CN104045151A - 一种基于生物电化学原理的原位沼气提纯反应器及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于生物电化学原理的原位沼气提纯反应器及方法，属于环境保护与可再生能源利用领域；反应器包括反应池、参考电极、生物阴极、阳极室和化学阳极，其中参考电极固定在反应池的侧部开孔处且其下部浸没在反应池的液体中，生物阴极和阳极室位于反应池中，化学阳极位于阳极室中，反应池同时充当阴极室和厌氧消化池，通过恒电位仪控制生物阴极电势，生物阴极启动期结束后，其表面形成同时具有产沼和沼气提纯功能的生物膜，连续运行时调整有机负荷和阴极电势，可达到同步厌氧产沼和原位沼气提纯最佳性能；本发明将生物法和原位法两种理念同时融合到沼气提纯过程中，不仅实现了甲烷增量和碳减排，而且简化了沼气提纯系统。
Description
技术领域
本发明属于环境保护与可再生能源利用领域，特别涉及一种基于生物电化学原理的原位沼气提纯反应器及方法。
背景技术
我国沼气行业在沼气产量和已建大中型沼气工程数量方面，均已位居世界第一，但沼气的利用手段单一，整体利用水平低下，且中小规模和分散式沼气工程居多。目前，能实现沼气的高效高值利用的一种重要技术是将生物质厌氧消化产生的沼气精制形成生物天然气(Bio-Natural Gas，BNG)，该技术的核心是沼气提纯，其目的在于去除沼气中的二氧化碳，以增加沼气的热值和能量密度，满足天然气沃泊系数要求。当前成熟的沼气提纯技术均属于纯物化法范畴，主要包括变压吸附(PSA)、洗涤和膜分离等，物化法的缺点在于只能作为后处理单元，因此较适合大中型沼气精制工程，对于小规模和分散式沼气精制工程而言，其经济可行性不高；同时，纯物化类沼气提纯技术会或多或少产生不必要的副产物，对这些副产物的处理处置又将进一步增加整个沼气提纯工艺系统的复杂性，导致投资大、运行成本高。因此，在能源结构调整和温室效应控制等新形势下，新型沼气提纯技术研发具有重要的现实和科学意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于生物电化学原理的原位沼气提纯反应器及方法，解决了传统物化法沼气提纯技术对小规模及分散式沼气精制工程的经济可行性不高、容易产生不必要副产物等问题，同时能有效改善厌氧产沼性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于生物电化学原理的原位沼气提纯反应器，包括反应池5、参考电极3、生物阴极6、阳极室7和化学阳极8，其中参考电极3固定在反应池5的侧部开孔处且其下部浸没在反应池5的液体中，生物阴极6和阳极室7位于反应池5中，化学阳极8位于阳极室7中，所述反应池5同时充当阴极室和厌氧消化池，其底部设有进水口，顶部设有排气口9和出水口。
所述反应池5进水口经管道连接有进水池1和进水泵2，出水口经管道连接有出水池10，所述参考电极3、生物阴极6和化学阳极8经导线连接至恒电位仪4。
所述参考电极3嵌入在丁基橡胶塞中。
所述生物阴极6和化学电极8均由未抛光的石墨材料制成。
所述生物阴极6有多个，相互并联设置。
所述阳极室7占反应池5体积的10-20％，其整体或液体浸没部分由阳离子交换膜卷制而成，两端用丁基橡胶塞堵住，并用环氧树脂进行整体密封处理。
本发明同时提供了基于所述反应器的原位沼气提纯方法，包括以下步骤：
步骤一，进水池1中的原废水在进水泵2作用下进入到反应池5，经厌氧消化处理后经反应池5出水口排入出水池10；
步骤二，向阳极室7内注入电解液，其无机盐组分与反应池5中溶液相同，不添加任何有机物，直接由水作为电子供体；
步骤三，启动恒电位仪4，并将生物阴极6的电势控制在-600～-800mV(相对于标准氢电极)；
步骤四，在生物阴极6启动期，将普通厌氧污泥接种到反应池5内，使最终污泥浓度维持在3-5g/L；按照普通厌氧消化池启动方式进行操作，启动期结束后，阴极表面形成同时具有产沼和沼气提纯功能的生物膜；原废水中有机物通过厌氧消化过程产生沼气，提纯后沼气经反应池5顶部排气口9得以收集。
所述的生物阴极6表面生物膜包含生物电甲烷(electromethanogenesis)和嗜氢甲烷化的甲烷古菌以及其他厌氧消化微生物。
在连续运行期，实时监测沼气中二氧化碳浓度高低，通过调整厌氧有机负荷和生物阴极6电势，以达到同步厌氧产沼和原位沼气提纯最佳性能。
本发明的技术原理：
生物电化学技术二氧化碳去除机制主要有3种。
a)生物电甲烷化(electromethanogenesis)，部分甲烷菌能直接利用电子将二氧化碳转化成甲烷(CO2+8H++8e-→CH4+2H2O)；
b)生物电化学辅助产氢+嗜氢甲烷化，生物阴极能产生氢气，嗜氢甲烷菌原位利用氢气将二氧化碳转成成甲烷(CO2+4H2→CH4+2H2O)；
c)电化学产碱+二氧化碳碱吸收，由于氢离子从阳极室经阳离子交换膜传递到阴极室的过程存在部分限制，导致阴极室产碱，能原位吸收部分二氧化碳。
以上3种机制都能实现原位沼气提纯功能。
与现有技术相比，本发明具有以下特点和有益效果：
本发明能同时将生物法和原位法两种理念融合到沼气提纯过程中，实现甲烷增量和沼气提纯的同时，不仅能大幅度减少二氧化碳排放，而且通过电化学产碱+二氧化碳碱吸收过程可以补充厌氧消化过程所需碱度；本发明中的低生物阴极电势有助于提高厌氧甲烷菌的活性，改善厌氧消化性能；本发明顺利将厌氧消化和沼气提纯进行原位耦合，实现两者的一体化与同步性，简化了沼气精制系统，尤其适合中小型厌氧产沼系统。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于生物电化学原理的原位沼气提纯反应器的结构示意图。
图2为本发明实施案例沼气提纯效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，一种基于生物电化学原理的原位沼气提纯反应器，主要包括参考电极3、反应池5、设于反应池内的生物阴极6、阳极室7、化学阳极8。参考电极3、生物阴极6和化学阳极8经导线连接至恒电位仪4。参考电极3首先嵌入丁基橡胶塞中，其整体再固定在反应池5的侧部开孔处，使参考电极3下端浸没在反应池的液体中。生物阴极6和阳极室7直接位于反应池5中，化学阳极8位于阳极室7中。反应池5同时充当阴极室和厌氧消化池，且其底部设有进水口，顶部分别设有出水口和排气口9，进水口经管道连接有进水池1和进水泵2，出水口经管道连接有出水池10。生物阴极6和化学电极8均由未抛光的石墨材料制成，在实际工程放大应用过程中，可以并联布置多个生物阴极6以提高沼气提纯效率。阳极室7占正反应池5体积的10-20％，其整体或液体浸没部分由阳离子交换膜卷制而成，两端用丁基橡胶塞堵住，并用环氧树脂对其整体进行密封处理。
基于上述反应器结构，在本发明实施例中，一种基于生物电化学原理的原位沼气提纯方法，主要包括以下步骤：
步骤一，进水池1中的原废水在进水泵2作用下进入到反应池5，经厌氧消化处理后经反应池5出水口排入出水池10。
步骤二，向阳极室7内注入电解液，其无机盐组分与反应池5中溶液相当，但不添加任何有机物，直接由水作为电子供体。
步骤三，启动恒电位仪4，并将生物阴极6的电势控制在-600～-800mV(相对于标准氢电极)。
步骤四，在生物阴极启动期，将普通厌氧污泥接种到反应池5内，使最终污泥浓度维持在3-5g/L；按照普通厌氧消化池启动方式进行操作，启动期结束后，阴极表面形成同时具有产沼和沼气提纯功能的生物膜；原废水中有机物通过厌氧消化过程产生沼气，提纯后沼气经反应池5顶部排气口9得以收集。
步骤五，在连续运行期，通过监测沼气中二氧化碳浓度高低，合理调整厌氧有机负荷和生物阴极6电势，以达到同步厌氧产沼和原位沼气提纯最佳性能。所述的生物阴极6表面生物膜包含生物电甲烷(electromethanogenesis)和嗜氢甲烷化的甲烷古菌以及其他厌氧消化微生物。
下面通过具体实验来说明本发明反应器及方法的使用效果。
实验所采用的原位沼气提纯反应器由体积为1L的微生物燃料电池的反应瓶改制而成。厌氧消化有效体积约为0.8L。生物阴极和阳极尺寸为25.4mm*76.2mm*12.7mm。阳极室由CMI-7000阳离子交换膜(MembranesInternational Inc.)卷制而成，占反应器体积的12％。
进水pH为6.5～7.5，碱度为1200mg/L(以CaCO3计)；进水有机物有乙醇、乙酸和丙酸组成，总浓度(以COD计)为400mg/L；反应器内温度控制在35-37℃；通过恒电位仪将生物阴极的电势控制在-700mV(相对于标准氢电极)。阳极室内电解液与反应池溶液中的无机盐组分如表1所示。定期泵入高纯水以补充阳极室内消耗掉的水分。同时为了避免阳极产生的氧气对厌氧消化过程产生影响，实验中利用80％N2-20％CO2混合气对阳极室溶液进行微曝气以吹脱产生的氧气。为便于比较，同时设置了对照试验。
表1阳极室内电解液与反应池溶液中的无机盐组分
生物阴极启动期持续7天，在连续运行期，考察了两种不同有机负荷下的原位沼气提纯效果。阶段A(0～10d)的有机负荷为0.125gCOD·L-1·d-1，阶段B(10～22d)的有机负荷为0.25gCOD·L-1·d-1。如图2所示，在两种有机负荷条件下，提纯反应器产生的沼气中二氧化碳浓度都明显低于对照试验结果，这说明本发明所述方法均取得了较好的沼气提纯效果。
对于本技术领域的普通技术人员来说，在上述原理的基础上，还可以对本发明所述方法做出若干改变和改进，这些改变和改进也应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于生物电化学原理的原位沼气提纯反应器，其特征在于，包括反应池(5)、参考电极(3)、生物阴极(6)、阳极室(7)和化学阳极(8)，其中参考电极(3)固定在反应池(5)的侧部开孔处且其下部浸没在反应池(5)的液体中，生物阴极(6)和阳极室(7)位于反应池(5)中，化学阳极(8)位于阳极室(7)中，所述反应池(5)同时充当阴极室和厌氧消化池，其底部设有进水口，顶部设有排气口(9)和出水口。
2.根据权利要求1所述的基于生物电化学原理的原位沼气提纯反应器，其特征在于，所述反应池(5)进水口经管道连接有进水池(1)和进水泵(2)，出水口经管道连接有出水池(10)。
3.根据权利要求1所述的基于生物电化学原理的原位沼气提纯反应器，其特征在于，所述参考电极(3)、生物阴极(6)和化学阳极(8)经导线连接至恒电位仪(4)。
4.根据权利要求1所述的基于生物电化学原理的原位沼气提纯反应器，其特征在于，所述参考电极(3)嵌入在丁基橡胶塞中。
5.根据权利要求1所述的基于生物电化学原理的原位沼气提纯反应器，其特征在于，所述生物阴极(6)和化学电极(8)均由未抛光的石墨材料制成。
6.根据权利要求1所述的基于生物电化学原理的原位沼气提纯反应器，其特征在于，所述生物阴极(6)有多个，相互并联设置。
7.根据权利要求1所述的基于生物电化学原理的原位沼气提纯反应器，其特征在于，所述阳极室(7)占反应池(5)体积的10-20％，其整体或液体浸没部分由阳离子交换膜卷制而成，两端用丁基橡胶塞堵住，并用环氧树脂进行整体密封处理。
8.基于权利要求1所述反应器的原位沼气提纯方法，包括以下步骤：
步骤一，进水池(1)中的原废水在进水泵(2)作用下进入到反应池(5)，经厌氧消化处理后经反应池(5)出水口排入出水池(10)；
步骤二，向阳极室(7)内注入电解液，其无机盐组分与反应池(5)中溶液相同，不添加任何有机物，直接由水作为电子供体；
步骤三，启动恒电位仪(4)，并将生物阴极(6)的电势控制在-600～-800mV(相对于标准氢电极)；
步骤四，在生物阴极(6)启动期，将普通厌氧污泥接种到反应池(5)内，使最终污泥浓度维持在3-5g/L；按照普通厌氧消化池启动方式进行操作，启动期结束后，阴极表面形成同时具有产沼和沼气提纯功能的生物膜；原废水中有机物通过厌氧消化过程产生沼气，提纯后沼气经反应池(5)顶部排气口(9)得以收集。
9.根据权利要求8所述方法，其特征在于：所述的生物阴极(6)表面生物膜包含生物电甲烷(electromethanogenesis)和嗜氢甲烷化的甲烷古菌以及其他厌氧消化微生物。
10.根据权利要求8所述方法，其特征在于：在连续运行期，实时监测沼气中二氧化碳浓度高低，通过调整厌氧有机负荷和生物阴极(6)电势，以达到同步厌氧产沼和原位沼气提纯最佳性能。
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