CN113736648A - 一种强化有机固废厌氧消化能力的mec反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种强化有机固废厌氧消化能力的MEC反应器，包括反应器主体，反应器主体包括反应器顶板、反应器壁和反应器底板，反应器主体中设有MEC装置和搅拌装置；MEC装置包括生物极板、导线组件和外部直流电源；生物极板包括呈环状结构且在垂向分层次设置的生物阳极板和生物阴极板，生物阳极板和生物阴极板通过导线组件分别与电源组件的阳极和阴极电连接；外部直流电源通过导线组件向MEC装置提供电能，以此驱动MEC装置富集电活性微生物，提升厌氧消化效率。与现有技术相比，本发明具有在不影响反应器容积的情况下大幅度增大了生物电极板面积、电压分布更均衡、电活性微生物富集效果更好、厌氧产甲烷效率更高等优点。

Description

一种强化有机固废厌氧消化能力的MEC反应器

技术领域

本发明涉及有机固废厌氧消化处理技术领域，尤其是涉及一种强化有机固废厌氧消化能力的MEC反应器。

背景技术

城镇易腐有机固废中含有大量的有机物，采用厌氧消化的手段不仅可以降解易腐有机固废中的污染物，还能够获得可观的生物能源——甲烷。在传统的易腐有机固废厌氧消化过程中面临着系统易酸化的问题，有学者提出可以采用外加直流电压构建微生物电解池(MEC)的方式来缓解易腐有机固废厌氧消化过程中酸化问题，提升消化能力，然而依然有一系列的瓶颈问题限制了MEC技术的规模化和工程化，主要如下：

首先，传统的MEC反应器构型中生物极板采用矩形板或圆柱板状设置，该方式的缺陷是极板面积较小，因此微生物与极板的接触面积较小，厌氧消化提升效果不够明显；其次，由于MEC装置理论电压较小，仅有0.3～1.2V，而传统的构造内阻较大，导致电压在极板上分布不均匀，影响MEC运行效果；然后，传统的极板布设方式往往纵向设置在反应器内部，这必然会影响反应器的流态，更严重的情况是极板会由于搅拌的影响而发生变形和位移。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种强化有机固废厌氧消化能力的MEC反应器，解决了传统的MEC厌氧消化反应器生物极板面积小、电压分布不均、极板受流态影响等问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的目的是保护一种强化有机固废厌氧消化能力的MEC反应器，包括反应器主体，所述反应器主体包括反应器顶板、反应器壁和反应器底板，所述反应器主体中设有MEC装置和搅拌装置；

所述MEC装置包括生物极板、导线组件和外部直流电源；

所述生物极板包括呈环状结构且在垂向分层次设置的生物阳极板和生物阴极板，所述生物阳极板和生物阴极板通过导线组件分别与电源组件的阳极和阴极电连接；

所述外部直流电源通过导线组件向MEC装置提供电能，以此驱动MEC装置富集电活性微生物，提升厌氧消化效率。

进一步地，每个所述生物极板上固定4个与导线组件电连接的连接点，且4个连接点呈圆心角90°分布。

进一步地，所述导线组件包括纵向导线、顶板导线和底板导线；

所述纵向导线预埋在反应器内部，且与连接点相连接；

所述顶板导线与底板导线分别预制在反应器顶板和底板中，并分别与直流电源的阳极和阴极连接。

进一步地，所述生物阳极板和生物阴极板均固定于所述反应器壁上，且使得阳极板与阴极板相互间隔，所述生物阳极板和生物阴极板在垂向上等间距排布。

进一步地，所述连接点上均设有连接片，所述连接片呈圆心角90°排布。

进一步地，相邻生物阳极板与生物阴极板的连接片错开角度45°排布，方便纵向导线将生物阳极板和生物阴极板分布串联。

进一步地，其中4条纵向导线分别连接各生物阳极板的连接片，该4条纵向导线伸入反应器顶板中并分别与顶板导线电连接，以此实现各生物阳极板与直流电源的阳极电连接。

进一步地，其中另4条纵向导线分别连接各生物阴极板的连接片，该4条纵向导线伸入反应器底板中并分别与底板导线电连接，以此实现各生物阴极板与直流电源的阴极电连接。

进一步地，所述反应器壁上预留设有固定生物极板的凹槽，凹槽内部设孔，所述连接片插于孔中，并使得连接片与纵向导线电连接；

所述MEC反应器的组装方式为预装，组装时，先将生物阳极板和生物阴极板插入到反应器壁的凹槽中，再加装反应器顶板和反应器底板，之后使得内部线路连接正常，直流电源的电压能均布在生物极板上。

进一步地，所述外部直流电源的电压为0.3-1.2V。

进一步地，生物极板的材质可选为金属网、改性石墨网或石墨毡。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

(1)相比于传统的生物矩形板状电极，本专利在相同的反应体积内改善电极布设形式，大大提升了生物极板面积，可附着更多的电活性微生物，提升厌氧消化效率；

(2)本发明中的生物极板采用圆环状设置，并在圆环外缘连接导线接电源，与传统的矩形极板相比，该设置方式可以较理想地将电压均匀地分布在极板表面；

(3)本发明中的生物极板横向、分层设置，与传统的极板纵向设置相比，可以降低生物极板受流态的破坏，大大提升生物极板的使用寿命。

附图说明

图1本发明中的设备结构示意图。

其中：1.顶板导线；2.反应器顶板；3.生物阳极板；4.生物阴极板；5.纵向导线；6.反应器壁；8.直流电源；9.连接点；10.反应器底板；11.底板导线。

图2是发明中电路与生物极板连接方式示意图。

图3是发明中生物极板与连接点构造示意图。

具体实施方式

本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。

针对传统的MEC厌氧消化反应器生物极板面积小、电压分布不均、极板受流态影响等问题，本发明设计的反应器结构，可以克服生物极板面积小、电压分布不均、极板受流态影响等问题，可以较好地提升易腐有机固废厌氧消化能力，通过规模化生产和应用有望解决易腐有机固废厌氧消化效率低的难题。

本技术方案中生物极板包括呈环状结构且在垂向分层次设置的生物阳极板3和生物阴极板4，所述生物阳极板3和生物阴极板4通过导线组件分别与电源组件的阳极和阴极电连接；外部直流电源8通过导线组件向MEC装置提供电能，以此驱动MEC装置富集电活性微生物，提升厌氧消化效率。

每个所述生物极板上固定4个与导线组件电连接的连接点9，且4个连接点9呈圆心角90°分布。导线组件包括纵向导线5、顶板导线1和底板导线11；纵向导线5预埋在反应器内部，且与连接点9相连接；顶板导线1与底板导线11分别预制在反应器顶板2和底板10中，并分别与直流电源8的阳极和阴极连接。

生物阳极板3和生物阴极板4均固定于所述反应器壁6上，且使得阳极板3与阴极板4相互间隔，所述生物阳极板3和生物阴极板4在垂向上等间距排布。连接点9上均设有连接片，所述连接片呈圆心角90°排布。相邻生物阳极板3与生物阴极板4的连接片错开角度45°排布，方便纵向导线5将生物阳极板3和生物阴极板4分布串联。其中4条纵向导线5分别连接各生物阳极板3的连接片，该4条纵向导线5伸入反应器顶板2中并分别与顶板导线1电连接，以此实现各生物阳极板3与直流电源8的阳极电连接。其中另4条纵向导线5分别连接各生物阴极板4的连接片，该4条纵向导线5伸入反应器底板10中并分别与底板导线11电连接，以此实现各生物阴极板4与直流电源8的阴极电连接。

反应器壁6上设有固定生物极板的凹槽，凹槽内部设孔，所述连接片插于孔中，并使得连接片与纵向导线5电连接。MEC反应器的组装方式为预装，组装时，先将生物阳极板3和生物阴极板4插入到反应器壁6的凹槽中，再加装反应器顶板2和反应器底板10，之后使得内部线路连接正常，直流电源的电压能均布在生物极板上。

本设备的具体运行方式是先用接种物和营养液运行，对生物极板进行挂膜，再将预处理过后的有机固废泵入到反应器底部，通过电压调控，强化固体废弃物中有机质的降解效率，并提升甲烷产量。

本技术方案中强化有机固废厌氧消化能力的MEC反应器的具体使用方法为：

(1)为取得良好效果，在处理有机固废前，应先进行接种和挂膜。营养物质宜采用生活有机废水或啤酒厂废水，接种物宜采用污水厂厌氧消化沼液(TS＝1.8-4.0％)。在序批式培养条件下，预先启动微生物电极，当阳极电势低于-400mV且电路电流趋于稳定后，认为电极已启动成功，开始添加有机固体废物，并逐步排出启动时添加的营养物质。

(2)有机固体废弃物在添加到反应器之前应进行破碎-筛分预处理工作。具体步骤为：将有机固体废弃物破碎筛分，去除粒径大于0.5cm的大型颗粒物，利用进料泵将破碎筛分后的有机固废泵入反应器底部。

(3)设置搅拌桨的转速为150rpm，外电压为0.3-1.2V，可以采用批式或半连续进行开展，运行温度可以为中温(37℃)或高温(55℃)，停留时间根据处理的有机固体废弃物类型和性质进行确定，优选地，处理剩余污泥停留时间为15～20天，处理厨余垃圾停留时间为25～20天。所产生的沼气由顶部气管排出，经气体流量计计量后储存于气袋中。

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

本实施例中的新型MEC反应器包括了反应器主体部分和预制在反应器内部的MEC装置。其中，反应器主体部分由反应器顶板2、反应器壁6、搅拌桨和反应器底板10构成，MEC装置由生物阳极板3、生物阴极板4、纵向导线5、连接点9、顶板导线1、底板导线11和直流电源8构成。结构示意图参见附图1。

本实施案例中，生物阳极板3和生物阴极板4呈圆环状，上下等距间隔排布在反应器内部。生物极板的材质是金属网、改性石墨网或石墨毡；生物极板3、4圆环外侧设四片连接片，呈圆心角90°排布。其中位于生物阳极板上的连接片与位于生物阴极板上的连接片上下错开45°，方便纵向导线5将生物阳极板3和生物阴极板4分布串联；纵向导线5预设在反应器壁6内部，反应器壁6中有凹槽用于放置生物极板3、4，凹槽内设孔，方便连接片与纵向导线5连接；由顶板导线1将所有连接生物阳极板3的纵向导线9在反应器顶板中连接在一起，并接直流电源正极；由底板导线11将所有连接生物阳极板4的纵向导线9在反应器底板中连接在一起，并接直流电源负极；直流电源的电压为0.3-1.2V。电路与生物极板构造及连接方式参见附图2和3。

挂膜工作：将营养物质和接种物添加到反应器内部，其中营养物质采用啤酒厂废水，接种物采用污水厂厌氧消化沼液接种比为1：1(体积比)。在序批式培养条件下，预先启动微生物电极，当阳极电势低于-400mV且电路电流趋于稳定后，认为挂膜成功。

反应器运行：采用半连续方式，将破碎、筛分后的有机固废(本实施例中采用餐厨垃圾，TS＝10％，VS/TS＝86％)泵入到反应器底部，每日泵入一次，SRT为30天，出样采用溢流方式。

处理效果：VS降解度达到75％，甲烷产量为475.26mLCH₄/gVS，甲烷含量63-68％。

上述的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)

1.一种强化有机固废厌氧消化能力的MEC反应器，其特征在于，包括反应器主体，所述反应器主体包括反应器顶板(2)、反应器壁(6)和反应器底板(10)，所述反应器主体中设有MEC装置和搅拌装置；

所述MEC装置包括生物极板、导线组件和外部直流电源(8)；

所述生物极板包括呈环状结构且在垂向分层次设置的生物阳极板(3)和生物阴极板(4)，所述生物阳极板(3)和生物阴极板(4)通过导线组件分别与电源组件的阳极和阴极电连接；

所述外部直流电源(8)通过导线组件向MEC装置提供电能，以此驱动MEC装置富集电活性微生物，提升厌氧消化效率。

2.根据权利要求1所述的一种强化有机固废厌氧消化能力的MEC反应器，其特征在于，每个所述生物极板上固定4个与导线组件电连接的连接点(9)，且4个连接点(9)呈圆心角90°分布。

3.根据权利要求1所述的一种强化有机固废厌氧消化能力的MEC反应器，其特征在于，所述导线组件包括纵向导线(5)、顶板导线(1)和底板导线(11)；

所述纵向导线(5)预埋在反应器内部，且与连接点(9)相连接；

所述顶板导线(1)与底板导线(11)分别预制在反应器顶板(2)和底板(10)中，并分别与直流电源(8)的阳极和阴极连接。

4.根据权利要求1所述的一种强化有机固废厌氧消化能力的MEC反应器，其特征在于，所述生物阳极板(3)和生物阴极板(4)均固定于所述反应器壁(6)上，且使得阳极板(3)与阴极板(4)相互间隔，所述生物阳极板(3)和生物阴极板(4)在垂向上等间距排布。

5.根据权利要求2所述的一种强化有机固废厌氧消化能力的MEC反应器，其特征在于，所述连接点(9)上均设有连接片，所述连接片呈圆心角90°排布。

6.根据权利要求5所述的一种强化有机固废厌氧消化能力的MEC反应器，其特征在于，相邻生物阳极板(3)与生物阴极板(4)的连接片错开角度45°排布。

7.根据权利要求5所述的一种强化有机固废厌氧消化能力的MEC反应器，其特征在于，其中4条纵向导线(5)分别连接各生物阳极板(3)的连接片，该4条纵向导线(5)伸入反应器顶板(2)中并分别与顶板导线(1)电连接，以此实现各生物阳极板(3)与直流电源(8)的阳极电连接。

8.根据权利要求7所述的一种强化有机固废厌氧消化能力的MEC反应器，其特征在于，其中另4条纵向导线(5)分别连接各生物阴极板(4)的连接片，该4条纵向导线(5)伸入反应器底板(10)中并分别与底板导线(11)电连接，以此实现各生物阴极板(4)与直流电源(8)的阴极电连接。

9.根据权利要求1所述的一种强化有机固废厌氧消化能力的MEC反应器，其特征在于，所述反应器壁(6)上设有固定生物极板的凹槽，凹槽内部设孔，所述连接片插于孔中，并使得连接片与纵向导线(5)电连接；

所述MEC反应器的组装方式为预装，组装时，先将生物阳极板(3)和生物阴极板(4)插入到反应器壁(6)的凹槽中，再加装反应器顶板(2)和反应器底板(10)，之后使得内部线路连接正常，直流电源的电压能均布在生物极板上。

10.根据权利要求1所述的一种强化有机固废厌氧消化能力的MEC反应器，其特征在于，所述外部直流电源(8)的电压为0.3-1.2V。

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