CN112441660A - 基于电子传递耦合微生物电解池强化厌氧消化装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电子传递耦合微生物电解池强化厌氧消化装置与方法，以传统厌氧消化反应器为主体，构建外加微电压的微生物电解池，并通过固定化的导体材料优化系统电子传递，建立高效电子输出‑传递‑消耗的厌氧消化产甲烷通路。本发明突破了传统厌氧消化长周期、低甲烷产率的瓶颈问题，提高了厌氧消化的效率，促进了厌氧消化产甲烷过程的顺利进行，强化有机物降解的同时提高了产甲烷速率和甲烷在沼气中比例，具备很好的应用前景。

Description

基于电子传递耦合微生物电解池强化厌氧消化装置与方法
技术领域
本发明涉及环境保护与资源回收领域，尤其是涉及一种基于电子传递耦合微生物电解池强化厌氧消化装置与方法。
背景技术
随着经济社会的发展与资源的快速消耗，环境保护、绿色发展、资源回收成为全世界的重要议题。人类生产生活中产生了大量的污水与固体废弃物，从这些有机废弃物中回收资源与能源是目前研究的热点。厌氧消化技术作为在污水、污泥及多种有机废弃物处理领域广泛应用的生物处理技术，在减量化、稳定化、无害化这些废弃物的同时，实现了资源能源的回收，是支撑生态文明建设与社会可持续发展的重要技术保障。
然而，厌氧消化过程需要多种微生物完成一系列生化反应过程，微生物间电子传递与能量交换的不顺畅极大地限制了厌氧消化的效率。传统厌氧消化存在反应周期长、有机物降解率低、甲烷产率低等一系列问题。微生物电解池(Microbial electrolysis cell,MEC)通过在阳极和阴极形成生物膜，强化阳极有机物氧化和阴极二氧化碳还原，提高了生化反应速率，被认为是提高厌氧消化效率的有效方法。专利“一种剩余污泥低温热水解预处理耦合微生物电解池厌氧消化产甲烷的方法”(CN111574011A)、专利“一种基于阳极促进污泥厌氧消化和阴极二氧化碳还原的厌氧微生物电化学处理工艺”(CN109179938 A)均是基于这个思路出发进行技术研发。
然而，上述微生物电解池在厌氧消化中的应用仍有许多缺陷，阳极区和阴极区的生化反应只占整个厌氧消化系统的一小部分，仅依靠外加的微电压无法改善整个体系的电子传递状况，系统中微生物间电子传递与能量交换的不顺畅并未得到根本上的解决，挥发性脂肪酸等中间产物的积累时有发生。
发明内容
本发明的目的就是为了解决微生物间电子传递与能量交换不顺畅导致厌氧消化效率低的问题，而提供一种基于电子传递耦合微生物电解池强化厌氧消化装置与方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于电子传递耦合微生物电解池强化厌氧消化装置，包括厌氧消化反应器，所述厌氧消化反应器中布置固定化的导体材料，所述固定化的导体材料连接由电源、生物阳极及生物阴极组成的微生物电解池，所述生物阳极和生物阴极分别与所述固定化的导体材料充分接触，在厌氧消化的全过程保证种间电子传递的高效进行。
该装置以传统厌氧消化反应器为主体，构建外加微电压的微生物电解池，并通过固定化的导体材料优化系统电子传递，建立高效电子输出-传递-消耗的厌氧消化产甲烷通路。
优选地，所述固定化的导体材料是通过将导电性和生物相容性良好的导体材料设置在网状结构上制作而成。
优选地，所述导体材料包括石墨烯、碳纳米管、石墨棒、石墨毡、碳布、碳刷、铂碳、铁电极中的一种或多种；所述网状结构包括钛/钛合金网、铁/铁合金网，网状结构具备5～300目的网孔。导体材料，例如可以以涂层方式固定在网状结构上，如石墨烯涂层、碳纳米管涂层。
优选地，所述电源为直流电源，电压大小为0.1V-1.2V，微电压在刺激微生物的电活性同时，优化了整个系统的氧化还原电位，从而强化阳极有机物降解和阴极二氧化碳还原。
优选地，所述厌氧消化反应器中部设有进料口，底部设有出料口，顶部设有出气口，所述固定化的导体材料以及微生物电解池的生物阳极及生物阴极设置在所述厌氧消化反应器的反应区，所述固定化的导体材料靠近所述厌氧消化反应器的进料口设置。固定化导体材料和厌氧消化的进料在进料口附近便可充分接触，提高系统传质性能，网状结构进一步优化了微生物的附着效果，从而提高电子传递的效率。
优选地，所述厌氧消化反应器的反应区在所述固定化的导体材料的下部设置搅拌机构。
优选地，所述搅拌机构上错落分布桨板，所述桨板中部表面进行粗糙多孔化处理，表面覆盖导电涂层，进一步强化微生物附着和反应区的电子传递。
优选地，所述的搅拌机构转速60-150rpm，每搅拌0.5-2分钟，停止0.5-10分钟，适宜转速的搅拌在改善系统物料混合与传质效果的同时，不会破坏微生物之间的聚集以及与底物的结合。
优选地，所述厌氧消化反应器的反应区内设有理化指标传感器，所述的理化指标传感器用来监测厌氧消化中理化指标的变化，包括pH、氧化还原电位(ORP)、电导率(EC)。通过这些理化指标的监测，可对系统的运行、生化反应以及电子传递情况有实时的了解，结合气体组分监测，从而对运行参数进行实时的调整优化。
优选地，所述厌氧消化反应器在反应区上部的顶空区设有气体传感器，所述的气体传感器用来监测沼气中的气体组分，包括甲烷、二氧化碳、硫化氢，通过气体组分监测，可判断系统产气情况和甲烷比例变化，确定系统的运行效果。
一种基于电子传递耦合微生物电解池强化厌氧消化的方法，在厌氧消化反应器的反应区布置固定化的导体材料，其中，所述的固定化的导体材料是通过将导电性和生物相容性良好的导体材料制备成网状结构制得；
将固定化的导体材料连接由直流电源、生物阳极、生物阴极组成的微生物电解池，使生物阳极和生物阴极分别与固定化的导体材料充分接触；
反应时，在生物阳极发生有机物的氧化分解，在生物阴极发生二氧化碳的还原形成闭环的电子通路，进入厌氧消化反应器的物料与固定化的导体材料充分接触，在厌氧消化全过程中保证种间电子传递高效进行。
可以根据整个系统产沼气情况以及沼气中甲烷比例，调整直流电源提供的电压大小以及导体材料固定的位置，优化电子传递和生化反应效果，提高厌氧消化系统的效率。
该装置及其工艺适用于污水、污泥和其他有机废弃物(餐厨、厨余、畜禽粪便、秸秆)的厌氧生物处理，装置使用夹套水浴加热，运行温度在25-65℃。
本发明的原理为，考虑到厌氧消化产甲烷过程涉及到产酸细菌与产甲烷古菌的传质和种间电子传递过程，本发明通过微生物培养或外源导体材料的添加，在厌氧生化过程建立种间直接电子传递(Direct Interspecies Electron Transfer,DIET)，形成高效电子传递的通路，从而提高厌氧消化的效率，微生物电解池的阳极和阴极采用的也是导体材料，通过在体系中耦合固定化的导体材料，可在整个厌氧系统形成高效输出-传递-消耗的电子通路，强化有机物降解的同时提高了产甲烷效率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明首次提出基于电子传递耦合微生物电解池强化厌氧消化的装置与方法，可在厌氧消化系统建立高效电子输出-传递-消耗的厌氧消化产甲烷通路；
(2)本发明突破了传统厌氧消化长周期、低甲烷产率的瓶颈问题，提高了厌氧消化的效率，促进了厌氧消化产甲烷过程的顺利进行，强化有机物降解的同时提高了产甲烷速率和甲烷在沼气中比例；
(3)微电压的电能消耗远小于增加的甲烷产量带来的电能，固定化导体材料的使用在厌氧消化过程中效果稳定且不易流失，可重复利用，提高厌氧消化效率的同时降低了成本，具有良好的经济效益；
(4)本发明的方法与装置适用于低温、中温、高温厌氧消化系统，适用范围广泛，技术效果明确，有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明厌氧消化装置的一种结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例旨在说明一种基于电子传递耦合微生物电解池强化厌氧消化的装置及其具体操作步骤。
参见图1，一种基于电子传递耦合微生物电解池强化厌氧消化的装置，在装置上部和下部分别开设有进料口1和出料口2，顶部安装有出气口3，可与后续的沼气净化、收集装置相连通。电源装置4与阳极区5、阴极区6通过导线连接，且阳极区靠近进料口，阴极区靠近出气口，从而强化阳极发生进料有机物的氧化分解，阴极发生二氧化碳气体的还原。阳极和阴极导体材料均与固定化的导体材料7充分接触，形成闭环的电子通路。装置在顶空区设有气体传感器8，在反应区内设有理化指标传感器9，对气相和液相均实现了在线实时监测。搅拌机构10安装在装置中下部，可改善系统物料混合与传质效果，在搅拌机构上错落分布桨板11，桨板中部表面进行粗糙多孔化处理，表面覆盖导电涂层12，进一步强化微生物附着和反应区的电子传递。
一种基于电子传递耦合微生物电解池强化厌氧消化的装置，具体操作步骤如下：
S1、测试厌氧消化接种物的pH，总固体含量(TS)和有机物含量(VS)，根据运行条件接入适量接种物进入反应器中。
S2、测试待厌氧消化物料的pH，总固体含量和有机物含量，将物料从进料口中的进料管进入反应器中，启动加热温控装置和搅拌机构，打开气体传感器和理化指标传感器，根据传感器反馈的结果调整进料物料的pH，待条件适宜后，打开电源装置。
S3、根据系统电导率和氧化还原电位，实时调整电压大小。待系统产气稳定后，调整搅拌转速，记录产沼气情况和甲烷气体比例，建立输入电压与甲烷生产的系统模型，调整系统有机负荷，优化系统产甲烷效率。
S4、根据系统批次运行、半连续运行或连续运行的条件，调整出料口打开或关闭状态，测试出料的pH，总固体含量(TS)和有机物含量(VS)，部分出料可作为接种物回流。
本装置在实际应用中，进料口可直接进未经预处理的物料，也可进经前一反应器预处理或预发酵后的物料，均可实现高效的电子传递与厌氧产甲烷过程。
在装置运行过程中，阳极、阴极及固定化的导体材料表面均会逐渐形成具有电活性的生物膜，提高系统运行稳定性和处理效率，因此可逐步提高系统的有机负荷。
为了满足实际生产需要，本装置可以设置成串联式处理或并联式处理。在串联式处理条件下，上一反应器的出料可作为下一反应器的进料，有机负荷逐渐降低，可进一步提高厌氧消化的有机物降解率和甲烷产量。在并联式处理条件下，可仅设置一套电源装置，实现多个反应器同步厌氧消化。
实施例2
本实施例旨在以餐厨垃圾为基质的半连续厌氧消化实验中实施一种基于电子传递耦合微生物电解池强化厌氧消化的方法。
采用经剔除骨头、均匀粉碎后的餐厨垃圾(VS/TS＝61.7-93.9％，TS＝9.6-25.3％)作为基质，稳定运行的污泥厌氧消化反应器的消化污泥(VS/TS＝33.1-47.6％，TS＝1.9-6.7％)做接种物，在工作容积为4L的本发明所述装置中进行厌氧消化实验。
装置半连续运行，每日进出料200mL，污泥停留时间SRT＝20d。厌氧消化在37℃条件下进行，每搅拌1分钟停3分钟，搅拌速率为80r/min。实验过程中监测系统pH，ORP，EC，测定进出料TS、VS含量，记录沼气产量和甲烷气体比例。
对比例1
与实施例2不同之处在于，使用普通厌氧消化反应器代替本发明所述的装置。
对比例2
与实施例2不同之处在于，使用普通微生物电解池代替本发明所述的装置。
对比例2与对比例1相比，在产甲烷速率上有提升，但是系统运行不稳定，出现了挥发性脂肪酸的积累。而实施例1和对比例1或对比例2相比，产甲烷速率和有机物降解率均进一步提高，系统的最大产甲烷速率由对比例1的88.89mL/(g VSadd·d)和对比例2的109.91mL/(g VSadd·d)提高到130.58mL/(g VSadd·d)，较对比例1和对比例2分别提高了47％和19％；有机质降解率由对比例1的48.9％和对比例2的56.2％提高到70.1％，较对比例1和对比例2分别提高了30％和25％。
实施例3
本实施例旨在以污泥为基质的连续流厌氧消化实验中实施一种基于电子传递耦合微生物电解池强化厌氧消化的方法。
采用二沉池剩余污泥(VS/TS＝47.9-69.1％，TS＝1.8-6.1％)作为基质，稳定运行的污泥厌氧消化反应器的消化污泥(VS/TS＝35.1-47.6％，TS＝1.9-6.5％)做接种物，在工作容积为8L的反应器中进行连续流产甲烷实验。
装置在37℃条件下连续进行，每搅拌1分钟停1分钟，搅拌速率为100r/min。实验过程中监测系统pH，ORP，EC，测定进出料TS、VS含量，记录沼气产量和甲烷气体比例。
对比例3
与实施例3不同之处在于，使用普通厌氧消化反应器代替本发明所述的装置。
对比例4
与实施例3不同之处在于，使用普通微生物电解池代替本发明所述的装置。
对比例4与对比例3相比，甲烷产量略有提升，但甲烷在沼气中比例并无明显变化。而实施例3和对比例3或对比例4相比，甲烷产量和甲烷在沼气中比例均进一步提高，系统的每日甲烷产量由对比例3的83.91mL/g VSadd和对比例4的97.79mL/g VSadd提高至121.03mL/g VSadd，较对比例3和对比例4分别提高了44％和24％；甲烷在沼气中比例由对比例3的68.9％和对比例4的69.1％提高到82.1％，较对比例1和对比例2提高了19％。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于电子传递耦合微生物电解池强化厌氧消化装置，包括厌氧消化反应器，其特征在于，所述厌氧消化反应器中布置固定化的导体材料，
所述固定化的导体材料连接由电源、生物阳极及生物阴极组成的微生物电解池，所述生物阳极和生物阴极分别与所述固定化的导体材料充分接触。
2.根据权利要求1所述的一种基于电子传递耦合微生物电解池强化厌氧消化装置，其特征在于，所述固定化的导体材料是通过将导电性和生物相容性良好的导体材料设置在网状结构上制作而成。
3.根据权利要求2所述的一种基于电子传递耦合微生物电解池强化厌氧消化装置，其特征在于，所述导体材料包括石墨烯、碳纳米管、石墨棒、石墨毡、碳布、碳刷、铂碳、铁电极中的一种或多种；
所述网状结构包括钛/钛合金网、铁/铁合金网，网状结构具备5～300目的网孔。
4.根据权利要求1所述的一种基于电子传递耦合微生物电解池强化厌氧消化装置，其特征在于，所述电源为直流电源，电压大小为0.1V-1.2V。
5.根据权利要求1所述的一种基于电子传递耦合微生物电解池强化厌氧消化装置，其特征在于，所述厌氧消化反应器中部设有进料口(1)，底部设有出料口(2)，顶部设有出气口(3)，所述固定化的导体材料以及微生物电解池的生物阳极及生物阴极设置在所述厌氧消化反应器的反应区，所述固定化的导体材料靠近所述厌氧消化反应器的进料口设置。
6.根据权利要求5所述的一种基于电子传递耦合微生物电解池强化厌氧消化装置，其特征在于，所述厌氧消化反应器的反应区在所述固定化的导体材料的下部设置搅拌机构(10)。
7.根据权利要求6所述的一种基于电子传递耦合微生物电解池强化厌氧消化装置，其特征在于，所述搅拌机构上错落分布桨板(11)，所述桨板(11)中部表面进行粗糙多孔化处理，表面覆盖导电涂层(12)。
8.根据权利要求6所述的一种基于电子传递耦合微生物电解池强化厌氧消化装置，其特征在于，所述的搅拌机构转速60-150rpm，每搅拌0.5-2分钟，停止0.5-10分钟。
9.根据权利要求5所述的一种基于电子传递耦合微生物电解池强化厌氧消化装置，其特征在于，所述厌氧消化反应器的反应区内设有理化指标传感器(9)，所述厌氧消化反应器在反应区上部的顶空区设有气体传感器(8)。
10.一种基于电子传递耦合微生物电解池强化厌氧消化的方法，其特征在于，在厌氧消化反应器的反应区布置固定化的导体材料，其中，所述的固定化的导体材料是通过将导电性和生物相容性良好的导体材料制备成网状结构制得；
将固定化的导体材料连接由直流电源、生物阳极、生物阴极组成的微生物电解池，使生物阳极和生物阴极分别与固定化的导体材料充分接触；
反应时，在生物阳极发生有机物的氧化分解，在生物阴极发生二氧化碳的还原形成闭环的电子通路，进入厌氧消化反应器的物料与固定化的导体材料充分接触，在厌氧消化全过程中保证种间电子传递高效进行。
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