产电微生物会消耗降解有机质产生质子和电子，同时生产氨氮，电子由导线流出，经外接电路流向阴极，并由可调电阻进入透光生物阴极内；

S2:初步处理后的废水随后进入透光生物阴极的微藻生长区域，在光源的光照条件下，微藻利用水中的氮和磷合成新的微藻生物质，进一步去除污水中残留的氮和磷。

S3:在提高废水处理效率的同时获得微藻生物质；同时，一部分氨氮在流经膜曝气生物膜时进行硝化反硝化反应生成氮气，一部分生成的亚硝酸盐和硝酸盐被阴极利用，和藻类光合作用产生的氧气一起作为电子受体与经外接电路流入的电子结合发生还原反应。

本发明系统将已有机废水为原料产生电能，能有效得回收有机废水中的能量，将藻类光合作用、硝化、反硝化与微生物燃料电池技术相结合。实现同步产电，处理废水以及培养微藻。其中，有机废水进入反应器后，在阳极附近被电活性微生物代谢利用，产生二氧化碳、质子和电子，质子和电子迁移到阴极后与氧结合生产水，并产生电流，从而达到去除污水中有机污染物和产电的目的。然后，阴极上附着的微藻能够利用污水中的氮和磷合成新的微藻生物质，在提高废水处理效果的同时获得微藻生物质。此外，膜曝气生物膜上附着生长好氧硝化细菌形成生物膜，在膜曝气生物膜表面可实现氨氮的硝化反应，生成硝酸盐和亚硝酸盐，进一步去除微生物燃料电池处理后的污水中残留的氮和磷。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明的反应器器壁为透光导电材料，将传统反应器中相互独立的阴极和透光器壁结合成一部分。并且内侧制作成锯齿状，更有利于微藻的附着生长。

2)本发明设置有微藻收集刮板，使用简单，可随时刮除生长过盛的生物膜。

3)本发明设置有膜曝气生物膜，采用无泡曝气，具有传气效率高，无泡沫形成和能耗低等优点。并且表面生长硝化细菌，可加强污水中氮和磷的去除效果。

4)本发明利用底部设置的搅拌器、中空圆柱状的阳极和微曝气装置的鼓泡曝气，让反应器内的污水呈完全混合状态。

5)本发明设置的两个曝气装置，分别提供氧气/空气和二氧化碳，可以根据需要调节二者之间的比例，以达到最好的产电和水处理效果。

6)本发明无需离子交换膜，简化反应器。

附图说明

图1为本发明系统的结构的纵向剖面示意图；

图2为本发明系统的结构的横向剖面示意图。

图中序号如下：

1、透光生物阴极；2、生物阳极；3、膜曝气生物膜；4、微曝气装置；5、可调电阻；6、供二氧化碳单元；7、供氧气/空气单元；8、进水管道；9、出水管道；10、外接管路；11、蠕动泵；12、微藻生长区域；13、微藻收集刮板；14、刮板提升装置；15、光源；16、进气管；17、敞开区域；18、搅拌器；19、调节阀；20、压力表；21、污水桶；22、排气管；23、气泡。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1：

如图1和图2所示，为本发明提供的一种采用透光导电生物阴极的菌藻生物电化学系统处理污水的装置，包括圆柱形反应器，顶部为圆环型的敞开区域17，所述圆柱形反应器由外至内依次包括中空的透光生物阴极1、微藻生长区域12、刮板装置、膜曝气生物膜3和中空的生物阳极2。微藻收集刮板13的顶部为敞开区域，并且设置有出水管道9，反应器的底部设置有进水管道8，并且让污水通过导管从反应器底部的中心位置进入反应器。

透光生物阴极1是一个中空的圆柱，位于圆柱形反应器的最外层，且透光生物阴极1是由导电玻璃制成，即可导电，又可透光，透光生物阴极1和生物阳极2通过可调电阻5连接形成回路；生物阳极2与圆柱形反应器底部之间留有一定的空间，膜曝气生物膜3分别与外部的排气管22和供二氧化碳单元连接，所述微曝气装置4分别与外部的进气管16和供氧装置连接，所述圆柱形反应器的底部设有进水管道8，所述进水管道18位于中空的生物阳极2的下方，所述圆柱形反应器顶部的敞开结构上设有出水管道9。本发明提供的生物阳极2电极包括阳极电极和负载在阳极电极上的电活性微生物，该电活性微生物从污水处理厂的厌氧池污泥驯化得到，具体为地杆菌，透光生物阴极1包括阴极电极以及负载在阴极电极上的微藻，该微藻为小球藻；其中阳极电极材料为碳纸，透光生物阴极1材料为掺杂氟的氧化锡，膜曝气生物膜为硅橡胶致密膜。

刮板装置包括微藻收集刮板13，所述微藻收集刮板13设置在微藻生长区域12内，所述微藻收集刮板13的底部采用圆环状结构且紧贴透光生物阴极1，所述微藻收集刮板13底部的两侧分别设有倒钩，所述两侧的倒钩分别位于微藻生长区域12与膜曝气生物膜3内，所述微藻收集刮板13通过底部的倒钩既可收集透光生物阴极1内壁上的微藻，又可收集所述膜曝气生物膜3上的生物膜。

进一步，为了便于收集微藻和生物膜，在微藻收集刮板13的底部设有两个垂直设置的铁制的刮板提升装置14，所述刮板提升装置14延伸至圆柱形反应器外，通过刮板提升装置14提升微藻收集刮板13至敞开区域17后，收集微藻和生物膜。微藻收集刮板13上设置有微曝气装置4，所述的微曝气装置4采用圆环状结构设置在微藻收集刮板13的底部上，所述微曝气装置4分别与外部的进气管16和供氧装置连接，所述进气管16与刮板提升装置14固定，供氧单元7包括调节阀19、压力表和氧气瓶；所述供氧单元7根据需要调节供氧量，以达到二氧化碳和氧气之间的平衡。

进一步，所述微曝气装置4采用鼓泡曝气，所述鼓泡曝气能产生气泡23起到推流的作用，多余气体直接通过敞开区域17排放到大气中。

进一步，所述圆柱形反应器的底部设有搅拌器18，所述搅拌器18位于中空的生物阳极2的下方，所述进水管道18位于搅拌器18出口的一侧，起导流作用，使整个反应器内部的水流处于完全混合状态。

进一步，所述微藻收集刮板13采用不锈钢材质。

进一步，所述进水管道8通过外接管路10与出水管道9相连通，所述外接管路10上设有蠕动泵11和污水桶21；当水位达到出水管道9的高度时，处理后的废水就能够溢流出圆柱形反应器，经外接管路10排出或者再次回流至污水桶21。

进一步，所述透光生物阴极1内侧呈锯齿状结构，所述锯齿状结构有利于微藻的附着生长。

进一步，所述膜曝气生物膜3采用中空圆柱型结构，所述膜曝气生物膜3采用单侧向外曝气，所述膜曝气生物膜3分别与外部的排气管22和供二氧化碳单元6连接，所述供二氧化碳单元6包括调节阀、压力表20和二氧化碳气瓶；所述供二氧化碳单元6将二氧化碳提供给微藻生长区域12内的微藻，作为光合作用的碳源，多余气体通过排气管22排出圆柱形反应器；所述的膜曝气生物膜3可以在保持气体分压低于泡点的情况下，在腔室内曝气供二氧化碳，进而实现无泡曝气。

进一步，本实施例中，进水管道8和出水管道9连接的进水口和出水口均由有机玻璃制成，整体设计成圆柱形反应装置，直径为20cm，高为15cm，总容积约为4.7L。

进一步，本实施例中，外接电路为闭合外电路，可调电阻阻值大小设置为1000Ω。

本发明根据上述提供的装置，提供了采用透光导电生物阴极的菌藻生物电化学系统处理污水的方法，步骤如下：

S1:有机废水通过进水管道8进入圆柱形反应器内，经过搅拌器18的作用，将有机废水推流至中空圆柱状结构的生物阳极2内部，生物阳极2内的阳极碳纸上附着大量产电微生物，废水流经生物阳极2的阳极时，产电微生物会消耗降解有机质产生质子和电子，同时生产氨氮，电子由导线流出，经外接电路流向阴极，并由可调电阻5进入透光生物阴极1内；

S3:初步处理后的废水随后进入透光生物阴极1的微藻生长区域12，在光源15的光照条件下，微藻利用水中的氮和磷合成新的微藻生物质，进一步去除污水中残留的氮和磷。

S4:在提高废水处理效率的同时获得微藻生物质；同时，一部分氨氮在流经膜曝气生物膜时进行硝化反硝化反应生成氮气，一部分生成的亚硝酸盐和硝酸盐被阴极利用，和藻类光合作用产生的氧气一起作为电子受体与经外接电路流入的电子结合发生还原反应。

在实际应用中，本实施例用来处理高浓度的有机废水，废水的COD为1000mg/L左右，总氮浓度为200mg/L左右，总磷浓度10mg/L左右，反应温度控制为25℃附近，外接1000Ω外电阻，反应器最高输出电压可达到0.70V左右，连续运行250个小时左右，COD降解率为80％-85％，脱氮率为85％-90％。除磷率为50％-55％。

由此可见，本实施例中该系统能在达到较好的污水处理效果同时实现良好的产电效果。

实施例2：

本实施例中，微藻采用栅藻，阳极上负载的电化学微生物为希瓦氏菌，阳极电极材料采用碳布，膜曝气生物膜为疏水性微孔膜。废水的COD为1000mg/L左右，总氮浓度为100mg/L左右总磷浓度为5mg/L左右，其余同实施例1。

综上所述，本发明具有以下优点：

1)本发明的反应器器壁为透光导电材料，将传统反应器中相互独立的阴极和透光器壁结合成一部分。并且内侧制作成锯齿状，更有利于微藻的附着生长。

2)本发明设置有微藻收集刮板，使用简单，可随时刮除生长过盛的生物膜。

3)本发明设置有膜曝气生物膜，采用无泡曝气，具有传气效率高，无泡沫形成和能耗低等优点。并且表面生长硝化细菌，可加强污水中氮和磷的去除效果。

4)本发明利用底部设置的搅拌器、中空圆柱状的阳极和微曝气装置的鼓泡曝气，让反应器内的污水呈完全混合状态。

5)本发明设置的两个曝气装置，分别提供氧气/空气和二氧化碳，可以根据需要调节二者之间的比例，以达到最好的产电和水处理效果。

6)本发明无需离子交换膜，简化反应器。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用透光导电生物阴极的菌藻生物电化学系统处理污水的装置，其特征在于，包括圆柱形反应器，所述圆柱形反应器由外至内依次包括中空的透光生物阴极(1)、微藻生长区域(12)、刮板装置、膜曝气生物膜(3)和中空的生物阳极(2)；所述的生物阳极(2)与圆柱形反应器底部之间留有一定的空间，所述透光生物阴极(1)和生物阳极(2)通过可调电阻(5)连接形成回路；所述膜曝气生物膜(3)分别与外部的排气管(22)和供二氧化碳单元(6)连接，所述微曝气装置(4)分别与外部的进气管(16)和供氧单元(7)连接，所述圆柱形反应器的下部设有进水管道(8)，所述进水管道(18)位于中空的生物阳极(2)的下方，所述圆柱形反应器上部设有出水管道(9)和敞开区域(17)。

2.根据权利要求1所述的一种采用透光导电生物阴极的菌藻生物电化学系统处理污水的装置，其特征在于，所述刮板装置包括微藻收集刮板(13)，所述微藻收集刮板(13)设置在微藻生长区域(12)内，所述微藻收集刮板(13)的底部采用圆环状结构且紧贴透光生物阴极(1)，所述微藻收集刮板(13)底部的两侧分别设有倒钩，所述两侧的倒钩分别位于微藻生长区域(12)与膜曝气生物膜(3)内，所述微藻收集刮板(13)通过底部的倒钩既可收集透光生物阴极(1)内壁上的微藻，又可收集所述膜曝气生物膜(3)上的生物膜。

3.根据权利要求2所述的一种采用透光导电生物阴极的菌藻生物电化学系统处理污水的装置，其特征在于，所述微藻收集刮板(13)的底部设有两个垂直设置的刮板提升装置(14)，所述刮板提升装置(14)延伸至圆柱形反应器外，通过刮板提升装置(14)提升微藻收集刮板(13)并在敞开区域(17)收集微藻和生物膜。

4.根据权利要求3所述的一种采用透光导电生物阴极的菌藻生物电化学系统处理污水的装置，其特征在于，所述微藻收集刮板(13)上设置有微曝气装置(4)，所述的微曝气装置(4)采用圆环状结构设置在微藻收集刮板(13)的底部上，所述微曝气装置(4)分别与外部的进气管(16)和供氧装置连接，所述进气管(16)与刮板提升装置(14)固定，所述供氧单元(7)包括调节阀(19)、压力表和氧气瓶；所述供氧单元(7)根据需要调节供氧量，以达到二氧化碳和氧气的直接的平衡。

5.根据权利要求4所述的一种采用透光导电生物阴极的菌藻生物电化学系统处理污水的装置，其特征在于，所述微曝气装置(4)采用鼓泡曝气，所述鼓泡曝气能产生气泡(23)起到推流的作用，多余气体直接通过敞开区域(17)排放到大气中。

6.根据权利要求2所述的一种采用透光导电生物阴极的菌藻生物电化学系统处理污水的装置，其特征在于，所述圆柱形反应器的底部设有搅拌器(18)，所述搅拌器(18)位于中空的生物阳极(2)的下方，所述进水管道(18)位于搅拌器(18)出口的一侧，起导流作用，使整个反应器内部的水流处于完全混合状态。

7.根据权利要求1所述的一种采用透光导电生物阴极的菌藻生物电化学系统处理污水的装置，其特征在于，所述进水管道(8)通过外接管路(10)与出水管道(9)相连通，所述外接管路(10)上设有蠕动泵(11)和污水桶(21)；当水位达到出水管道(9)的高度时，处理后的废水就能够溢流出圆柱形反应器，经外接管路(10)排出或者再次回流至污水桶(21)。

8.根据权利要求1所述的一种采用透光导电生物阴极的菌藻生物电化学系统处理污水的装置，其特征在于，所述透光生物阴极(1)内侧呈锯齿状结构，所述锯齿状结构有利于微藻的附着生长。

9.根据权利要求2所述的一种采用透光导电生物阴极的菌藻生物电化学系统处理污水的装置，其特征在于，所述膜曝气生物膜(3)采用中空圆柱型结构，所述膜曝气生物膜(3)采用单侧向外曝气，所述膜曝气生物膜(3)分别与外部的排气管(22)和供二氧化碳单元(6)连接，所述供二氧化碳单元(6)包括调节阀、压力表(20)和二氧化碳气瓶；所述供二氧化碳单元(6)将二氧化碳提供给微藻生长区域(12)内的微藻，作为光合作用的碳源，多余气体通过排气管(22)排出圆柱形反应器。

10.一种采用透光导电生物阴极的菌藻生物电化学系统处理污水的方法，其特征在于，步骤如下：

S1:有机废水通过进水管道(8)进入圆柱形反应器内，经过搅拌器(18)的作用，将有机废水推流至中空圆柱状结构的生物阳极(2)内部，生物阳极(2)内的阳极碳纸上附着大量产电微生物，废水流经生物阳极(2)的阳极时，产电微生物会消耗降解有机质产生质子和电子，同时生产氨氮，电子由导线流出，经外接电路流向阴极，并由可调电阻(5)进入透光生物阴极1内；

S3:初步处理后的废水随后进入透光生物阴极(1)的微藻生长区域(12)，在光源(15)的光照条件下，微藻利用水中的氮和磷合成新的微藻生物质，进一步去除污水中残留的氮和磷。

S4:在提高废水处理效率的同时获得微藻生物质；同时，一部分氨氮在流经膜曝气生物膜时进行硝化反硝化反应生成氮气，一部分生成的亚硝酸盐和硝酸盐被阴极利用，和藻类光合作用产生的氧气一起作为电子受体与经外接电路流入的电子结合发生还原反应。

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