CN113234590A - 一种沼气制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种沼气制备装置及方法，属于能源化工技术领域。包括风光发电系统、用于微生物电解和暗发酵产生沼气的反应室，以及用于对反应室内发酵产生的沼气进行提纯的双室甲烷提纯室，所述风光发电系统包括用于风力发电的风机、用于太阳能发电的光伏组件，所述反应室内部设有阴极电极和阳极电极；所述双室甲烷提纯室包括阴极室和阳极室；所述反应室与阴极室之间通过管道连接。本发明能够将糖厂废水回收利用，有效提高沼气的制备效率和沼气中甲烷的浓度。
Description
技术领域
本发明属于能源化工技术领域，具体涉及一种沼气制备装置及方法。
背景技术
传统的生物发酵法制沼气工艺，得到的甲烷含量较低，一般只有50％～60％，而且会产生约30％二氧化碳，二氧化碳排放量高，进一步加剧全球的温室效应。现有技术通过加氢催化的方式将二氧化碳转化为甲烷，但参与反应的原料氢气的成本高，且反应条件需要高温高压，对设备的性能要求较高，设备的投资成本高，效益相对较低。
公开号为CN104844406A的专利文献公开了一种风光电水二氧化碳制甲烷装置，属能源化工技术领域，主要由电解槽、水槽、电解液生成罐、泵、甲烷净化塔、甲烷贮罐、氧气净化塔、氧气贮罐、二氧化碳收集槽等组成，其特征是：电解槽中的电解液在泵的作用下在电解槽和电解液生成罐间循环，补充水和二氧化碳进行更新。二氧化碳收集槽能收集工矿排放废气中和空气中的二氧化碳。该发明是以风、光等可再生能源产生的电为动力，用水和从废气中、空气中收集的二氧化碳为原料制取甲烷，属低碳循环清洁能源，是防治空气污染，少燃煤，减排二氧化碳的治本措施。
公开号为CN104561222A的专利文献公开了一种餐厨垃圾和污泥产氢酸化预处理提高甲烷生产速率的方法。该方法包括：将粉碎预处理后的餐厨垃圾和污泥混合后，与硫酸溶液配制成混合液在135℃下水解处理得到发酵原料；向发酵原料加入酵母粉，接种暗发酵产氢菌，通入高纯氮气营造厌氧发酵环境，然后恒温37℃进行暗发酵产氢深度酸化预处理，得到产氢深度酸化预处理液体；加入产甲烷菌保持37℃厌氧环境进行发酵联产甲烷。该发明通过产氢深度酸化预处理显著提高了甲烷生产速率，使生产甲烷的速率峰值时间减少约50％，单位容积发酵罐设备对废弃物的处理降解时间减少约50％，使单个设备在单位时间内对废弃物的处理量提高了一倍左右。
可见在沼气的生产过程中，节约能源并提高甲烷的产率对工业生产具有重要的意义。
发明内容
为在沼气的生产过程中，既能够节约能源又能够提高甲烷的产率，本发明提供一种沼气制备装置及方法。
一种沼气制备装置，包括风光发电系统、用于微生物电解和暗发酵产生沼气的反应室，以及用于对反应室内发酵产生的沼气进行提纯的双室甲烷提纯室，
所述风光发电系统包括用于风力发电的风机、用于太阳能发电的光伏组件，所述风光发电系统用于对反应室和双室甲烷提纯室中的用电元件进行供电，所述沼气制备装置还包括用于储存风光发电系统产生的多余电能的蓄电池，当所述风光发电系统产生的电能不足时，由蓄电池补充给反应室和双室甲烷提纯室中的用电元件进行供电，
所述反应室内部设有阴极电极和阳极电极，反应室设有进料口和出料口，阴极电极和阳极电极浸泡于用于产生沼气的发酵液中，进料口和出料口之间设有用回料管连接的换料室，回料管上设有第一蠕动泵；
所述双室甲烷提纯室包括阴极室和阳极室，阴极室和阳极室之间通过带有阳离子交换膜的交换管道连接，阴极室的外部设有用于气体循环的循环管，循环管上设有第二蠕动泵；
所述反应室与阴极室之间通过管道连接，所述阴极室与第一气体收集室通过带有控制阀的管道连接，阳极室与第二气体收集室通过管道连接。
风光发电系统和蓄电池的电能经过变压装置调整电压后为反应室和双室甲烷提纯室的用电元件供电。
阴极室和阳极室通过有阳离子交换膜的管道连接，进一步纯化阴极产生的甲烷气体。在反应室内部阳极电极表面微生物利用有机物产生质子与二氧化碳，CH3COOH+H2O→CO2↑+H+，C6H12O6+H2O→CO2↑+H+；在阴极电极表面，质子在阴极上质子得到2个电子后被还原成氢气，2H++2e-＝H2↑。反应室产生的混合气体通过管道进入到阴极室。在阳极室，电解水产生氢离子和氧气，氢离子通过阳离子交换膜进入阴极室内，与反应室内产生的CO2气体反应产生甲烷，CO2+H++e-→CH4↑+H2O，进一步提高阴极室内部甲烷气体的浓度。
另外在阴极室内的甲烷浓度达到要求之前，阴极室内的气体通过第二蠕动泵进行循环，不断的与阳极室产生的氢离子反应生成甲烷气体，当甲烷浓度不低于85％时打开阀门，阴极室的气体进入第一收集室。
所述控制阀带有甲烷浓度感应装置。控制阀通过感应装置感应阴极室内的甲烷浓度，当阴极室内的甲烷浓度不低于85％时，打开第一气体收集室收集沼气。
所述第一蠕动泵和第二蠕动泵均通过计算机远程控制。
所述阳极室设有用于加水的加水口。
所述阴极电极和阳极电极为改良生物膜电极。改良生物膜电极能够为混合产甲烷细菌提供更多的附着位点，有助于反应室内产甲烷反应的进行。
所述改良生物膜电极的制备过程如下：
(1)在氮气环境下，将含有铁离子的聚苯乙烯树脂在800℃条件下碳化，碳化后的聚苯乙烯树脂转变成多孔导电材料；
(2)先将多孔导电材料裁剪成片状，再将片状多孔导电材料在丙酮溶液中浸泡12h后取出，最后用去离子水清洗3次；
(3)先将清洗后的片状多孔导电材料在氮气氛围中干燥，再将片状多孔导电材料的正反面分别喷涂浓度为3％w/v的壳聚糖溶液2mL，喷涂完毕后将片状的多孔导电材料冷冻干燥4～6h，得到所述改良生物膜电极。
一种沼气制备方法，用所述沼气制备装置制备，所述沼气制备方法的步骤如下：
(1)先将混合产甲烷细菌接种到菌种营养液中富集培养，然后将富集后的混合产甲烷细菌接种到反应室和阴极室中；
(2)风光发电系统为反应室及双室甲烷提纯室中的用电元件供电，通过第一蠕动泵将换料室中的糖厂废水泵入反应室中；
(3)向阳极室加入水；
(4)先向反应室及双室甲烷提纯室中通入氮气进行曝气，然后封闭反应室及双室甲烷提纯室，使反应室及双室甲烷提纯室处于厌氧环境，控制反应室及双室甲烷提纯室的温度在36～37℃；
(5)控制整个沼气制备装置处于工作状态，当阴极室甲烷浓度不低于85％时，打开控制阀收集沼气。
为了增加阳离子交换膜的工作效率，也可以向水中加入一定的电解质盐，增加导电性。阳极室内电解水产生氢离子和氧气，氧气直接进入第二气体收集室，氢离子通过阳离子交换膜进入阴极室，与反应室产生的二氧化碳气体反应生成甲烷气体，阴极室内的气体在甲烷浓度达到85％之前，经循环管进入第二蠕动泵反复循环与氢离子反应，直至甲烷浓度不低于85％。
所述曝气的时间为30min。
所述混合产甲烷细菌包括乙酸营养型产甲烷菌和氢气营养型产甲烷细菌。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过风光发电系统将风的机械能转换为电能，将太阳的太阳能转化为电能，利用风能和太阳能协同为制备沼气的装置供电，节约能源，降低生产成本，且比较环保；本发明通过风光发电系统、反应室和双室甲烷提纯室相互协同作用，不仅环保，还能够提高沼气的制备效率以及沼气中甲烷气体的浓度。
附图说明
图1为本发明一种用风光发电供能的沼气制备装置的结构示意图。
图中，风光发电系统1、风机11、光伏组件12、蓄电池2、变压装置3、反应室4、第一蠕动泵41、换料室42、阴极室51、第二蠕动泵52、阳极室53、控制阀54、第一气体收集室6、第二气体收集室7。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种沼气制备装置，包括风光发电系统1、用于微生物电解和暗发酵产生沼气的反应室4，以及用于对反应室4内发酵产生的沼气进行提纯的双室甲烷提纯室，风光发电系统1包括用于风力发电的风机11、用于太阳能发电的光伏组件12，风光发电系统1用于对反应室4和双室甲烷提纯室中的用电元件进行供电，沼气制备装置还包括用于储存风光发电系统1产生的多余电能的蓄电池2，当风光发电系统1产生的电能不足时，由蓄电池2补充给反应室4和双室甲烷提纯室中的用电元件进行供电，反应室4内部设有阴极电极和阳极电极，反应室4设有进料口和出料口，阴极电极和阳极电极浸泡于用于产生沼气的发酵液中，进料口和出料口之间设有用回料管连接的换料室42，回料管上设有第一蠕动泵41；双室甲烷提纯室包括阴极室51和阳极室53，阴极室51和阳极室53之间通过带有阳离子交换膜的交换管道连接，阴极室51的外部设有用于气体循环的循环管，循环管上设有第二蠕动泵52；反应室4与阴极室51之间通过管道连接，阴极室51与第一气体收集室6通过带有控制阀54的管道连接，阳极室53与第二气体收集室7通过管道连接。
风光发电系统1和蓄电池2的电能经过变压装置3调整电压后为反应室4、阴极室51和阳极室53的用电元件供电。控制阀54带有甲烷浓度感应装置。当控制阀54感应阴极室51气体中甲烷的浓度达到85％时，控制阀54处于打开状态，阴极室51与第一气体收集室6连通，第一气体收集室6收集沼气。第一蠕动泵41和第二蠕动泵52均通过计算机远程控制。
阳极室53设有用于加水的加水口。还可以在阳极室53加入一定的导电性的盐，提高阳离子交换膜的工作效率。
阴极电极和阳极电极为改良生物膜电极。改良生物膜电极的制备过程如下：
(1)在氮气环境下，将含有铁离子的聚苯乙烯树脂在800℃条件下碳化，碳化后的聚苯乙烯树脂转变成多孔导电材料；
(2)先将多孔导电材料裁剪成片状，再将片状多孔导电材料在丙酮溶液中浸泡12h后取出，最后用去离子水清洗3次；
(3)先将清洗后的片状多孔导电材料在氮气氛围中干燥，再将片状多孔导电材料的正反面分别喷涂浓度为3％w/v的壳聚糖溶液2mL，喷涂完毕后将片状的多孔导电材料冷冻干燥4～6h，得到所述改良生物膜电极。
用沼气制备装置制备沼气时，(1)先将混合产甲烷细菌接种到菌种营养液中富集培养，然后将富集后的混合产甲烷细菌接种到反应室4和阴极室51中；
(2)风光发电系统1为反应室4及双室甲烷提纯室中的用电元件供电，通过第一蠕动泵41将换料室42中的糖厂废水泵入反应室4中；
(3)向阳极室53加入水；
(4)先向反应室4及双室甲烷提纯室中通入氮气进行曝气30min，然后封闭反应室4及双室甲烷提纯室，使反应室4及双室甲烷提纯室处于厌氧环境，控制反应室4及双室甲烷提纯室的温度在36～37℃；
(5)控制整个沼气制备装置处于工作状态，阳极室53产生的氧气进入第二气体收集室7，当阴极室51甲烷浓度达到85％时，打开控制阀54收集沼气。
混合产甲烷细菌包括乙酸营养型产甲烷菌和氢气营养型产甲烷细菌。
实施例2
从浙江省嵊州市的某个养猪场沼气池获得污泥，进行厌氧污泥的分离，最后得到产甲烷用的混和细菌。
取出一个1000mL的三角瓶在100℃的高压蒸汽灭菌锅中灭菌30min。将灭菌后的三角瓶冷却至室温后，将300mL厌氧污泥加入三角瓶中，在无其他杂菌的环境中保存。配制液态培养基，液态培养基的成分：10g/L氨三乙酸，2g/L蛋白胨，2g/L酵母粉，0.5g/L半胱氨酸，0.4g/L K2HPO4、0.2g/L MgCl2·6H2O和1L蒸馏水，将配制好的液态培养基在121℃的条件下灭菌15min，取600mL液态培养基加入1000mL的灭菌三角瓶中，
将上述保存的300mL厌氧污泥加入600mL液态培养基混合均匀，将混合均匀后的三角瓶在厌氧箱中静置7天进行富集，厌氧箱条件为：10％氢气、10％二氧化碳和80％氮气，温度为35±1℃。3天后将上清液去除，重复上述操作3次，得到富集的混合产甲烷细菌。
向8L的本发明的反应室内加入上述富集后的混合产甲烷细菌500mL，向5L的阴极室加入上述富集后的混合产甲烷细菌300mL，阴极电极和阳极电极为改良生物膜电极，阴极室和阳极室的电极也为改良生物膜电极；向换料室中加入糖厂废水，糖厂废水的COD为1987mg/L，BOD5为5400mg/L，pH为6.2，用氮气向反应室曝气30min；曝气结束后打开蠕动泵，将换料室内的糖厂废水泵入到反应室中，搅拌器的工作电压为12V，发酵结束后取发酵液测试pH值。结果表明，发酵后的发酵液的pH值为7.86～7.93，该装置的沼气日产量为1.26L，且沼气中甲烷的浓度为87.3％。
对比例1
从浙江省嵊州市的某个养猪场沼气池获得污泥，进行厌氧污泥的分离，最后得到产甲烷用的混和细菌。
取出一个1000mL的三角瓶在100℃的高压蒸汽灭菌锅中灭菌30min。将灭菌后的三角瓶冷却至室温后，将300mL厌氧污泥加入三角瓶中，在无其他杂菌的环境中保存。配制液态培养基，液态培养基的成分：10g/L氨三乙酸，2g/L蛋白胨，2g/L酵母粉，0.5g/L半胱氨酸，0.4g/L K2HPO4、0.2g/L MgCl2·6H2O和1L蒸馏水，将配制好的液态培养基在121℃的条件下灭菌15min，取600mL液态培养基加入1000mL的灭菌三角瓶中，
将上述保存的300mL厌氧污泥加入600mL液态培养基混合均匀，将混合均匀后的三角瓶在厌氧箱中静置7天进行富集，厌氧箱条件为：10％氢气、10％二氧化碳和80％氮气，温度为35±1℃。3天后将上清液去除，重复上述操作3次，得到富集的混合产甲烷细菌。
向8L的不带电极的反应室内加入上述富集后的混合产甲烷细菌500mL，向5L的阴极室加入上述富集后的混合产甲烷细菌300mL，阴极室和阳极室的电极为普通碳布电极；向换料室中加入糖厂废水，糖厂废水的COD为1987mg/L，BOD5为5400mg/L，pH为6.2，用氮气向反应室曝气30min；曝气结束后打开蠕动泵，将换料室内的糖厂废水泵入到反应室中，关闭蠕动泵，搅拌器的工作电压为12V，发酵结束后取发酵液测试pH值。结果表明，发酵后的发酵液的pH值为5.68～5.92，该装置的沼气日产量为0.93L，且沼气中甲烷的浓度为65％。
实施例2和对比例1的实验结果表明，实施例2与对比例1相比沼气的日产量提高35.5％，沼气中甲烷的浓度提高22.3％。
Claims (9)
1.一种沼气制备装置，包括风光发电系统、用于微生物电解和暗发酵产生沼气的反应室，以及用于对反应室内发酵产生的沼气进行提纯的双室甲烷提纯室，其特征在于，
所述风光发电系统包括用于风力发电的风机、用于太阳能发电的光伏组件，所述风光发电系统用于对反应室和双室甲烷提纯室中的用电元件进行供电，所述沼气制备装置还包括用于储存风光发电系统产生的多余电能的蓄电池，当所述风光发电系统产生的电能不足时，由蓄电池补充给反应室和双室甲烷提纯室中的用电元件进行供电，
所述反应室内部设有阴极电极和阳极电极，反应室设有进料口和出料口，阴极电极和阳极电极浸泡于用于产生沼气的发酵液中，进料口和出料口之间设有用回料管连接的换料室，回料管上设有第一蠕动泵；
所述双室甲烷提纯室包括阴极室和阳极室，阴极室和阳极室之间通过带有阳离子交换膜的交换管道连接，阴极室的外部设有用于气体循环的循环管，循环管上设有第二蠕动泵；
所述反应室与阴极室之间通过管道连接，所述阴极室与第一气体收集室通过带有控制阀的管道连接，阳极室与第二气体收集室通过管道连接。
2.如权利要求1所述的沼气制备装置，其特征在于，所述控制阀带有甲烷浓度感应装置。
3.如权利要求1所述的沼气制备装置，其特征在于，所述第一蠕动泵和第二蠕动泵均通过计算机远程控制。
4.如权利要求1所述的沼气制备装置，其特征在于，所述阳极室设有用于加水的加水口。
5.如权利要求1所述的沼气制备装置，其特征在于，所述阴极电极和阳极电极为改良生物膜电极。
6.如权利要求5所述的沼气制备装置，其特征在于，所述改良生物膜电极的制备过程如下：
(1)在氮气环境下，将含有铁离子的聚苯乙烯树脂在800℃条件下碳化，碳化后的聚苯乙烯树脂转变成多孔导电材料；
(2)先将多孔导电材料裁剪成片状，再将片状多孔导电材料在丙酮溶液中浸泡12h后取出，最后用去离子水清洗3次；
(3)先将清洗后的片状多孔导电材料在氮气氛围中干燥，再将片状多孔导电材料的正反面分别喷涂浓度为3％w/v的壳聚糖溶液2mL，喷涂完毕后将片状的多孔导电材料冷冻干燥4～6h，得到所述改良生物膜电极。
7.一种沼气制备方法，其特征在于，用权利要求1～6中任一所述沼气制备装置制备，所述沼气制备方法的步骤如下：
(1)先将混合产甲烷细菌接种到菌种营养液中富集培养，然后将富集后的混合产甲烷细菌接种到反应室和阴极室中；
(2)风光发电系统为反应室及双室甲烷提纯室中的用电元件供电，通过第一蠕动泵将换料室中的糖厂废水泵入反应室中；
(3)向阳极室加入水；
(4)先向反应室及双室甲烷提纯室中通入氮气进行曝气，然后封闭反应室及双室甲烷提纯室，使反应室及双室甲烷提纯室处于厌氧环境，控制反应室及双室甲烷提纯室的温度在36～37℃；
(5)控制整个沼气制备装置处于工作状态，当阴极室甲烷浓度不低于85％时，打开控制阀收集沼气。
8.如权利要求7所述的沼气制备的方法，其特征在于，所述曝气的时间为30min。
9.如权利要求7所述的沼气制备的方法，其特征在于，所述混合产甲烷细菌包括乙酸营养型产甲烷菌和氢气营养型产甲烷细菌。
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