CN112852599B - 基于微生物电催化的村镇小型有机废物处理装置及处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微生物电催化的村镇小型有机废物处理装置及处理方法，将厌氧沼气池与微生物电催化系统相耦合，构建了适用于村镇的小型、可移动式有机废物处理装置，利用电活性微生物的电催化性能，解决厌氧发酵过程电子供体不足的瓶颈问题，在阳极实现有机废物的深度处理的同时在阴极将沼气中二氧化碳进一步转化为甲烷，实现沼气提质净化。本发明不仅能充分挖掘农村户用沼气工程潜在价值，从根本上解决沼气工程闲置问题，缓解农村能源需求的压力，而且能够拓宽利用途径，产生的液态有机肥用于耕地土壤改良，可实现农业生产、生活废物的协同治理，达到家居温暖清洁化、庭院经济高效化和农业生产无害化的目的。

Description

基于微生物电催化的村镇小型有机废物处理装置及处理方法
技术领域
本发明属于有机废物绿色能源化领域，具体涉及一种基于微生物电催 化的村镇小型有机废物处理装置。
本发明还涉及利用上述装置对村镇小型有机废物进行处理的方法。
背景技术
我国村镇沼气工程规模逐年递增，目前全国建成农村户用沼气工程逾 4000万处，受益人数逾2亿人。在发酵原料充足、用能分散的村镇地区， 户用沼气池的推广应用，改变了农民传统的生产、生活方式。通过将户用 沼气池，与畜禽圈、厕所相结合，充分发挥沼气池的功能，改变了村镇卫 生面貌，提高了村镇环境和生活质量。然而，随着城镇化进程加快和农业 生产生活方式转变，村镇户用沼气池的使用率却逐年下降，沼气工程废置、 闲置现象屡见不鲜。究其原因，现有户用沼气池仍存在冬季保温难、运行 稳定难、沼气品质低等问题，农村户用沼气池改造迫在眉睫。
微生物电催化技术是利用电活性微生物的胞外电子转移能力和电催 化能力进行有机物降解和转化，与沼气池的厌氧发酵工艺耦合，可克服厌 氧发酵产甲烷过程的热力学障碍和电子供体不足的难题，显著提高村镇有 机废物的能源化效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微生物电催化的村镇小型有机废物处 理装置。
本发明的又一目的在于提供利用上述装置对村镇有机废物进行处理 的方法。
为实现上述目的，本发明提供的基于微生物电催化的村镇小型有机废 物处理装置，包括：投料口、预发酵调节池、电催化发酵池、集气罩；其 中：
预发酵调节池和电催化发酵池为并排设立，预发酵调节池和电催化发 酵池之间由主溢流板隔开；
集气罩为双层设计，内层为可伸缩柔性膜材料，外层为有机玻璃罩， 位于发酵调节池和电催化发酵池顶部，主溢流板顶部距集气罩设有间距， 集气罩顶部设有出气口；
预发酵调节池的一侧上方设有投料口，预发酵调节池的底部设有共用 的进水口和排渣口，进水口与生活污水管道相连，进水口上连接有液体流 量计和阀门；
电催化发酵池为推流式，内部由多个溢流板和多个电极板等距离间隔 而成，溢流板设置的高度由主溢流板向另一侧递减；
电极板阴极与外接电源负极连接，阳极与外接电源正极连接，形成闭 合回路；
电催化发酵池的侧壁底部设有出水口；
电催化发酵池的顶部设有进气口，出气口与气体流量计、气体组分在 线监测仪相连；
预发酵调节池与电催化发酵池内设有温度和pH探头。
所述的村镇小型有机废物处理装置，其中，主溢流板顶部距集气罩的 间距为电催化发酵池池体的1/5-1/10。
所述的村镇小型有机废物处理装置，其中，电催化发酵池内的各溢流 板和各电极板之间等距离地间隔10-20cm设置。
所述的村镇小型有机废物处理装置，其中，各溢流板的高度由主溢流 板向另一侧以5-20％递减。
所述的村镇小型有机废物处理装置，其中，电催化发酵池底部设有电 极板卡槽，电极板安装在电极板卡槽里。
所述的村镇小型有机废物处理装置，其中，电极板阴极材料为不锈钢 网、碳布、石墨毡或亚氧化钛，电极板阳极材料为碳刷、碳棒或石墨毡； 阴极材料的阳极材料固定在不导电的绝缘材料两侧。
所述的村镇小型有机废物处理装置，其中，投料口为智能感应，投料 时自动打开，投料后自动关闭。
本发明提供的利用上述村镇小型有机废物处理装置对村镇有机废物 进行处理的方法：
(1)预发酵调节池启动：将有机废物加入预发酵调节池进行水解酸 化，控制温度在35-55℃，pH值6-8，有机负荷3-10kgVS/(m3·d)；
(2)电催化发酵池的启动：预发酵调节池出水经主溢流板进入电催 化发酵池，预发酵调节池出水与营养液以1:1-5:1体积混合，调节pH值6-8， 外加电压0.2-1.0V，运行温度20-40℃，水力停留时间1-7d，当启动过程 中最大电流、甲烷产量连续3个周期以上保持稳定，表明电催化发酵池启 动成功；
(3)厌氧发酵-电催化产甲烷：向启动成功的预发酵调节池中投加固 态和液态有机废物，含固率控制在2-10％，物料首先在预发酵调节池混合 均匀，并进行水解酸化，富含挥发性脂肪酸的发酵液经主溢流板进入电催 化发酵池，在阳极电活性微生物的作用下降解挥发性脂肪酸和难降解有机 物，并释放电子、质子和二氧化碳，在阴极产甲烷微生物的直接电子转移 和间接电子转移的协同作用下，将二氧化碳转化为甲烷，电催化发酵池运行温度为20-40℃，外加电压为0.2-1.0V，水利停留时间为1-7d，产生的 高纯沼气甲烷含量大于80％。
所述的方法，其中，步骤(2)的营养液由1g/L乙酸钠、5.62g/L磷酸 二氢钠、6.16g/L磷酸氢二钠、0.31g/L氯化铵、0.13g/L氯化钾、1ml/Lwolfe 微量元素液和1ml/Lwolfe矿质元素液组成。
本发明的优点如下：
1)本发明将传统户用沼气池改造为预发酵调节池和电催化发酵池， 物料以推流的方式先后经过预发酵调节池和电催化发酵池，在发酵调节池 被水解酸化，电催化发酵池中进一步降解转化为甲烷，通过厌氧发酵与微 生物电催化的耦合，克服了厌氧发酵的热力学障碍，以及电子供体不足， 直接电子转移产甲烷效率低的卡脖子难题，从而显著提高有机垃圾的能源 化效率，底物利用率高达90％以上。
2)本发明利用微生物电化学系统阳极氧化、阴极还原的氧化还原特 性，阳极上的电活性微生物降解发酵液中有机物和沼气中硫化氢，释放电 子、质子等，硫化物氧化后的中间产物，如多硫代物作为氧化还原穿梭体 将电子转移至阴极；阴极上的电活性产甲烷菌将二氧化碳还原为甲烷，有 效减少碳排放，同时获得甲烷含量大于80％的高纯沼气，利于后续沼气利 用。
3)本发明装置可以新建，也可以在已建的沼气池基础上进行改建， 有机废物经过不同高度的多级溢流堰，有效减少颗粒物进入电催化发酵池， 延长电极使用寿命，保证常温或中温条件下的运行稳定性。装置整体设计 紧凑、占地面积小，而且仅需要小于1.0v的低电压即可稳定运行，能耗低， 后期维护简单。
4)本发明装置可采用半地埋式安装，投料口位于厨房门口，生活污 水、厕所、畜禽粪污与进水口相连，流入装置内，可实现农业生产、生活 废物的协同治理，产生的高纯沼气用于烹饪，产生的有机废液用于耕地土 壤改良，从根本上解决了户用沼气工程冬季低温运行难、沼气品质低的问 题。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明装置的侧视图；
图3为本发明装置的俯视图；
图4为本发明装置中阳极板的示意图；
图5为本发明装置中阴极板的示意图。
图中标识说明
1投料口；2预发酵调节池；3电催化发酵池；4集气罩；5主溢流板； 6电极板；7电极板卡槽；8阳极板；9阴极板；10进水口和排渣口；11 出水口；12进气口；13出气口；14溢流板。
具体实施方式
本发明公开了一种基于微生物电催化的村镇小型有机废物处理装置 及处理方法。
本发明的装置由投料口、预发酵调节池、电催化发酵池、集气罩组成， 投料口位于预发酵调节池侧面，距地面1.0-1.8m，便于投放垃圾；预发酵 调节池底部设有进水口和排渣口，两口共用，电催化发酵池另一侧壁底部 设有出水口；预发酵调节池与电催化发酵池由主溢流板隔开，主溢流板顶 部距池体顶端1/5-1/10处。电催化发酵池为推流式，内部由溢流板和电极 组成，间隔10-20cm等距离设置多个溢流板，溢流板高度由主溢流板向另 一侧以5-20％递减，溢流板之间设置有电极板，电极板安装在电极板卡槽 里，电极板正极和负极分别用钛丝连接，阴极与外接电源负极连接，阳极 与外接电源正极连接，形成闭合回路。集气罩为双层设计，内部为可伸缩 柔性膜材料，外部为透明的有机玻璃罩，位于发酵调节池和电催化发酵池 顶部；电催化发酵池顶部设有进气口，集气罩顶部设有出气口。
阳极的材料为碳刷、碳棒、石墨毡等碳基材料；阴极的材料为不锈钢 网、碳布、石墨毡、亚氧化钛等。
阳极和阴极材料固定在不导电的聚四氟乙烯等绝缘材料两侧。
投料口为智能感应，投料时自动打开，投料后自动关闭。
预发酵调节池与电催化发酵池设有温度和pH探头。
出气口与气体流量计、气体组分在线监测仪相连。
进水口与生活污水管道相连，管道上连接有液体流量计和阀门。
本发明利用上述村镇小型有机废物处理装置进行处理的方法如下：
(1)预发酵调节池启动：将有机废物加入预发酵调节池进行水解酸 化，控制温度在35-55℃，pH值6-7，有机负荷3-6kgVS/(m3·d)。
(2)电催化发酵池的启动：预发酵调节池出水经主溢流板进入电催 化发酵池，预发酵调节池出水与营养液以1:1-5:1体积混合，调节pH值6-8， 外加电压0.2-1.0V，运行温度20-40℃，水力停留时间2-4d，当启动过程 中最大电流、甲烷产量连续3个周期以上保持稳定，表明电催化发酵池启 动成功，营养液由1g/L乙酸钠、5.62g/L磷酸二氢钠、6.16g/L磷酸氢二钠、 0.31g/L氯化铵、0.13g/L氯化钾、1ml/Lwolfe微量元素液和1ml/Lwolfe矿 质元素液组成。
(3)厌氧发酵-电催化产甲烷：向启动成功的装置中投加固态和液态 有机废物，含固率控制在2-10％，物料首先在预发酵调节池混合均匀，并 进行水解酸化，富含挥发性脂肪酸的发酵液经主溢流板进入电催化发酵池， 在阳极电活性微生物的作用下降解挥发性脂肪酸和难降解有机物，并释放 电子、质子和二氧化碳，在阴极产甲烷微生物的直接电子转移和间接电子 转移的协同作用下，将二氧化碳转化为甲烷，装置运行温度为20-40℃，外加电压为0.2-1.0V，水利停留时间为2-4d，产生的高纯沼气甲烷含量大 于80％。
本发明的工艺流程如图1所示。本发明将厌氧沼气池与微生物电催化 系统相耦合，构建了适用于村镇的小型、可移动式的有机废物处理装置， 利用电活性微生物的电催化性能，解决厌氧发酵过程电子供体不足的瓶颈 问题，在阳极实现有机废物的深度处理的同时在阴极将沼气中二氧化碳进 一步转化为甲烷，实现沼气提质净化。本发明不仅能充分挖掘农村户用沼 气工程潜在效益，从根本上解决沼气工程闲置问题，缓解农村能源需求的压力，而且能够拓宽利用途径，产生的液态有机肥用于耕地土壤改良，可 实现农业生产、生活废物的协同治理，达到家居温暖清洁化、庭院经济高 效化和农业生产无害化的目的。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
请参阅图2-图5，分别为本发明装置的侧视图、俯视图、阳极板和阴 极板的示意图。
五口之家的农户院落里建有基于微生物电催化的有机废物处理装置， 投料口位于厨房门口，进水管与厕所、厨房污水管道相连，出料口应设置 在操作、运行方便的地方，主要用于厨余垃圾、厕所粪污和生活污水的收 集、处理。
该装置由投料口1、预发酵调节池2、电催化发酵池3、集气罩组成4， 投料口1位于预发酵调节池侧面，距地面1.5m，便于投放垃圾；预发酵调 节池2底部设有进水口和排渣口10，当进水不畅时关闭生活污水进口阀门， 进行排渣。电催化发酵池3侧壁底部设有出水口11；预发酵调节池2与电 催化发酵池3由主溢流板5隔开，主溢流板5顶部距池体顶端1/5处。
电催化发酵池3为推流式，内部由多级电极板6组成，间隔10cm等 距离设置多个溢流板14，溢流板14高度由主溢流板5向另一侧以10％递 减，溢流板14之间设置有电极板6，电极板6安装在电极板卡槽7里。电 极板6的阳极板8和阴极板9分别用钛丝连接，阳极材料为碳刷，安装在 绝缘电极板上，并与外接电源正极连接，阴极材料为不锈钢，安装在绝缘电极板上，并与外接电源负极连接，形成闭合回路，控制外加电压在0.8v。 集气罩4为双层设计，内部为可伸缩柔性膜材料，外部为有机玻璃罩，位 于发酵调节池2和电催化发酵池3顶部；电催化发酵池3顶部设有进气口 12，集气罩顶部设有出气口13，出气口13处设有气体流量计和燃气管道， 将产生的高纯沼气通入厨房。
装置安装完成后，先将厨余垃圾与生活污水以体积比1:1加入预发酵 调节池，温度控制在37℃，pH值6-7，进行装置启动，当预发酵调节池有 生物气产生，其中氢气含量大于50％时，继续投加营养液(包括1g/L乙酸 钠、5.62g/L磷酸二氢钠、6.16g/L磷酸氢二钠、0.31g/L氯化铵、0.13g/L 氯化钾、1ml/L wolfe微量元素液和1ml/L wolfe矿质元素液)。预发酵调 节池出水与营养液以1:1体积混合，并溢流至电催化发酵池，控制pH值 6-7，外加电压0.8V，运行温度37℃，水力停留时间2d，当最大电流、甲 烷产量连续3个周期以上保持稳定，表明电催化发酵池启动成功。
向启动成功的装置中投加厨余垃圾，厕所粪污和生活污水排入装置， 进行厌氧发酵和微生物电催化，整套装置的运行温度为37℃，外加电压为 0.6V，水利停留时间为2-4d，产生的高纯沼气甲烷含量大于80％，沼气通 过燃气管道输送至厨房，用于烹饪和供暖，产生的有机废液可作为液态有 机肥用于周边农田，实现农户有机废物零排放和二氧化碳减排。

Claims (9)

1.一种基于微生物电催化的村镇小型有机废物处理装置，包括：投料口、预发酵调节池、电催化发酵池、集气罩；其中：
由沼气池改造的预发酵调节池和电催化发酵池为并排设立，预发酵调节池和电催化发酵池之间由主溢流板隔开；
集气罩为双层设计，内层为可伸缩柔性膜材料，外层为透明的有机玻璃罩，位于发酵调节池和电催化发酵池顶部，主溢流板顶部距集气罩设有间距，集气罩顶部设有出气口；
预发酵调节池的一侧上方设有投料口，预发酵调节池的底部设有共用的进水口和排渣口，进水口与生活污水管道相连，进水口上连接有液体流量计和阀门；
电催化发酵池为推流式，内部由多个溢流板和多个电极板等距离间隔而成，溢流板设置的高度由主溢流板向另一侧递减；
电极板阴极与外接电源负极连接，阳极与外接电源正极连接，形成闭合回路；
电催化发酵池的侧壁底部设有出水口；
电催化发酵池的顶部设有进气口，出气口与气体流量计、气体组分在线监测仪相连；
预发酵调节池与电催化发酵池内设有温度和pH探头。
2.根据权利要求1所述的村镇小型有机废物处理装置，其中，主溢流板顶部距集气罩的间距为电催化发酵池池体的1/5-1/10。
3.根据权利要求1所述的村镇小型有机废物处理装置，其中，电催化发酵池内的各溢流板和各电极板之间等距离地间隔10-20cm设置。
4.根据权利要求1所述的村镇小型有机废物处理装置，其中，各溢流板的高度由主溢流板向另一侧以5-20％递减。
5.根据权利要求1所述的村镇小型有机废物处理装置，其中，电催化发酵池底部设有电极板卡槽，电极板安装在电极板卡槽里。
6.根据权利要求1所述的村镇小型有机废物处理装置，其中，电极板阴极材料为不锈钢网、碳布、石墨毡或亚氧化钛，电极板阳极材料为碳刷、碳棒或石墨毡；阴极材料的阳极材料固定在不导电的绝缘材料两侧。
7.根据权利要求1所述的村镇小型有机废物处理装置，其中，投料口为智能感应，投料时自动打开，投料后自动关闭。
8.权利要求1所述基于村镇小型有机废物处理装置对村镇有机废物进行处理的方法：
(1)预发酵调节池启动：将有机废物加入预发酵调节池进行水解酸化，控制温度在35-55℃，pH值6-8，有机负荷3-10kgVS/(m3·d)；
(2)电催化发酵池的启动：预发酵调节池出水经主溢流板进入电催化发酵池，预发酵调节池出水与营养液以1:1-5:1体积混合，调节pH值6-8，外加电压0.2-1.0V，运行温度20-40℃，水力停留时间1-7d，当启动过程中最大电流、甲烷产量连续3个周期以上保持稳定，表明电催化发酵池启动成功；
(3)厌氧发酵-电催化产甲烷：向启动成功的预发酵调节池中投加固态和液态有机废物，含固率控制在2-10％，物料首先在预发酵调节池混合均匀，并进行水解酸化，富含挥发性脂肪酸的发酵液经主溢流板进入电催化发酵池，在阳极电活性微生物的作用下降解挥发性脂肪酸和难降解有机物，并释放电子、质子和二氧化碳，在阴极产甲烷微生物的直接电子转移和间接电子转移的协同作用下，将二氧化碳转化为甲烷，电催化发酵池运行温度为20-40℃，外加电压为0.2-1.0V，水利停留时间为1-7d，产生的高纯沼气甲烷含量大于80％。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤(2)的营养液由1g/L乙酸钠、5.62g/L磷酸二氢钠、6.16g/L磷酸氢二钠、0.31g/L氯化铵、0.13g/L氯化钾、1ml/L wolfe微量元素液和1ml/L wolfe矿质元素液组成。
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