CN115231701A - 可调静电场预处理强化厌氧消化产气装置 - Google Patents

Abstract

可调静电场预处理强化厌氧消化产气装置，包括静电场预处理器与厌氧消化反应器，所述静电场预处理器与厌氧消化反应器之间连接有固液分离器，所述静电场预处理器的生物质出料口连接到固液分离器的入料口，所述固液分离器的固体出料口连接到厌氧消化反应器的底物进料口，所述固液分离器的液体出料口连接到静电场预处理器的液体回流口；所述静电场预处理器内设有预处理电场构建组件；所述静电场预处理器通过预处理电场构建组件形成可调静电场从而对静电场预处理器内的生物质进行静电场预处理；所述厌氧消化反应器对经固液分离器进行固液分离并流入厌氧消化反应器的固体的生物质进行厌氧消化反应。本发明能够提升厌氧消化的效率，并且对环境无负担。

Description

可调静电场预处理强化厌氧消化产气装置

技术领域

本发明涉及厌氧消化预处理领域，特别是可调静电场预处理强化厌氧消化产气装置。

背景技术

能源是人类文明不断发展的基石，攸关国家民生和社会发展。随着环境污染和资源短缺问题的日益凸显，开发清洁绿色的可再生能源迫在眉睫。生物质能厌氧消化技术可将生物质能源最大化的转化为清洁的沼气，有效进行回收利用，实现废弃生物质资源再利用。

然而，生物质能源诸如秸秆中所含的木质素、半纤维素对纤维素的保护作用以及纤维素自身的晶体结构，使得木质纤维素形成致密不透水的高级结构，致使体系功能菌种很难与纤维素接触，影响了秸秆的水解和发酵。在秸秆的厌氧消化过程中，预处理的实质就是打破木质素和纤维素之间的氢键，破坏保护层，降低其聚合度和结晶度，使其结构疏松，有效表面积增大，使木质素和纤维素具有较高的利用率和易降解性。

预处理包含物理、化学、生物及联合预处理，在这些方法当中，化学方法被认为是提高沼气产量的最成熟的方法，但化学预处理普遍对环境造成负担，因此选择适合的预处理方式十分关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供可调静电场预处理强化厌氧消化产气装置，通过预处理电场构建组件进行静电场预处理能够提升后续厌氧消化的效率，并且对环境无负担。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

可调静电场预处理强化厌氧消化产气装置，包括静电场预处理器与厌氧消化反应器，所述静电场预处理器与厌氧消化反应器之间连接有固液分离器，所述静电场预处理器的生物质出料口连接到固液分离器的入料口，所述固液分离器的固体出料口连接到厌氧消化反应器的底物进料口，所述固液分离器的液体出料口连接到静电场预处理器的液体回流口；所述静电场预处理器内设有预处理电场构建组件；所述静电场预处理器通过预处理电场构建组件形成可调静电场从而对静电场预处理器内的生物质进行静电场预处理；所述厌氧消化反应器对经固液分离器进行固液分离并流入厌氧消化反应器的固体的生物质进行厌氧消化反应。

进一步，所述预处理电场构建组件包括预处理阳极柱和预处理阴极板；所述预处理阴极板有多个，所述预处理阳极柱设于静电场预处理器的中心，所述预处理阴极板围绕预处理阳极柱逐个设于静电场预处理器内。

进一步，所述静电场预处理器设有第一安装口及第二安装口，所述第一安装口供安装预处理阳极柱使用，所述第二安装口供安装预处理阴极板使用。

进一步，所述预处理电场构建组件电连接有静电场控制器，通过静电场控制器对预处理电场构建组件所形成的可调静电场进行控制。

进一步，所述静电场预处理器内设有第一加热组件，所述第一加热组件对静电场预处理器内进行供热。

进一步，所述厌氧消化反应器内设有厌氧消化电极组件，所述厌氧消化电极组件包括厌氧消化阳极柱和厌氧消化阴极件。

进一步，所述厌氧消化阴极件为网状分层阵列结构。

进一步，所述网状分层阵列结构经对铁材料采用纳米级气溶胶喷射3D打印技术打印制成。

进一步，所述网状分层阵列结构由TiO₂修饰。

进一步，所述厌氧消化电极组件电连接有电极控制器，所述电极控制器对厌氧消化电极组件形成的电压进行控制；

所述厌氧消化反应器内设有第二加热组件，所述第二加热组件对厌氧消化反应器内进行供热。

本发明的有益效果是：

预处理电场构建组件在静电场预处理器内形成可调静电场，从而产生欧姆加热、电泳和电渗，使得位于所构建的可调静电场区域内的生物质通过电流进而产生热能，同时带电颗粒在电场力作用下进行有向运动，进而破坏生物质的木质纤维素结构，最终引发水解，以提升后续厌氧消化的效率，并且对环境无负担。

附图说明

图1为可调静电场预处理强化厌氧消化产气装置结构示意图；

图2为图1的装置俯视图；

图3为TiO₂修饰3D打印纳米铁网状阵列阴极示意图；

图4为四阴极静电场comsol仿真；

图中：100-静电场预处理器；1-预处理器壳体；11-预处理反应腔；101-生物质进料口；102-生物质出料口；103-氢气排气口；104-液体回流口；105-蠕动泵；15-固液分离器；21-预处理阳极柱；22-预处理阴极板；23-第一安装口；24-第二安装口；31-加热层；32-加热器；33-温度传感器；4-预处理控制组件；41-预处理温度控制器；42-静电场控制器；500-厌氧消化反应器；5-厌氧消化反应器壳体；51-厌氧消化反应腔；501-菌群接种口；502-底物进料口；503-沼气排放口；504-沼渣排料口；61-厌氧消化阳极柱；62-厌氧消化阴极件；63-阴极安装口；64-阳极安装口；7-厌氧消化控制组件；71-厌氧消化温度控制器；72-电极控制器；73-搅拌控制器；8-搅拌组件；9-电源。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一：

如图1至图4所示，可调静电场预处理强化厌氧消化产气装置，包括静电场预处理器100与厌氧消化反应器500，所述静电场预处理器100与厌氧消化反应器500之间连接有固液分离器15，所述静电场预处理器100的生物质出料口102连接到固液分离器15的入料口，所述固液分离器15的固体出料口连接到厌氧消化反应器500的底物进料口502，所述固液分离器15的液体出料口连接到静电场预处理器100的液体回流口104；所述静电场预处理器100内设有预处理电场构建组件；所述静电场预处理器100通过预处理电场构建组件形成可调静电场从而对静电场预处理器100内的生物质进行静电场预处理；所述厌氧消化反应器500对经固液分离器15进行固液分离并流入厌氧消化反应器500的固体的生物质进行厌氧消化反应。

预处理电场构建组件在静电场预处理器100内形成可调静电场，从而产生欧姆加热、电泳和电渗，使得位于所构建的可调静电场区域内的生物质，其木质纤维素结构被破坏，最终引发水解，以提升后续厌氧消化的效率，并且对环境无负担。

所述静电场预处理器100包括预处理器壳体1，所述预处理器壳体1内设有预处理反应腔11。

预处理电场构建组件设于预处理反应腔11内。

所述预处理电场构建组件包括预处理阳极柱21和预处理阴极板22；所述预处理阳极柱21和预处理阴极板22均采用石墨材料。

在通电时，预处理阳极柱21的表面发生还原反应，预处理阴极板22的表面发生氧化反应，预处理阳极柱21和预处理阴极板22构建可调静电场，进而产成欧姆加热、电泳和电渗，使得有机质通过电流进而产生热能，同时带电颗粒在电场力作用下进行有向运动，位于该电场区域内生物质的木质纤维素结构被破坏，最终引发水解，以提升后续厌氧消化的效率。

所述预处理阴极板22有多个，所述预处理阳极柱21设于静电场预处理器100的中心，所述预处理阴极板22围绕预处理阳极柱21逐个设于静电场预处理器100内。

图1、2中绘制了8个预处理阴极板22。

通过设置多个预处理阴极板22，进行结构化静电场预处理。

所述预处理阴极板22逐个均匀地设于以预处理阳极柱21为圆心的圆周上。

所述静电场预处理器100设有第一安装口23及第二安装口24，所述第一安装口23供安装预处理阳极柱21使用，所述第二安装口24供安装预处理阴极板22使用。

通过第一安装口23及第二安装口24，便于随时更换预处理阳极柱21和预处理阴极板22，以保证电极具备良好的导电性。

所述第一安装口23设于静电场预处理器100中心，所述第二安装口24有多个，所述第二安装口24逐个均匀地设于以第一安装口23为圆心的圆周上。

通过设置多个第二安装口24，可提供多样的安装方式，使得预处理阳极柱21和预处理阴极板22可与静电场预处理器100的预处理反应腔11内不同位置的废弃物相接触进而形成结构化静电场预处理。

所述预处理电场构建组件电连接有静电场控制器42，通过静电场控制器42对预处理电场构建组件所形成的可调静电场进行控制，包括控制电场特性及强度、设定恒电压输出或恒电流输出、调节电压值或电流值大小；从而适应不同的有机生物质。

所述静电场预处理器100内设有第一加热组件，所述第一加热组件对静电场预处理器100内进行供热。

所述第一加热组件包括加热层31和加热器32；所述第一加热组件的加热层31设于静电场预处理器100内的预处理反应腔11及预处理器壳体1之间，所述加热层31内部布满导热液体；所述加热器32与加热层31连接，所述加热器32对加热层31内的导热液体进行加热。所述加热器32位于加热层31顶部，所述加热器32与电源9电连接。

所述第一加热组件的加热器32电连接有预处理温度控制器41，所述预处理温度控制器41根据设定温度对加热器32进行控制从而实现对静电场预处理内预处理反应腔11温度的控制。所述预处理温度控制器41确保恒温预处理。

预处理温度控制器41和静电场控制器42组成预处理控制组件4。

所述静电场预处理器100内设有温度传感器33；所述静电场预处理器100内的温度传感器33与预处理温度控制器41电连接，所述预处理温度控制器41根据温度传感器33检测到的静电场预处理器100内的温度对加热器32进行控制。

所述温度传感器33插入预处理反应腔11内测量实时温度值，并与电源9及预处理控制组件4信号连接。

所述静电场预处理器100设有与预处理反应腔11连通的生物质进料口101与氢气排气口103；所述生物质出料口102设有蠕动泵105。

所述预处理器壳体1作为预处理容器提供预处理场所，所述预处理电场构建组件通入直流电压提供稳定静电场进行静电场预处理，所述第一加热组件为预处理进程提供适宜恒温环境，预处理控制组件4控制静电场及温度。

所述生物质进料口101设于静电场预处理器100上侧以便投入生物有机质以进行预处理，经预处理的生物质由生物质出料口102的蠕动泵105输入到固液分离器15，经固液分离得到预处理后的固体有机质和液体有机质，液体有机质由液体回流口104回流至静电场预处理器100，固体有机质经底物进料口502输送至厌氧消化反应器500进行下一步的厌氧消化。

氢气排气口103设于静电场预处理器100上侧，适时排出电解水产生的氢气防止设备发生爆炸。

所述预处理器壳体1是静电场预处理器100的骨架，生物质原料由生物质进料口101投入，预处理后经生物质出料口102由蠕动泵105输送至固液分离器15，固液分离器15分离的液体有机质经液体回流口104回流至静电场预处理器100内，为避免预处理过程中氢气积压过多引发爆炸设置氢气排气口103，此外，预处理器壳体1无需严格密封以创造厌氧环境。

所述厌氧消化反应器500内设有厌氧消化电极组件，所述厌氧消化电极组件包括厌氧消化阳极柱61和厌氧消化阴极件62。

所述厌氧消化阴极件62为网状分层阵列结构。

所述网状分层阵列结构经对铁材料采用纳米级气溶胶喷射3D打印技术打印制成。

通过纳米级气溶胶喷射3D打印技术这种非接触式方法打印金属铁纳米铁颗粒柱状结构，能够提高比表面积，打印多层密密麻麻的网状阵列结构，为菌群提供适宜生存环境并促进种间电子转移以提升厌氧消化效率并提高沼气产量。

所述网状分层阵列结构由TiO₂修饰。

TiO₂具有生物相容性，通过纳米TiO₂修饰，为菌群提供生存环境，更有利于菌群富集。

厌氧消化阴极件62表面附着产甲烷微生物群落，主要发生微生物参与的电化学还原反应，是产甲烷步骤的主要场所。如图3所示，厌氧消化阴极件62采用铁材料纳米级气溶胶喷射3D打印技术打印出纳米级铁网状分层阵列结构，通过非接触式方法打印金属铁纳米铁颗粒柱状结构提高比表面积，打印多层致密的网状结构，厌氧消化阴极件62为纳米铁微柱阵列阴极，由生物相容性的纳米TiO₂修饰，为菌群提供“住所”，提供适宜生存环境并促进种间电子转移以提升厌氧消化效率并提高沼气产量。

采用铁材料纳米级气溶胶喷射3D打印技术打印出纳米级铁网状分层阵列结构，通过非接触式方法打印金属铁纳米铁颗粒柱状结构提高比表面积，打印多层密密麻麻的网状结构，同时由生物相容性的纳米TiO₂修饰，制造出TiO₂修饰的网状分层阵列结构(即3D打印纳米铁网状阵列阴极)。

所述厌氧消化反应器500设有阴极安装口63和阳极安装口64，所述阴极安装口63供安装厌氧消化阴极件62使用，所述阳极安装口64供安装厌氧消化阳极柱61使用。

所述厌氧消化电极组件电连接有电极控制器72，所述电极控制器72对厌氧消化电极组件形成的电压进行控制。所述电极控制器72将厌氧消化电极组件形成的电压设定为不同的电压值，来达到不同促进效果。厌氧消化电极组件所形成的电极电压大小及启动时间等参数由电极控制器72依据厌氧消化策略控制。

所述厌氧消化反应器500包括厌氧消化反应器壳体5，所述厌氧消化反应器壳体5内设有厌氧消化反应腔51。

所述厌氧消化反应器500内设有第二加热组件，所述第二加热组件对厌氧消化反应器500内进行供热。

所述第二加热组件包括加热层31与加热器32；所述第二加热组件的加热层31设于厌氧消化反应器500内的厌氧消化反应腔51及厌氧消化反应器壳体5之间，所述加热层31内部布满导热液体；所述加热器32与加热层31连接，所述加热器32对加热层31内的导热液体进行加热。所述加热器32位于加热层31顶部，所述加热器32与电源9电连接。

所述第二加热组件的加热器32电连接有厌氧消化温度控制器71，所述厌氧消化温度控制器71根据设定温度控制加热器32对加热层31进行加热，对厌氧消化反应腔51的温度进行控制，确保实现恒温厌氧消化。

所述厌氧消化反应器500内设有温度传感器33，所述厌氧消化反应器500内的温度传感器33与厌氧消化温度控制器71电连接，所述厌氧消化温度控制器71根据温度传感器33感应到的厌氧消化反应器500内的温度控制加热器32。

所述厌氧消化反应器500内设有搅拌组件8，所述搅拌组件8电连接有搅拌控制器73，所述搅拌控制器73对搅拌组件8的搅拌速度和搅拌时长进行控制，搅拌控制器73根据不同生物质设置不同的搅拌策略(包括搅拌时长及搅拌速度)。

所述搅拌组件8对厌氧消化反应器500定期进行搅拌使接种菌群与底物充分接触，由搅拌控制器73控制转速及搅拌时间。

厌氧消化温度控制器71、电极控制器72以及搅拌控制器73组成厌氧消化控制组件7。

所述厌氧消化反应器500设有与厌氧消化反应腔51连通的菌群接种口501、沼气排放口503以及沼渣排料口504；

菌种接种口设于厌氧消化反应器500上侧，以便随时补充接种物以保证厌氧消化的正常运行，所述沼渣排料口504用于防止沼渣堆积，所述沼气排放口503设于厌氧消化反应器500上侧，用于收集沼气。

电源9与厌氧消化控制组件7电连接，并为可调静电场预处理强化厌氧消化产气装置提供能源。

所述厌氧消化反应器壳体5作为厌氧消化容器提供环境，所述厌氧消化电极组件促进厌氧消化进程，所述第二加热组件为菌种提供适宜温度，厌氧消化控制组件7依照厌氧消化控制策略进行控制。

厌氧消化反应器壳体5是厌氧消化反应器500的骨架，固液分离器15分离的预处理后的固体有机质经底物进料口502输入至厌氧消化反应器500内，厌氧消化菌种由菌群接种口501接种入厌氧消化反应器500内，产出沼气由沼气排放口503排出，产生的沼渣由沼渣排料口504定期排除收集，此外，厌氧消化反应器壳体5需严格密封以创造厌氧环境。

温度传感器33实时传输温度数据至所述预处理温度控制器41及厌氧消化温度控制器71，预处理温度控制器41及厌氧消化温度控制器71以设定温度为参考控制所述加热器32维持适宜温度。

采用可调静电场预处理强化厌氧消化产气装置对玉米秸秆进行静电场预处理及厌氧消化的具体操作过程如下：

(1)控制静电场预处理器100及厌氧消化反应器500温度：控制加热器32加热温度，使得静电场预处理器100及厌氧消化反应器500内温度为33-37℃；

(2)将预处理阳极柱21、预处理阴极板22、厌氧消化阳极柱61、厌氧消化阴极件62分别安装至第一安装口23、第二安装口24、阳极安装口64、阴极安装口63；预处理阴极板22采用四个形成四阴极静电场，四阴极静电场comsol仿真如图4所示。

(3)进行厌氧消化预处理实验：加入长度为1-2cm的细碎玉米秸秆30g到静电场预处理器100中，输入25V的直流恒电压，对秸秆进行1h的静电场预处理，打开氢气排气口103排出氢气；

(4)进行厌氧消化产气实验：打开蠕动泵105，将预处理后的玉米秸秆经固液分离器15后注入厌氧消化反应罐，选择接种物为城市污水处理厂的污水污泥100mL，调节pH在6.5-7.5范围内，密封进行厌氧消化；

(5)厌氧消化过程中通过搅拌组件8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。

静电场预处理作为一种物理预处理方法使用方便、环境友好，能够破坏木质素层并降低纤维素结晶度。静电场预处理的原理是基于欧姆加热、电泳和电渗，导致水解产物复杂的木质纤维素结构被破坏，最终引发水解，是一种新颖且有效的预处理手段。

同时，厌氧消化产气过程中通过厌氧消化电极组件施加电压可以加速系统中的电子转移，合适的电极可以富集古菌产甲烷，增强产甲烷菌催化的CO₂和H₂反应，使得种间电子转移增强，诱导氧化还原反应，产生纯度更高且更多的沼气。此外，纳米多孔导电材料有助于菌群的富集，又可以促进种间电子转移。

可调静电场预处理强化厌氧消化产气装置通过针对生物质进行结构化可调静电场预处理，破坏木质素层并降低纤维素结晶度，使得有机物能够更快速和更彻底地被分解利用；通过3D打印网状阵列电极富集菌种并促进种间电子转移，从而提升厌氧消化产气量，同时有效降低能耗并实现环境友好。

针对厌氧消化产气速率慢、产气量低等问题，可调静电场预处理强化厌氧消化产气装置利用静电场预处理有效破坏木质素和纤维素等难降解结构，同时利用3D打印网状阵列电极强化产沼气菌，至少在一定程度上解决相关技术中的问题。

通过预处理电场构建组件和网状分层阵列结构的厌氧消化阴极件62，有效地改善了生物质能源的厌氧消化性能，提升厌氧消化的效率。

设计了结构化的预处理电场构建组件及电场强度可调控的静电场预处理器100，这样可以反复利用该装置研究不同静电场不同电场空间分布及强度预处理对厌氧消化的影响。

与单维度固定电场设计相比，结构化的预处理电场构建组件采用可变电场设计，无需高功率的搅拌装置即可确保生物质进行有效电预处理，极大的节省能源。

采用TiO₂修饰的网状分层阵列结构的厌氧消化阴极件62，为产沼气菌种提供“住所”，富集菌种并促进种间电子转移，从而提升厌氧消化产气量。

可调静电场预处理强化厌氧消化产气装置结构简单，操作方便，不需要特殊设备，节省能源，通过静电场预处理及纳米3D打印网状阵列电极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。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.可调静电场预处理强化厌氧消化产气装置，其特征在于：包括静电场预处理器与厌氧消化反应器，所述静电场预处理器与厌氧消化反应器之间连接有固液分离器，所述静电场预处理器的生物质出料口连接到固液分离器的入料口，所述固液分离器的固体出料口连接到厌氧消化反应器的底物进料口，所述固液分离器的液体出料口连接到静电场预处理器的液体回流口；所述静电场预处理器内设有预处理电场构建组件；所述静电场预处理器通过预处理电场构建组件形成可调静电场从而对静电场预处理器内的生物质进行静电场预处理；所述厌氧消化反应器对经固液分离器进行固液分离并流入厌氧消化反应器的固体的生物质进行厌氧消化反应。

2.根据权利要求1所述的可调静电场预处理强化厌氧消化产气装置，其特征在于：所述预处理电场构建组件包括预处理阳极柱和预处理阴极板；所述预处理阴极板有多个，所述预处理阳极柱设于静电场预处理器的中心，所述预处理阴极板围绕预处理阳极柱逐个设于静电场预处理器内。

3.根据权利要求2所述的可调静电场预处理强化厌氧消化产气装置，其特征在于：所述静电场预处理器设有第一安装口及第二安装口，所述第一安装口供安装预处理阳极柱使用，所述第二安装口供安装预处理阴极板使用。

4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的可调静电场预处理强化厌氧消化产气装置，其特征在于：所述预处理电场构建组件电连接有静电场控制器，通过静电场控制器对预处理电场构建组件所形成的可调静电场进行控制。

5.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的可调静电场预处理强化厌氧消化产气装置，其特征在于：所述静电场预处理器内设有第一加热组件，所述第一加热组件对静电场预处理器内进行供热。

6.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的可调静电场预处理强化厌氧消化产气装置，其特征在于：所述厌氧消化反应器内设有厌氧消化电极组件，所述厌氧消化电极组件包括厌氧消化阳极柱和厌氧消化阴极件。

7.根据权利要求6所述的可调静电场预处理强化厌氧消化产气装置，其特征在于：所述厌氧消化阴极件为网状分层阵列结构。

8.根据权利要求7所述的可调静电场预处理强化厌氧消化产气装置，其特征在于：所述网状分层阵列结构经对铁材料采用纳米级气溶胶喷射3D打印技术打印制成。

9.根据权利要求7或8所述的可调静电场预处理强化厌氧消化产气装置，其特征在于：所述网状分层阵列结构由TiO₂修饰。

10.根据权利要求6所述的可调静电场预处理强化厌氧消化产气装置，其特征在于：所述厌氧消化电极组件电连接有电极控制器，所述电极控制器对厌氧消化电极组件形成的电压进行控制；

所述厌氧消化反应器内设有第二加热组件，所述第二加热组件对厌氧消化反应器内进行供热。

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