CN109748384A - 一种利用mec强化uasb生产生物天然气的反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用微生物电解池（MEC）强化升流式厌氧污泥床（UASB）生产生物天然气的反应器，其特征在于把MEC嵌入UASB反应器中，形成新的MEC‑UASB反应器，反应器内下部，以立体密堆积方式填充石墨粒为反应器的阳极，通过填充床结构增大阳极比表面积；在阳极上面以网状铂电极为反应器的阴极，增加阴极表面质子还原能力，该反应器在施加一定的微电压下形成MEC电催化单元，促进厌氧活性污泥中的产电微生物在阳极表面生长代谢，并在阴极表面析出氢气，氢气再被产甲烷菌利用还原二氧化碳形成甲烷，从而提高了底物的降解率和甲烷含量，该技术在以乙酸为底物模拟有机废水正常运行时，产沼气甲烷指标含量最高可达90%以上，获得了高品质的生物天然气。

Description

一种利用MEC强化UASB生产生物天然气的反应器

技术领域

本发明涉及沼气发酵领域，具体为一种利用MEC强化UASB生产生物天然气的反应器。

背景技术

微生物电解池（MEC）起源于2005年（Liu H, Grot S, Logan BE.Electrochemically assisted microbial production of hydrogen from acetate[J].Environmental Science & Technology,2005; 39:4317-4320.），是由微生物燃料电池发展而来的一种技术，MEC具有底物降解彻底、产气速率快、能源转化率高等特点，主要应用于处理有机废弃物或废水产氢，但有研究表明MEC除用于产氢外，还可用于其他领域。为此，我们尝试了把MEC电催化单元嵌入筒状UASB反应器中，以期获得较高甲烷含量的生物天然气。其原理依据在于利用MEC的产氢能力，使其处于UASB反应器的下方，其产生的氢气在UASB反应器中氢营养型产甲烷菌的作用下还原沼气中的CO2形成甲烷，从而提高沼气中甲烷的含量。

在传统的UASB反应器中，有机废水被均匀地引入反应器的底部，向上流动，并与颗粒污泥或絮状厌氧活性污泥层相接触，其中的有机质降解并形成沼气。在污泥层形成的一些气体附着在污泥颗粒上，附着和没有附着的气体向反应器顶部上升。上升到顶部的污泥撞击三相分离器，引起附着气泡的污泥絮体脱气。附着和没有附着的气体被收集到反应器顶部的三相分离器的集气室。由于UASB反应器处理效率高，且实现了气体、液体和固体的自动分离，因此在沼气化有机废水处理中，普遍选用UASB反应器。其沼气含量大多在60%左右，一般很难通过优化工艺参数进一步提高其含量。

在沼气的形成过程中，有两条代谢途径：一条是乙酸中的甲基转化为甲烷途径；另一条是氢还原二氧化碳形成甲烷途径。有研究表明，在厌氧反应器中通入氢气，将会极大地提高沼气中的甲烷含量。因此可以尝试在厌氧反应器中引入具有产氢功能的MEC，促进氢还原二氧化碳形成甲烷。

MEC制氢技术是利用厌氧活性污泥中的产电微生物，在电解协助下，在阳极表明降解有机质，并在阴极形成氢气。其接种物来源于沼气发酵的厌氧活性污泥，其底物也是有机废弃物，因此与沼气发酵具有许多共同的地方，可以和UASB反应器组合成新的反应器。然而目前MEC的研究集中在批量反应器上，反应器体积有限，难以实现连续、大量地处理有机废水。因此，在MEC-UASB反应器的设计上，关键是解决MEC的电极设计。为了提高MEC-UASB反应器效率和实际应用的可行性，我们以立体密堆积石墨颗粒为反应器阳极，通过增大阳极的比表面积而增加MEC的效率；以双层网状铂电极为电解池反应器阴极，增加阴极表面质子还原和产氢能力和氢气的分散度，便于产甲烷菌利用氢气还原二氧化碳产生甲烷。此外，由于选用石墨颗粒为阳极，颗粒间具有空隙，可以保证有机废水的顺利通过。从而实现MEC-UASB连续、高效地处理有机废水，生产高品质的生物天然气。

发明内容

本发明提供一种利用MEC强化UASB生产生物天然气的反应器，能够提高现有UASB反应器产沼气中甲烷指标含量，而且采用密堆积石墨粒为阳极可以大幅提高阳极比表面积，在电场作用下形成较高面积的阳极生物膜。

反应器筒体底部有进料口和配水系统，顶部有溢流口和三相分离器，反应器筒体内从下往上依次包括配水系统、厌氧污泥床、阳极区、阴极区、三相分离器。

三相分离器通过气体管与湿式储气柜相连，湿式储气柜上端设有配重。

所述阳极区域由两表面均匀分布圆孔的ABS板材夹层固定于圆筒内，夹层空间由石墨颗粒密堆积填充并通过石墨棒与反应器外界电化学检测系统相连，通过填充床结构增大了微生物含量并提高了处理有机质能力。

所述阴极采用两表面负载铂金属催化剂的圆形网状电极，双层结构可增加阴极表面质子还原能力，反应液可以自由通过网状电极。电极一端接有延长端方便与外界电化学检测系统相连。

电化学检测系统包括外加电解电源和无纸数据采集器。

本发明提供的一种利用MEC强化UASB生产生物天然气的反应器，反应器低端为厌氧污泥床，厌氧污泥与物料通过反应器底部进料口输入。物料通过配水系统与反应器内的厌氧颗粒污泥均匀混合，向上升流通过阳极区域，在电解的协作下，借助厌氧活性污泥中的产电微生物与阳极建立电极呼吸，彻底氧化有机物并形成CO₂、H⁺和电子，然后把氧化过程中产生的电子通过电子传递到电极上产生电流，同时微生物在电子传递过程中获得能量支持生长，电子再经电流线路流到阴极，H⁺在阴极获得电子被还原成氢气，氢气被氢营养型产甲烷菌所利用生成甲烷。

在微电压作用下，产电微生物富集生长，可以降解包括生活污水以及各种废水等种类繁多的有机物质转化为氢气，产生的氢气进一步被氢营养型产甲烷菌利用还原CO₂，从而提升了沼气中甲烷含量。

附图说明

图1为一种利用MEC强化UASB生产生物天然气的反应器总体结构示意简图；

图2为一种利用MEC强化UASB生产生物天然气的反应器运行装置示意简图；

图3为一种利用MEC强化UASB生产生物天然气的反应器在初始pH5.0~pH9.0运行过程中甲烷随时间变化。

具体实施方式

根据图1、图2所示，一种利用MEC强化UASB生产生物天然气的反应器，包括：反应器发酵单元13，电化学检测系统14，气体收集单元15。

反应器发酵单元13通过导线连接密堆积型阳极区4、铂金属网阴极区6与电化学检测系统14，反应器发酵单元13产生的气体通过出气口10和气体收集单元15相连。

反应器发酵单元13，包括两密封盖1，固定于反应器上下两端。物料从进料口2通过配水系统3由反应器底部泵入厌氧污泥区，经过阳极区4借助厌氧活性污泥中的产电微生物与石墨颗粒建立电极呼吸，石墨颗粒通过取样口11加入，阳极区通过石墨棒5连接电化学检测系统14，石墨棒5由密封盖12固定反应器侧面。阳极区4氧化有机物并形成CO₂、H⁺和电子，电子再经电流线路流到铂金属网阴极区6，铂电极由密封盖12固定反应器一侧，H⁺在铂电极7上获得电子被还原。电解协助发酵产生的沼气上升到三相分离器8，上升到表面的污泥碰撞到气体反射板8-1与集气室8-2底部，气泡释放后被收集到三相分离器的集气室8-2中，污泥颗粒将沉淀到阳极区4表面，集气室8-2与出气口10相连。混合液经固液分离后，流至水管路溢流孔9。

电化学检测系统14包括外加直流电解电源和无纸数据记录仪，记录电解电压与电流。

湿式储气柜气体收集单元15，包括：储气柜顶端设有配重16为气体收集单元提供一定气压。

实施例1：在外源电解电压1.0V条件下，猪粪发酵后的厌氧活性污泥为接种物，以2%质量分数乙酸钠溶液为底物加入缓冲营养液与微量元素液模拟有机污水。研究不同初始pH值（5.0、6.0、7.0、8.0、9.0）对产甲烷影响，待产气稳定后由气相色谱仪检测沼气中甲烷含量，得到结果由图3所示初始环境pH值为7.0与8.0时，所述一种利用MEC强化UASB生产生物天然气的反应器最高产甲烷最高含量可达90%以上，相比传统UASB工艺甲烷含量55%~70%有大幅度提升，可达天然气指标。

Claims (6)

1.一种利用MEC强化UASB生产生物天然气的反应器，包括：反应池本体，其特征在于：所述反应器将MEC电催化单元嵌入筒状UASB反应池中，反应器池底部接种厌氧活性污泥；所述反应器从下到上依次设有一进水和配水系统（3）、一阳极区域（4）、一阴极区域（6）、一三相分离器（8-1、8-2）、一溢流孔（9）；三相分离器集气室（8-2）通过气体管道与湿式储气柜相连。

2.根据权利要求1所述的一种利用MEC强化UASB生产生物天然气的反应器，其特征在于：阳极区域（4），包括两ABS板材固定夹板，夹板上均匀分布圆孔，夹层空间由立体密堆积方式的石墨颗粒填充，并通过石墨棒（5）与反应器外界电解电源和电化学检测系统相连。

3.根据权利要求1所述的一种利用MEC强化UASB生产生物天然气的反应器，其特征在于阴极区域（6），包括：两个网状钛基镀铂电极（7），设置为双层结构，电极一端与反应器外界电解电源和电化学检测系统相连。

4.根据权利要求1所述的一种利用MEC强化UASB生产生物天然气的反应器，其特征在于：所述反应器配有电解电源和电化学检测系统（14），用于记录电解电压、电流。

5.根据权利要求1所述的一种利用MEC强化UASB生产生物天然气的反应器，其特征在于：所述反应器配有湿式集气柜（15），用于收集和测量气体体积，储气柜顶端负载配重（16）。

6.根据权利要求2所述的一种利用MEC强化UASB生产生物天然气的反应器，所述的阳极区设有取料口（11），用于石墨粒的投放。