CN112939393B - 一种无电子供体实现污泥电发酵产己酸并同步分离的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用电刺激促进污泥转化为己酸并同步分离的装置，属于废弃物处理与能源回收利用领域，包括：反应器主体（1），疏水膜固定组件（2），进水管（3），萃取分离主体（4），出水管（5），碳布（6），参比电极（7），进出水管/取样管（8），集气管（9），碳刷（10），密封盖（11），其中反应器主体（1）与萃取分离主体（4）由法兰连接；疏水膜位于两个法兰中间；萃取液由进水管（3）进入反应器，由出水管（5）流出反应器。该装置将反应器与萃取过程结合在一起，构成了反应‑萃取一体化系统，解决了现有MEC产己酸系统中己酸积累、反应‑萃取系统占地面积大、反应器连续稳定运行的问题。

Description

一种无电子供体实现污泥电发酵产己酸并同步分离的装置

技术领域

本发明总体上涉及废弃物处理与能源回收利用领域。更具体的本发明用于分离利用MEC反应器处理污泥产生的己酸。

背景技术

剩余污泥作为有机固体废物的一种，其处理方式也备受人们的关注，目前处理剩余污泥的方式有土地利用、卫生填埋、焚烧、建材综合利用、堆肥、厌氧消化等，但是这些处理方式对污泥的质量要求较高，对污泥的使用场所也有限制，而且卫生填埋还要考虑渗滤液的处理等问题。厌氧消化是目前处理剩余污泥广泛使用的一种处理手段，但是厌氧消化产生的仅仅是一些小分子的脂肪酸，和甲烷等一些低品位的燃料，而且小分子脂肪酸易溶于水，无法从剩余污泥中提取出来有效利用，将其随污泥直接排放会导致二次污染。而中链脂肪酸（C6- C8）微溶于水，具有低溶解度和高能量含量的优点，被认为是进一步转化为有价值的化学品或燃料的潜在中间体，这其中目前研究较多的是己酸。

己酸目前可以通过厌氧发酵和MEC电解污泥产生，但是厌氧发酵需要提供电子受体，而且发酵要求条件较高；生物电化学电池（MEC）为铜，过氧化氢，原位电子供应提供了在阴极生产各种产品的机会，如氢，碱和甲烷，反应条件较为宽松。MEC由两个电极组成，阳极和阴极，微生物在一个或两个电极上生长。电极上的微生物是廉价的自再生催化剂，能够进行各种氧化和还原反应，在没有微生物的情况下，需要更昂贵的催化剂。

在目前的研究中发现积累的未解离的正己酸会对进行链延伸反应的微生物物种产生抑制，因此想要进行连续的己酸生产，就必须同步进行己酸的萃取。传统的反应、萃取一般是分两步进行，就导致了在实际生产的过程中会产生一些新的问题，如装置占地面积大、生产成本较高等。

发明内容

本发明为解决目前正己酸的生产由于反应、萃取一般是分两步进行导致装置占地面积大、特别是反应过程中积累产生生物毒性的技术问题，提供一种无电子供体实现污泥电发酵产己酸并同步分离的装置。

本发明提供了一种无电子供体实现污泥电发酵产己酸并同步分离的装置，包括：反应器主体，疏水膜固定组件，进水管，萃取分离主体，出水管，碳布，参比电极，进出水管/取样管，集气管，碳刷，密封盖；反应器主体顶部和底部均开口，萃取分离主体顶部开口；

密封盖密封扣合在反应器主体的顶部开口，参比电极、进出水管/取样管、集气管由密封盖顶部伸入反应器主体内部，碳布和碳刷通过安装在密封盖上的连杆悬挂在反应器主体内部；参比电极、进出水管/取样管、集气管以及连杆穿过密封盖的位置均做密封处理；

所述疏水膜固定组件包括连接法兰以及安装在连接法兰中心孔内的疏水膜；反应器主体底部开口与萃取分离主体顶部开口之间由连接法兰连接；

萃取分离主体侧壁上开有两个孔，进水管和出水管分别经由两个孔进入萃取分离主体后，又通过疏水膜（进、出水管外壁与疏水膜之间密封）伸入反应器主体内；

萃取液由进水管进入反应器，由出水管流出反应器；

集气管出口连接气体采样袋。

本发明设计的这个反应器可以将反应、萃取这两部操作合并成一步进行，不需要将反应器中的液体进行循环流动，只需直接加入新的污泥，废液可以直接排出，该反应器既可以实现最终的产物提取又可以简化工艺。具体反应过程为：反应过程中，反应基质置于反应器主体中，疏水膜（反应基质无法通过，但是萃取剂可以通过）将萃取剂与电解液分隔，萃取剂流经布水板经过疏水膜与反应基质接触，将反应器中部分己酸萃取出来，然后回流到萃取主体中，萃取剂在整个过程中可依靠循环电泵重复使用，直至萃取达到饱和状态时再更换萃取剂。

本发明将MEC电解反应和己酸萃取反应器结合在一起，解决了己酸在反应过程中积累产生生物毒性的问题。

进一步的，电解池构造：为保证足够的阳极和阴极间距，碳布和碳刷位于相对位置，集气管和进出水管/采样管处于相对位置，电极室内填充电解液，甘汞电极和阴极连接，测阴极电势。萃取分离主体中填充萃取剂，用来萃取电极室中产生的己酸。电极室和萃取分离主体由疏水膜隔开。

进一步的，MEC（即本发明所述装置）的接种启动与功能微生物的驯化：30℃启动MEC反应器，将厌氧驯化好的产己酸菌和就是电解液以1:10的比例加入到反应器中进行启动，并加入乙酸、乙醇选择驯化功能微生物，乙酸浓度为1000mg/L，乙醇浓度为4mL/L，将反应器置于30℃的恒温培养箱中，以5d为一个周期，检测串联10 Ω电阻电路中电流的变化，等待电流周期性变化稳定且产电峰值稳定时即完成MEC反应器的接种启动和功能微生物的驯化。

上述乙醇、乙酸浓度以及相应的各个参数有利于反应器的接种启动和功能微生物的驯化。

在实际操作中由于微生物对环境温度、pH等的要求，在连接反应器的过程中可以考虑连接pH监测仪和气体流量计等装置，反应器可置于恒温培养箱中运行。

本发明的有益效果：

本发明的效果和益处是将反应主体和萃取分离主体结合到一起，可以实现反应和萃取同步进行，可以及时的将有用物质从反应器中萃取出来，避免其在反应器中积累以产生生物毒性，导致反应器产率下降。与传统的反应器相比既可以完成反应—萃取过程，又可以节省反应器和萃取装置的占地空间，而且可以保证反应器的连续运行，有利于实际应用中的操作。

附图说明

为了更完整的理解本发明及其优势，现在将本发明的具体结构图及实验效果展示如下：

图1本发明所述反应-萃取同步分离MEC反应器的结构示意图；

图2是反应-萃取同步分离MEC反应器的结构及尺寸示意图；

图3是反应-萃取同步分离MEC反应器密封盖孔位尺寸及分布图；

图4是在无外加电子供体情况下MEC产己酸效果（开路）图；

图5是在无外加电子供体情况下MEC产己酸效果（闭路）图。

1-反应器主体，2-疏水膜固定组件，3-进水管，4-萃取分离主体，5-出水管，6-碳布，7-参比电极，8-进出水管/取样管，9-集气管，10-碳刷，11-密封盖。

具体实施方式

本发明提供了一种膜分离MEC反应器（即无电子供体实现污泥电发酵产己酸并同步分离的装置），包括反应器主体，疏水膜固定组件（连接法兰），进水（萃取液）管，萃取分离主体，出水（萃取液）管，碳布，参比电极，进出水（电解液）管/取样管，集气管，碳刷，密封盖。其中反应器主体与萃取分离池体由法兰连接；疏水膜位于两个法兰中间；萃取液由进水管进入反应器，由出水管流出反应器。本发明将MEC电解反应和己酸萃取反应器结合在一起，解决了己酸在反应过程中积累产生生物毒性的问题。

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：构建传统的微生物电解池装置具体是按照以下步骤进行的：

一、碳布的预处理：根据每平方厘米阴极表面需要0.5g铂碳计算，先称量90mg10%的铂碳，然后加入75μL去离子水，涡旋振荡后加入600μL的Nafion膜溶液和300μL的异丙醇，涡旋振荡，然后将溶解成糊状的铂碳均匀的刷在碳布上，干燥24h以备用。

二、碳刷的处理：碳刷首先用去离子水洗去表面杂质，然后用丙酮浸泡24h后放入马弗炉在450℃下灼烧30min后置于去离子水中备用。

三、组装反应器：该反应器为单极室反应器，极室容积约为200mL，反应器材料为有机玻璃，整个装置为密封厌氧环境。

四、组装并连接电化学工作站数据记录仪，数据记录仪用于实时记录反应器电流数据。采用仪器型号Keithley2700数据记录仪。

具体实施方式二：构建传统的微生物电解池+萃取系统的装置具体是按照以下步骤进行的：

一、碳布的预处理：根据每平方厘米阴极表面需要0.5g铂碳计算，先称量90mg质量分数为 10%（铂在铂碳中的质量百分比）的铂碳，然后加入75μL去离子水，涡旋振荡后加入600μL的质量分数为5%的Nafion膜溶液和300μL的异丙醇，涡旋振荡，然后将溶解成糊状的铂碳均匀的刷在碳布上，干燥24h以备用。

二、碳刷的处理：碳刷首先用去离子水洗去表面杂质，然后用丙酮浸泡24h后放入马弗炉在450℃下灼烧30min后置于去离子水中备用。

三、组装反应器：该反应器为单极室反应器，极室容积约为200mL，反应器材料为有机玻璃，反应器主体和萃取分离主体由法兰连接，整个装置为密封厌氧环境。

四、组装并连接电化学工作站数据记录仪，数据记录仪用于实时记录反应器电流数据。采用仪器型号Keithley2700数据记录仪。

电解池构造：为保证足够的阳极和阴极间距，碳布和碳刷位于相对位置，集气管和进出水管/采样管处于相对位置，电极室内填充电解液，甘汞电极和阴极连接，测阴极电势。萃取分离主体中填充萃取剂，用来萃取电极室中产生的己酸。电极室和萃取分离主体由疏水膜隔开。

五、MEC的接种启动与功能微生物的驯化：30℃启动MEC反应器，将厌氧驯化好的产己酸菌和营养液以1:10的比例加入到反应器中进行启动，并加入乙酸、乙醇选择驯化功能微生物，乙酸浓度为1000mg/L，乙醇浓度为4mL/L，将反应器置于30℃的恒温培养箱中，以5d为一个周期，检测串联10Ω电阻电路中电流的变化，等待电流周期性变化稳定且产电峰值稳定时即完成MEC反应器的接种启动和功能微生物的驯化。

六、在实际操作中由于微生物对环境温度、pH等的要求，在连接反应器的过程中可以考虑连接pH监测仪和气体流量计等装置，反应器可置于恒温培养箱中运行。

结合附图说明

如图2、3所示，密封盖的直径为70mm，高度为10mm；反应器主体内径为60mm，高度为80mm，萃取分离主体内径为60mm，进水管、出水管均呈L型，口径为5mm，L型水平段底部与萃取分离主体底部间距为5mm，L型垂直段与萃取分离主体侧壁间距为10mm。参比电极位于密封盖的中心，气孔和进出水孔以密封盖中心对称布置，阳极孔和阴极孔以密封盖中心对称分布。

图4为无外加电子供体条件下且反应器处于开路状态下时仅以乙酸钠为底物的MEC产己酸效果图，实验分为两个阶段，第一阶段pH随反应进行而变化，第二阶段将反应器pH稳定在6，很明显可以看到在这两个阶段反应器中几乎没有己酸生成，但是乙酸钠仍然被消耗掉一部分，这是因为在外加电压条件下，乙酸向其他产物的转化受到热力学限制，无法正常进行，被消耗掉的乙酸钠为附着在电极上的活性微生物进行自我代谢所消耗。

图5为无外加电子供体条件下且反应器处于闭路状态时仅以乙酸钠为底物的MEC产己酸效果图，同样是分两个阶段进行，与开路实验组相比反应器中可以明显的检测到己酸的产生，将pH稳定在6以后达到最大己酸产率500.8 mg COD/L，这表明在电刺激下不添加电子供体进行己酸生产是可行的。

Claims (7)

1.一种无电子供体实现污泥电发酵产己酸并同步分离的装置，其特征在于，包括：反应器主体（1），疏水膜固定组件（2），进水管（3），萃取分离主体（4），出水管（5），碳布（6），参比电极（7），进出水管/取样管（8），集气管（9），碳刷（10），密封盖（11）；反应器主体（1）顶部和底部均开口，萃取分离主体（4）顶部开口；

密封盖（11）密封扣合在反应器主体（1）的顶部开口，参比电极（7）、进出水管/取样管（8）、集气管（9）由密封盖（11）顶部伸入反应器主体（1）内部，碳布（6）和碳刷（10）通过安装在密封盖（11）上的连杆悬挂在反应器主体（1）内部；参比电极（7）、进出水管/取样管（8）、集气管（9）以及连杆穿过密封盖（11）的位置均做密封处理；

所述疏水膜固定组件（2）包括连接法兰以及安装在连接法兰中心孔内的疏水膜；反应器主体（1）底部开口与萃取分离主体（4）顶部开口之间由连接法兰连接；

萃取分离主体（4）侧壁上开有两个孔，进水管（3）和出水管（5）分别经由两个孔进入萃取分离主体（4）后，又通过疏水膜进入反应器主体（1）内；

萃取液由进水管（3）进入反应器，由出水管（5）流出反应器；萃取分离主体中填充萃取剂，用来萃取装置中产生的己酸；

集气管（9）出口连接气体采样袋；

反应基质置于反应器主体中，疏水膜将萃取剂与电解液分隔，反应基质无法通过疏水膜，但是萃取剂可以通过，萃取剂流经布水板经过疏水膜与反应基质接触，将反应器中部分己酸萃取出来，然后回流到萃取主体中，萃取剂在整个过程中依靠循环电泵重复使用，直至萃取达到饱和状态时再更换萃取剂，避免己酸在反应器中积累以产生生物毒性，导致反应器产率下降。

2.根据权利要求1所述的一种无电子供体实现污泥电发酵产己酸并同步分离的装置，其特征在于反应器主体（1）和萃取分离主体（4）由有机玻璃制成。

3.根据权利要求1所述的一种无电子供体实现污泥电发酵产己酸并同步分离的装置，其特征在于碳布（6）尺寸为：3×6cm²，碳刷（10）尺寸为：直径30mm、长度60mm，其中碳刷作为阳极，碳布作为阴极，阳极和阴极间距为25mm。

4.根据权利要求1所述的一种无电子供体实现污泥电发酵产己酸并同步分离的装置，其特征在于疏水膜布在设有孔洞的布水板上；布水板固定在连接法兰的中心孔内。

5.根据权利要求1所述的一种无电子供体实现污泥电发酵产己酸并同步分离的装置，其特征在于密封盖（11）上开有阳极孔、阴极孔、参比电极孔、进出水孔和气孔；参比电极孔位于密封盖（11）中心，阳极孔、进出水孔、阴极孔和气孔环绕参比电极孔分布，且阳极孔和阴极孔以参比电极孔为中心对称分布，气孔和进出水孔以参比电极孔为中心对称分布；连接碳布（6）和碳刷（10）的连杆分别穿过阳极孔和阴极孔，进出水管/取样管（8）、集气管（9）分别穿过进出水孔和气孔；参比电极（7）采用甘汞电极。

6.根据权利要求5所述的一种无电子供体实现污泥电发酵产己酸并同步分离的装置，其特征在于甘汞电极和作为阳极的碳刷（10）连接，测阴极电势；萃取分离主体中填充萃取剂，用来萃取装置中产生的己酸。

7.根据权利要求1~6任一项所述的一种无电子供体实现污泥电发酵产己酸并同步分离的装置，其特征在于，所述装置在应用时，需要进行装置的接种启动与功能微生物的驯化：30℃启动装置，将厌氧驯化好的产己酸菌和营养液以1:10的比例加入到装置中进行启动，并加入乙酸、乙醇选择驯化功能微生物，乙酸浓度为1000mg/L，乙醇浓度为4mL/L，将装置置于30℃的恒温培养箱中，以5d为一个周期，检测串联10Ω电阻电路中电流的变化，等待电流周期性变化稳定且产电峰值稳定时即完成装置的接种启动和功能微生物的驯化。