CN113373026A - 一种可调静磁场与镍基添加物复合强化提高沼气产量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一种可调静磁场与镍基添加物复合强化提高沼气产量装置，包括保温层、可调静磁场发生装置、磁场检测装置、多功能搅拌装置和厌氧消化反应罐；所述保温层安装在装置最外端，所述可调静磁场发生装置安装在保温层内，所述厌氧消化反应罐安装在静磁场发生装置内，所述磁场检测装置紧贴安装在厌氧消化反应罐的四周和底部，所述厌氧消化反应罐安装在装置中心位置，所述多功能搅拌装置安装在厌氧消化反应罐内。本发明结构简单，操作方便，不需要特殊设备，既能保证温度恒定，又能保证磁场强度稳定，并提升了生物质厌氧产气效率，保证了生产可再生能源的经济性和环保性。

Description

一种可调静磁场与镍基添加物复合强化提高沼气产量装置
技术领域
本发明属于生物质厌氧消化领域，具体涉及一种可调静磁场与镍基添加物复合强化提高沼气产量装置。
背景技术
目前，由于全球对不可再生能源，比如化石燃料的过度开发和燃烧所导致的能源短缺和环境污染，人类对可再生能源的需求也越来越大，厌氧消化是一种经济有效的将生物质转化为沼气的技术，可以将有机物转化为沼气，对于生物质资源高效再利用具有十分重要的现实意义，然而，传统的厌氧消化技术由于产气率低，产气周期长，不能得到大规模推广。
然而，有研究发现，多孔导电材料既可以富集菌群，又可以充当导电体，使电子更容易从充当电子供体的产酸菌转移到充当电子受体的产甲烷菌中，而且，H+也可以迅速转移到特定的产甲烷菌中，氢型产甲烷菌通过同时接受电子和H+，可以快速地将CO2还原为CH4，本装置所使用的添加剂泡沫镍-二氧化钛即为多孔导电材料，它多孔结构和骨架上的多沟壑表面及二氧化钛无生物毒性的特点，使得其更利于菌群的附着，有利于形成电活性生物膜，从而促进电子传递。
也有许多研究指出，磁场可以通过使跨膜蛋白和可溶性蛋白构象的改变，从而使生物效应更加显著，磁性被认为能促进细胞生长的变化，这将促使细胞进入增殖状态，并提高糖酵解速率，有研究表明，在厌氧消化反应器中，静磁场可以使乳酸菌的相对丰度大约提高10％，甲烷八叠球菌和氢营养型产甲烷菌数量也同样得到了提升，并且静磁场还提升了参与乙酸转化为甲烷的酶活性，因此，在厌氧反应器周围添加磁场可以促进厌氧微生物生长繁殖，从而促进有机物的降解，最终促进产气量的提升。
因此，本发明通过添加静态磁场和生物亲和多孔导电材料，改善厌氧消化环境和提升微生物消化能力，使得有机物能够更快速和更彻底地被分解利用，从而提升厌氧消化产气量。
发明内容
(一)解决的技术问题
本发明的目的在于，针对厌氧消化产气速率慢、产气量低等问题，提供一种可调静磁场与镍基添加物复合强化提高沼气产量装置，利用磁场促进微生物生长代谢及复合添加剂促进微生物种间电子直接转移，从而有效解决上述问题。本发明操作简便，既能调节磁场强度，以保持最佳的发酵环境，还能通过填料棒便捷地回收添加剂，以便重复利用。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种可调静磁场与镍基添加物复合强化提高沼气产量装置，包括保温层、可调静磁场发生装置、磁场检测装置、多功能搅拌装置和厌氧消化反应罐；所述保温层安装在装置最外端，为厌氧消化提供合适的温度条件，所述可调静磁场发生装置安装在保温层内，所述厌氧消化反应罐安装在静磁场发生装置内，为厌氧消化提供合适的磁环境，所述磁场检测装置紧贴安装在厌氧消化反应罐的四周和底部，用来监测磁场强度，所述厌氧消化反应罐安装在装置中心位置，所述多功能搅拌装置安装在厌氧消化反应罐内。
优选的，所述保温层通过进水口和排水口进行热水循环保温，所述进水口和排水口与外部热水加热器相连。
优选的，所述可调静磁场发生装置包括可拆卸的有机玻璃板和可升降装置，永磁体A和永磁体B分别安装在可拆卸的有机玻璃板及升降台上，所述有机玻璃板和升降台分别安装在厌氧消化反应罐四周和底部，用来调节永磁体A和永磁体B与厌氧消化反应罐的距离，所述升降台侧面安装有调节把手，通过改变有机玻璃板的安装位置来调节永磁体A与厌氧消化反应罐之间的距离，在装置底部，调节距离装置为升降台，永磁体B安装在升降台上，通过调节把手来调节永磁体B与厌氧消化反应罐之间的距离。
优选的，所述磁场检测装置为高斯计的磁场探针，其位置在正对永磁体A和永磁体B的中线。
优选的，所述多功能搅拌装置由搅拌电机、连接杆和复合材料填料棒组成，所述复合材料填料棒安装在连接杆上，所述连接杆安装在搅拌电机的主轴上，连接杆为一根或者多根，每根连接杆上安装的复合材料填料棒为一根或者多根，所述复合材料填料棒为三层组合结构，最内层为永磁体棒，安装在密封体内，防止其锈蚀，密封体外包覆复合材料包覆层。
优选的，所述厌氧消化反应罐上部安装有温度传感器、pH传感器、排气管和缓冲液注入口，所述缓冲液注入口上安装有止水夹，所述温度传感器和pH传感器分别与外部工控机相连，所述排气管与外部集气装置相连。
一种镍基添加物的制作方法，包括以下步骤：
(1)将泡沫镍用饱含KCl的丙酮溶液浸泡数小时之后用大量的清水冲洗，再用二次去离子水冲洗，将泡沫镍依次浸泡二次去离子水、丙酮溶液、无水乙醇中进行超声清洗数次，直至清洗干净，将泡沫镍取出，用干燥箱干燥后备用；
(2)取一定量的无水乙醇，向其中滴加不同体积的硝酸，调节pH值，使其稳定在1左右，硝酸和无水乙醇混合倒入钛酸四丁酯中，搅拌均匀，另将一定量的无水乙醇的混合液加入含有钛酸四丁酯的溶液中，添加完成后继续搅拌均匀，之后将溶液密封陈化一定时间，即可得到二氧化钛溶胶；
(3)采用浸渍提拉法制备二氧化钛干凝胶薄膜，将泡沫镍在二氧化钛溶胶中浸泡之后缓慢拉出，完成提拉后将其置入干燥箱内干燥，将制备的二氧化钛干凝胶放入马弗炉烧结，得到镍基添加物二氧化钛干凝胶薄膜。
一种可调静磁场与镍基添加物复合强化提高沼气产量的方法，包括以下步骤：
(1)保温层的温度保持在35±2℃范围内，使得厌氧消化反应罐保持中温发酵；
(2)将上述步骤制作的二氧化钛干凝胶薄膜包覆在复合材料填料棒外端；
(3)调节厌氧消化反应罐四周的有机玻璃板及底部的升降台，使厌氧消化反应罐内磁场保持在10-15mT范围内；
(4)将玉米秸秆和污水污泥一起放入厌氧消化反应罐内，调节pH值为6.5-7.5之间；
(5)将加入厌氧消化反应罐的玉米秸秆和污水污泥搅拌均匀，进行发酵产气。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明设计了空间及强度可调控的磁场发生装置，这样可以反复利用该装置研究磁场不同空间分布及强度对厌氧消化的影响。
(2)本发明采用的多功能搅拌装置不仅可以起到搅拌作用，而且密封体内的永磁体可以使厌氧消化反应罐里的磁场分布更加均匀，还可以在复合材料填料棒外端包覆添加物，方便添加物的回收再利用。
(3)采用本发明装置进行厌氧消化，通过搅拌装置，使反应物流动性增强，可有效抑制浮渣结壳现象。
(4)采用本发明装置进行厌氧消化，相对于对照组，产气量提升了31.04％。
综上所述，本发明结构简单，操作方便，不需要特殊设备，既能保证温度恒定，又能保证磁场强度稳定，并提升了生物质厌氧产气效率，保证了生产可再生能源的经济性和环保性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中主视图。
图3为图1中复合填料棒结构图。
图4为二氧化钛干凝胶薄膜在扫描电镜下的形态及XRD图。
图5为实施例1的总产气量。
图6为实施例2的总产气量。
图中标号：1保温层；2永磁体A；3可调静磁场发生装置；4有机玻璃板；5可升降装置；51永磁体B；52调节把手；53升降台；6磁场检测装置；7厌氧消化反应罐；8排气管；9温度传感器；10pH传感器；11止水夹；12缓冲液注入口；13多功能搅拌装置；14复合材料填料棒；141永磁体棒；142密封体；143复合材料包覆层；15搅拌电机；16进水口；17排水口；18连接杆。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明，通过以下说明，本发明的优势将更加清晰，但是此详细说明并不作为对本发明的限定。
如图1-3所示，一种可调静磁场与镍基添加物复合强化提高沼气产量装置，包括保温层1、可调磁场发生装置3、磁场检测装置6、多功能搅拌装置13和厌氧消化反应罐7，保温层1安装在装置最外端，为厌氧消化提供合适的温度条件，保温层1通过进水口16和排水口17进行热水循环保温，进水口16和排水口17可与外部热水加热器连接，热水通过进水口16注入保温层，通过排水口17排出到外部加热器中，循环加热，为厌氧消化提供合适的温度条件。
具体的，可调静磁场发生装置3安装在保温层1内，厌氧消化反应罐7安装在静磁场发生装置3内，可调静磁场发生装置3包括可拆卸的有机玻璃板4和可升降装置5，永磁体A2和永磁体B51分别安装在可拆卸的有机玻璃板4及升降台53上，有机玻璃板4和升降台53分别安装在厌氧消化反应罐7四周和底部，用来调节永磁体A2和永磁体B51与厌氧消化反应罐7的距离，升降台53侧面安装有调节把手52，通过改变有机玻璃板4的安装位置来调节永磁体A2与厌氧消化反应罐7之间的距离，在装置底部，调节距离装置为升降台53，永磁体B51安装在升降台53上，通过调节把手52来调节永磁体B51与厌氧消化反应罐7之间的距离，通过调节有机玻璃板4和升降台53与厌氧消化反应罐7之间的距离来控制磁场大小，可为厌氧消化提供合适的磁环境。
具体的，磁场检测装置6紧贴安装在厌氧消化反应罐7的四周和底部，可与外部显示装置连接，用来监测磁场强度，使磁场强度保持在10-15mT范围内，磁场检测装置6为高斯计的磁场探针，其位置在正对永磁体A2和永磁体B51的中线。
具体的，厌氧消化反应罐7安装在装置中心位置，多功能搅拌装置13安装在厌氧消化反应罐7内，厌氧消化反应罐7顶部装有温度传感器9、pH传感器10、排气管8和缓冲液注入口12，缓冲液注入口12上安装有止水夹11，温度传感器9和pH传感器10分别与外部工控机相连，排气管8与外部集气装置相连，可通过组态系统，实时监测厌氧消化环境，如果有酸化现象，可以通过缓冲液注入口12将酸碱缓冲液注入厌氧消化反应罐7中以调节pH稳定在正常范围内；7.
具体的，多功能搅拌装置13包括搅拌电机15、连接杆18和复合材料填料棒14，复合材料填料棒14安装在连接杆18上，连接杆18安装在搅拌电机15的主轴上，连接杆18为一根或者多根，每根连接杆18上安装的复合材料填料棒14为一根或者多根，复合材料填料棒14为三层组合结构，最内层为永磁体棒141，安装在密封体142内，防止其锈蚀，密封体142外包覆复合材料包覆层143，永磁体棒141可以使厌氧消化反应罐7内磁场更加均匀，复合材料填料棒14外端可包覆添加物，而且还可跟随搅拌电机15转动，起到搅拌底物作用，防止多纤维底物结壳。
使用上述装置，通过实施例1-2进一步说明一种可调静磁场与镍基添加物复合强化提高沼气产量的方法。
首先，在实施例开始前，制作镍基添加物二氧化钛干凝胶薄膜：
(1)将泡沫镍用饱含KCl的丙酮溶液浸泡数小时之后用大量的清水冲洗，再用二次去离子水冲洗，将泡沫镍依次浸泡二次去离子水、丙酮溶液、无水乙醇中进行超声清洗数次，直至清洗干净，将泡沫镍取出，用干燥箱干燥后备用；
(2)取一定量的无水乙醇，向其中滴加不同体积的硝酸，调节pH值，使其稳定在1左右，硝酸和无水乙醇混合倒入钛酸四丁酯中，搅拌均匀，另将一定量的无水乙醇的混合液加入含有钛酸四丁酯的溶液中，添加完成后继续搅拌均匀，之后将溶液密封陈化一定时间，即可得到二氧化钛溶胶；
(3)采用浸渍提拉法制备二氧化钛干凝胶薄膜，将泡沫镍在二氧化钛溶胶中浸泡之后缓慢拉出，完成提拉后将其置入干燥箱内干燥，将制备的二氧化钛干凝胶放入马弗炉烧结，得到镍基添加物二氧化钛干凝胶薄膜。
二氧化钛干凝胶薄膜在扫描电镜下的形态及XRD图如图4所示。
实施例1：
筛选二氧化钛干凝胶薄膜浓度：
(1)控制发酵温度：控制加热器加热温度，使得厌氧消化反应罐7内温度为33-37℃；
(2)加入添加物：将上述步骤制作的二氧化钛干凝胶薄膜按照不同浓度(0g，2.82±0.01g/L，5.53±0.14g/L，10.90±0.23g/L，22.05±0.09g/L)分别包覆在复合材料填料棒14上；
(3)进行厌氧消化产气实验：底物为长度为1-2cm的细碎秸秆30g，接种物为城市污水处理厂的污水污泥100mL，将底物和接种物加入到氧消化反应罐7中，调节pH在6.5-7.5范围内，密封进行厌氧消化，实验组分别记为C、TF2.82、TF5.53、TF10.90、TF22.05；
(4)消化过程中对反应物进行充分的搅拌，搅拌频率为一天2次(早晚各一次)，每次搅拌20分钟，转速为40-80r/min，产生的沼气总产量通过气体流量计计数，总产气量如图5所示。
实施例2：
在实施例1的基础上，进行可调静态磁场与镍基添加物复合强化提升玉米秸秆厌氧消化产气实验：
(1)控制发酵温度：控制加热器加热温度，使得厌氧消化反应罐7内温度为33-37℃；
(2)加入添加物：将实施例1筛选的最佳浓度的二氧化钛干凝胶薄膜包覆到复合材料填料棒14上；
(3)添加磁场：调节设备使厌氧消化反应罐7周围磁场为10-15mT；
(4)在磁场环境下进行厌氧消化产气实验：将和实施例1相同条件的底物和接种物加入到发酵罐中，调节pH在6.5-7.5范围内，密封进行厌氧消化，实验组分别记为C、STF；
(5)消化过程中对反应物进行充分的搅拌，搅拌条件和实例1相同，产生的沼气总产量通过气体流量计计数，总产气量如图6所示。
在实施例1中，在实验周期内，实验组TF2.82的总产气量最多，比对照组C高11.51％，因此将该浓度用于实施例2中。
在实施例2中，在实验周期内，实验组STF的产气量比对照组C高31.04％。
综上所述，采用该装置进行玉米秸秆厌氧消化产气，对于提升产气效率和产气量有明显的效果。上述实施例仅是该发明对于提升厌氧消化性能表现较好的一种，本发明并不局限于上述实施例，在本发明描述的技术方案上，任何技术人员根据上述描述内容作出的任意变换形式的实施例，均属于本发明保护范围。

Claims (8)

1.一种可调静磁场与镍基添加物复合强化提高沼气产量装置，其特征在于，包括保温层(1)、可调静磁场发生装置(3)、磁场检测装置(6)、多功能搅拌装置(13)和厌氧消化反应罐(7)；所述保温层(1)安装在装置最外端，所述可调静磁场发生装置(3)安装在保温层(1)内，所述厌氧消化反应罐(7)安装在静磁场发生装置(3)内，所述磁场检测装置(6)紧贴安装在厌氧消化反应罐(7)的四周和底部，所述厌氧消化反应罐(7)安装在装置中心位置，所述多功能搅拌装置(13)安装在厌氧消化反应罐(7)内。
2.根据权利要求1所述的一种可调静磁场与镍基添加物复合强化提高沼气产量装置，其特征在于，所述保温层(1)通过进水口(16)和排水口(17)进行热水循环保温，所述进水口(16)和排水口(17)与外部热水加热器相连。
3.根据权利要求1所述的一种可调静磁场与镍基添加物复合强化提高沼气产量装置，其特征在于，所述可调静磁场发生装置(3)包括可拆卸的有机玻璃板(4)和可升降装置(5)，永磁体A(2)和永磁体B(51)分别安装在可拆卸的有机玻璃板(4)及升降台(53)上，所述有机玻璃板(4)和升降台(53)分别安装在厌氧消化反应罐(7)四周和底部，用来调节永磁体A(2)和永磁体B(51)与厌氧消化反应罐(7)的距离，所述升降台(53)侧面安装有调节把手(52)。
4.根据权利要求1所述的一种可调静磁场与镍基添加物复合强化提高沼气产量装置，其特征在于，所述磁场检测装置(6)为高斯计的磁场探针，其位置在正对永磁体A(2)和永磁体B(51)的中线。
5.根据权利要求1所述的一种可调静磁场与镍基添加物复合强化提高沼气产量装置，其特征在于，所述多功能搅拌装置(13)由搅拌电机(15)、连接杆(18)和复合材料填料棒(14)组成，所述复合材料填料棒(14)安装在连接杆(18)上，所述连接杆(18)安装在搅拌电机(15)的主轴上，连接杆(18)为一根或者多根，每根连接杆(18)上安装的复合材料填料棒(14)为一根或者多根，所述复合材料填料棒(14)为三层组合结构，最内层为永磁体棒(141)，安装在密封体(142)内，密封体(142)外包覆复合材料包覆层(143)。
6.根据权利要求1所述的一种可调静磁场与镍基添加物复合强化提高沼气产量装置，其特征在于，所述厌氧消化反应罐(7)上部安装有温度传感器(9)、pH传感器(10)、排气管(8)和缓冲液注入口(12)，所述缓冲液注入口(12)上安装有止水夹(11)，所述温度传感器(9)和pH传感器(10)分别与外部工控机相连，所述排气管(8)与外部集气装置相连。
7.一种镍基添加物的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将泡沫镍用饱含KCl的丙酮溶液浸泡数小时之后用大量的清水冲洗，再用二次去离子水冲洗，将泡沫镍依次浸泡二次去离子水、丙酮溶液、无水乙醇中进行超声清洗数次，直至清洗干净，将泡沫镍取出，用干燥箱干燥后备用；
(2)取一定量的无水乙醇，向其中滴加不同体积的硝酸，调节pH值，使其稳定在1左右，硝酸和无水乙醇混合倒入钛酸四丁酯中，搅拌均匀，另将一定量的无水乙醇的混合液加入含有钛酸四丁酯的溶液中，添加完成后继续搅拌均匀，之后将溶液密封陈化一定时间，即可得到二氧化钛溶胶；
(3)采用浸渍提拉法制备二氧化钛干凝胶薄膜，将泡沫镍在二氧化钛溶胶中浸泡之后缓慢拉出，完成提拉后将其置入干燥箱内干燥，将制备的二氧化钛干凝胶放入马弗炉烧结，得到镍基添加物二氧化钛干凝胶薄膜。
8.一种可调静磁场与镍基添加物复合强化提高沼气产量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A：保温层(1)的温度保持在35±2℃范围内，使得厌氧消化反应罐(7)保持中温发酵；
B：将权利要求6制作的二氧化钛干凝胶薄膜包覆在复合材料填料棒(14)外端；
C：调节厌氧消化反应罐(7)四周的有机玻璃板(4)及底部的升降台(53)，使厌氧消化反应罐(7)内磁场保持在10-15mT范围内；
D：将玉米秸秆和污水污泥一起放入厌氧消化反应罐(7)内，调节pH值为6.5-7.5之间；
E：将加入厌氧消化反应罐(7)的玉米秸秆和污水污泥搅拌均匀，进行发酵产气。
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