一种双腔生物电化学厌氧发酵系统及其使用方法

1.本发明涉及生物能源领域，尤其涉及一种双腔生物电化学厌氧发酵系统及其使用方法。


背景技术：

2.木质纤维素类生物质(如秸秆、麦秆以及稻草等)可以通过生物炼制生产生物能源产品(如沼气等)。通过对秸秆能源化利用，不仅可以缓解石油资源的紧缺问题，还可以使秸秆等生物质废弃物减量化、资源化和能源化从而缓解环境污染问题。通过生物质资源生产的生物天然气，其低碳排放特性比石油和柴油等更为突出。使用生物能源产品时释放的二氧化碳又可通过植物利用太阳能以及水，吸收二氧化碳进行固定。因此，开发生物能源不会造成温室气体排放。
3.厌氧消化技术近年来被广泛应用于秸秆的生物炼制。通过厌氧消化技术，秸秆中的有机质可以转化为清洁能源生物天然气，厌氧消化后的沼液有机质含量低，且富含氮、磷、钾等营养元素，可直接排入农田作为液态有机肥。因此，厌氧消化同时具有处理农业有机废弃物、回收清洁能源和降低整体能等多种优点。传统厌氧消化处理秸秆虽然具有能耗低、处理负荷大等优点，但由于木质纤维素类生物质主要是由纤维素、半纤维素与木质素组成，该类型生物质在厌氧消化过程中难以降解，其厌氧菌群需要较长时间的驯化才能建立一个新的具有较强耐受性以及水解能力的微生物群落体系，这会增大水力停留时间，降低厌氧消化的效率。此外，常规厌氧消化的沼气组成通常为60％-40％的甲烷、40％-60％二氧化碳以及少量的一氧化碳和硫化氢等。因此得到的沼气如果想要精炼成生物天然气，需要进一步脱碳、脱硫等，这会增加设备投入和场地面积。
4.近年来，生物电化学系统作为一种新兴的有机废弃物处理以及产电技术受到关注。在电化学反应装置中，通过向装置中额外供给电能来辅助降解体系中的有机物，该体系称为微生物电解池。将微生物电解池与厌氧消化池进行结合形成的生物电化学厌氧消化系统具有诸多优点，其可在电活性菌协同作用下，提高难降解有机质的降解率、提升沼气产量和品质、缩短厌氧达到稳定的时间等。
5.通过双腔电化学系统与厌氧消化系统的结合，使得体系中富集大量电活性菌。在阳极，附着的电活性菌可以加速水解产酸过程，从而使得厌氧消化整体性能得到提升。在阴极，产甲烷菌与电极可以直接进行电子传递，从而加速甲烷的生成，此外，电极提供的电子与氢离子结合可以生成氢气，与水解过程产生的二氧化碳在同一体系中，通过氢营养型产甲烷菌的作用，也可以提升沼气品质。但目前并没有针对阳极或阴极独立对厌氧消化体系促进作用的相关研究或发明。因此，开发双腔生物电化学厌氧消化系统研究阴、阳两极对厌氧消化产甲烷性能的分别以及联合促进作用具有十分重要的意义。
6.因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于双腔电化学厌氧发酵系统的厌氧消化和能源再生装置和方法，缩短厌氧发酵时间，提高原料处理效率以及生物天然气产量的厌氧消化装置和方法。


技术实现要素：

7.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是在厌氧消化和生物能源再生过程中缩短厌氧发酵时间，提高原料处理效率以及生物天然气产量，并提升沼气品质、降低成本。
8.为实现上述目的，本发明提供了一种双腔生物电化学厌氧发酵系统，其特征在于，包括直流电源、厌氧反应器和气体收集器，厌氧反应器有两个反应腔，两个反应腔之间通过离子交换膜隔离，两个反应腔分别通过导气管与两个气体收集器连接，两个与直流电源连接的电极分别插入两个反应腔内，电极均通过导线与直流电源连接，电极分别为阳极和阴极。
9.在本发明的较佳实施方式中，所述离子交换膜为阳离子交换膜。
10.在本发明的另一较佳实施方式中，所述两个反应腔分别密封有密封塞，电极和导气管均贯穿密封塞与反应腔连接。
11.在本发明的另一较佳实施方式中，所述气体收集器为气袋，每个气袋上均设有两个气阀，每个气袋上的其中一个气阀与导气管连接。
12.在本发明的另一较佳实施方式中，使用时，两个反应腔内分别装有厌氧活性接种液，两个电极分别插入两个反应腔内的厌氧活性接种液中。
13.在本发明的另一较佳实施方式中，使用时，两个反应腔内还加入发酵底物。
14.在本发明的另一较佳实施方式中，厌氧活性接种液为驯化良好具有产甲烷活性的厌氧沼液，加入的发酵底物为玉米秸秆。
15.在本发明的另一较佳实施方式中，发酵系统还包括恒温水浴锅，使用时，厌氧反应器放入水浴锅中水浴。
16.在本发明的另一较佳实施方式中，发酵系统还包括搅拌装置，搅拌装置具体为磁力搅拌器和磁力搅拌转子，使用时，所述厌氧反应器的两个反应腔分别放在两个磁力搅拌器上，两个磁力搅拌转子分别放入两个反应腔底部。
17.本发明还提供上述的双腔生物电化学厌氧发酵系统的使用方法，具体包括，向厌氧反应器的两个反应腔中加入厌氧活性接种液以及发酵底物；向双腔厌氧反应器中通入一定时间的高纯氮气；将厌氧反应器密封后置入温度为35℃的恒温水浴锅中，并将反应腔内混合物搅拌均匀，打开直流电源，控制双腔生物电化学厌氧反应器外部电压在0.6v-1.2v，产生的沼气经由气体收集器收集。
18.基于本发明，可以达到如下技术效果：
19.1、通过双腔电化学系统与厌氧消化系统的结合，使得体系中富集大量电活性菌。在阳极，附着的电活性菌可以加速水解产酸过程，从而使得厌氧消化整体性能得到提升。在阴极，产甲烷菌与电极可以直接进行电子传递，从而加速甲烷的生成。因此，整个系统可以缩短厌氧发酵时间，提高原料处理效率以及生物天然气产量；
20.2、双腔电化学系统阴极电极提供的电子与氢离子结合可以生成氢气，与水解过程产生的二氧化碳在同一体系中，通过氢营养型产甲烷菌的作用，可以原位将二氧化碳转化为甲烷，从而提升沼气品质，减少设备投资，降低经济成本；
21.3、本发明中还将厌氧电化学体系阴极与阳极分开，从而可以分别研究阳极和阴极对厌氧消化能力的提升作用与沼气原位提纯能力，进一步提高产物效率。
22.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
23.图1是本发明一个较佳实施例的双腔生物电化学厌氧发酵系统的示意图；
24.图2是本发明一个较佳实施例的双腔生物电化学厌氧发酵系统的总产甲烷量；
25.图3是本发明另一较佳实施例的双腔生物电化学厌氧发酵系统的总产甲烷量。
26.其中，1-恒温水浴锅，2-磁力搅拌器，3-磁力搅拌转子，4-厌氧活性接种液，5-电极，6-导线，7-阳离子交换膜，8-厌氧反应器，9-密封塞，10-导气管，11-气袋，12-气阀，13-直流电源。
具体实施方式
27.以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
28.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
29.如图1所示的本发明一个较佳实施例的双腔生物电化学厌氧发酵系统，包括直流电源13、厌氧反应器8和气体收集器，厌氧反应器有两个反应腔，两个反应腔之间通过离子交换膜隔离，两个反应腔分别通过导气管10与两个气体收集器连接，两个与直流电源13连接的电极5分别插入两个反应腔内，电极5均通过导线6与直流电源13连接，两个电极5分别为阳极和阴极。优选地，两个电极5为碳布材质，离子交换膜为阳离子交换膜7。
30.两个反应腔分别密封有密封塞9，电极5和导气管10均贯穿密封塞9与反应腔连接。
31.优选地，所述气体收集器为气袋11，每个气袋11上均设有两个气阀12，每个气袋11上其中一个气阀12与导气管10连接。反应器工作时，与导气管10连接的气阀12始终处于打开状态，另一个处于关闭状态，产生的沼气通过导气管10流入气袋11进行收集，测定气体组分时，打开关闭状态的气阀12，使用注射器取样进行分析测定。
32.使用时，两个反应腔内分别装有厌氧活性接种液4，两个电极5分别插入两个反应腔内的厌氧活性接种液4中，两个反应腔内还加入发酵底物。优选地，厌氧活性接种液4为驯化良好具有产甲烷活性的厌氧沼液，加入的发酵底物为玉米秸秆。优选地，每个反应腔内的厌氧活性接种液4总体积为200ml，发酵底物按照3％的含固率加入接种液中，即200ml厌氧活性接种液中加入6g玉米秸秆(干重)。
33.优选地，发酵系统还包括恒温水浴锅1，使用时，厌氧反应器放入水浴锅中水浴。
34.优选地，发酵系统还包括搅拌装置，搅拌装置具体为磁力搅拌器2和磁力搅拌转子3，使用时，所述厌氧反应器的两个反应腔分别放在两个磁力搅拌器2上，两个磁力搅拌转子3分别放入两个反应腔底部，磁力搅拌器2通电后，两个磁力搅拌转子3即可按照设定的转速在反应腔底部中心旋转，保证厌氧活性接种液4搅拌均匀。
35.具体使用方法如下：
36.向厌氧反应器的两个反应腔中加入厌氧活性接种液以及发酵底物；向双腔厌氧反应器中通入一定时间的高纯氮气，氮气是在反应开始之前通入，在通入氮气的时候取下导气管10和气袋11，将通有氮气的气针从连接导气管10的孔插入反应体系液面以下，此时氮气也可从此孔流出，通完气之后立即将气针取出，套入连有气袋11的导气管10，从而形成厌氧封闭环境；将厌氧反应器密封后置入温度为35℃的恒温水浴锅中，并将反应腔内混合物搅拌均匀，打开直流电源，控制双腔生物电化学厌氧反应器外部电压在0.6v-1.2v，产生的沼气经由气体收集器收集。
37.以下为本发明的发酵系统的使用方法的两个实施例：
38.实施例1，目的是评估双腔生物电化学厌氧发酵系统在较低外加电压条件下的产甲烷潜力；该实施例的具体方法如下：向双腔厌氧反应器中按照3％的含固率加入6g玉米秸秆(干重)以及厌氧活性接种液，控制厌氧活性接种液总体积为200ml；向双腔厌氧反应器中通入高纯氮气10min；密封后置入温度为35℃的恒温水浴锅中，控制其磁力搅拌器的转速在60rpm。打开直流电源，控制双腔生物电化学厌氧反应器外部电压在0.6v，产生的沼气经由气袋收集并检测其甲烷含量。
39.实施例2，目的是评估双腔生物电化学厌氧发酵系统在较高外加电压条件下的产甲烷潜力；该实施例的具体方法如下：向双腔厌氧反应器中按照3％的含固率加入6g玉米秸秆(干重)以及厌氧活性接种液，控制厌氧活性接种液总体积为200ml；向双腔厌氧反应器中通入高纯氮气10min；密封后置入温度为35℃的恒温水浴锅中，控制其磁力搅拌器的转速在60rpm。打开直流电源，控制双腔生物电化学厌氧反应器外部电压在1.2v，产生的沼气经由气袋收集并检测其甲烷含量。
40.如图2所示，实施例1结果表明，相比较于传统厌氧消化系统，双腔生物电化学厌氧发酵系统可以使得玉米秸秆厌氧发酵的总产甲烷量提升80％，其中，阳极厌氧反应器中总产甲烷量高于阴极，表明针对木质纤维素类生物质的电化学辅助强化主要是强化其水解酸化过程。
41.如图3所示，实施例2结果表明，相比较于传统厌氧消化系统，双腔生物电化学厌氧发酵系统可以使得玉米秸秆厌氧发酵的总产甲烷量提升33％，其中，阳极厌氧反应器中总产甲烷量高于阴极，表明针对木质纤维素类生物质的电化学辅助强化主要是强化其水解酸化过程。
42.实施例1和2对比表明，外源施加电压并非越高越好，针对不同厌氧活性污泥和不同的原料，其存在一个最优外源施加电压。
43.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种双腔生物电化学厌氧发酵系统，其特征在于，包括直流电源、厌氧反应器和气体收集器，厌氧反应器有两个反应腔，两个反应腔之间通过离子交换膜隔离，两个反应腔分别通过导气管与两个气体收集器连接，两个与直流电源连接的电极分别插入两个反应腔内，电极均通过导线与直流电源连接，电极分别为阳极和阴极。2.如权利要求1所述的双腔生物电化学厌氧发酵系统，其特征在于，所述离子交换膜为阳离子交换膜。3.如权利要求1所述的双腔生物电化学厌氧发酵系统，其特征在于，所述两个反应腔分别密封有密封塞，电极和导气管均贯穿密封塞与反应腔连接。4.如权利要求1所述的双腔生物电化学厌氧发酵系统，其特征在于，所述气体收集器为气袋，每个气袋上均设有两个气阀，每个气袋上的其中一个气阀与导气管连接。5.如权利要求1所述的双腔生物电化学厌氧发酵系统，其特征在于，使用时，两个反应腔内分别装有厌氧活性接种液，两个电极分别插入两个反应腔内的厌氧活性接种液中。6.如权利要求5所述的双腔生物电化学厌氧发酵系统，其特征在于，使用时，两个反应腔内还加入发酵底物。7.如权利要求6所述的双腔生物电化学厌氧发酵系统，其特征在于，厌氧活性接种液为驯化良好具有产甲烷活性的厌氧沼液，加入的发酵底物为玉米秸秆。8.如权利要求1所述的双腔生物电化学厌氧发酵系统，其特征在于，发酵系统还包括恒温水浴锅，使用时，厌氧反应器放入水浴锅中水浴。9.如权利要求1所述的双腔生物电化学厌氧发酵系统，其特征在于，发酵系统还包括搅拌装置，搅拌装置具体为磁力搅拌器和磁力搅拌转子，使用时，所述厌氧反应器的两个反应腔分别放在两个磁力搅拌器上，两个磁力搅拌转子分别放入两个反应腔底部。10.一种如权利要求1-9中任一项所述的双腔生物电化学厌氧发酵系统的使用方法，具体包括，向厌氧反应器的两个反应腔中加入厌氧活性接种液以及发酵底物；向双腔厌氧反应器中通入一定时间的高纯氮气；将厌氧反应器密封后置入温度为35℃的恒温水浴锅中，并将反应腔内混合物搅拌均匀，打开直流电源，控制双腔生物电化学厌氧反应器外部电压在0.6v-1.2v，产生的沼气经由气体收集器收集。

技术总结
本发明公开了一种双腔生物电化学厌氧发酵系统及其使用方法，涉及生物能源领域，包括直流电源、厌氧反应器和气体收集器，厌氧反应器有两个反应腔，两个反应腔之间通过离子交换膜隔离，两个反应腔分别通过导气管与两个气体收集器连接，两个与直流电源连接的电极分别插入两个反应腔内，电极均通过导线与直流电源连接，电极分别为阳极和阴极，使用时要在反应腔内加入发酵底物和厌氧活性接种液，经过生物电化学和厌氧消化消化发酵底物，产生沼气，本发明能在厌氧消化和生物能源再生过程中缩短厌氧发酵时间，提高原料处理效率以及沼气产量，并提升沼气品质、降低成本。降低成本。降低成本。


技术研发人员：刘晨光 敖天杰 白凤武
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/8/23