CN112170446A - 一种处理有机固废的微电辅助厌氧消化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种处理有机固废的微电辅助厌氧消化装置，包括反应器，反应器分别与进料装置、排气装置、搅拌装置和微电压装置相连；搅拌装置包括搅拌轴和搅拌桨叶；微电压装置包括参比电极、直流电源、电滑环、导线、阴极层和阳极层，参比电极插入反应器内，电滑环设置在搅拌轴上，阴极层包裹搅拌桨叶，阳极层设置在反应器内壁表面，直流电源的正极通过导线与阳极层相连，直流电源的负极通过导线依次与电滑环、阴极层相连。本发明通过阴阳极之间的微电压刺激，有助于刺激胞外呼吸菌和产甲烷菌群富集和生长代谢，加速厌氧消化进程和甲烷产率，缩短反应器启动周期，提高体系的稳定性，有利于提高反应器的厌氧消化效果。

Description

一种处理有机固废的微电辅助厌氧消化装置

技术领域

本发明涉及厌氧消化装置，具体为一种处理有机固废的微电辅助厌氧消化装置。

背景技术

有机固废产生量大、种类繁多、性质复杂，若随意堆放不经妥善处理，可能腐败发臭，导致致病菌及蚊蝇滋生，污染周边环境。厌氧消化技术可将固废中的有机质资源转化为沼气能源，在解决有机固废污染问题的同时，还可以产生可再生清洁能源，具有较大的经济和社会效益，是实现有机固废资源化的重要技术之一。

目前，现有的机固废厌氧消化技术存在一些技术瓶颈，如反应装置启动慢、处理周期长、有机碳源难以充分转化、甲烷产率低、工艺稳定性差等问题，这些问题严重限制了厌氧消化技术的广泛应用。微生物电解电池与厌氧消化体系具有技术互补性，微生物阳极可富集电化学活性菌，降解体系中有机质(特别是小分子有机酸)，而阴极可释放电子生成氢气或甲烷气，且微生物电极的低电势环境有利于厌氧产甲烷菌群的富集。因此，将微生物电解电池与厌氧消化相耦合，通过向体系中施加微电压，可以促进有机质水解，提升体系的甲烷产率，并且提高体系的稳定性。

公开号为CN 110903950 A的中国专利公开了一种BES-厌氧消化耦合装置及其应用方法，该系统包括阳极室、厌氧消化中间室、阴极室和氨气回收装置，该装置可解决蓝藻底物高浓度氨氮抑制，实现氨氮回收与阴极产氢，但是该装置结构复杂，主要适用于废水，对于有机固废底物并不适用。

公开号为CN 109161476 A的中国专利公开了一种电发酵产甲烷的装置与方法，所述装置包括罐体、恒电位仪、工作电极、辅助电极和参比电极，罐底设置有搅拌装置。该装置通过电极作用，可提高产甲烷速率和体系稳定性，但在该装置中，电极的插入会影响体系内流态，增加死体积，且搅拌装置仅位于系统底部，对于黏度较大的有机固废搅拌力度可能不足。

公开号为CN105601070 A的中国专利公开了一种有机废物厌氧消化-微生物电解耦合反应系统及其方法，该系统包括厌氧消化反应器、提取装置和脱水装置，厌氧消化反应器内设有微生物电解装置和电解水装置，所述电解水装置产生气体通过进气口进入厌氧消化反应器内，用于提升反应器的厌氧甲烷产率。不过该装置结构较复杂，且微生物电解装置所需的输入电压较高，电压范围为1.8～12V。

总的来说，现有的微生物电解电池与厌氧消化相耦合的装置存在以下问题：(1)结构复杂，不适用于有机固废底物；(2)电极的引入对装置内流态有不利影响，现有耦合系统缺少搅拌装置或搅拌装置仅位于系统底部，对于黏度较大的有机固废搅拌力度可能不足；(3)所需电压较高。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种结构简单、可缩短启动周期、提高体系稳定性、提高厌氧消化效果的处理有机固废的微电辅助厌氧消化装置。

技术方案：本发明所述的一种处理有机固废的微电辅助厌氧消化装置，包括反应器，反应器分别与进料装置、排气装置、搅拌装置和微电压装置相连；搅拌装置包括搅拌轴和搅拌桨叶；微电压装置包括参比电极、直流电源、电滑环、导线、阴极层和阳极层，参比电极插入反应器内，用于检测电极电势，判断电极运行状态，电滑环设置在搅拌轴上，阴极层包裹搅拌桨叶，阳极层设置在反应器内壁表面，直流电源的正极通过导线与阳极层相连，直流电源的负极通过导线依次与电滑环、阴极层相连。

其中，进料装置包括进料桶、进料管、进料泵、三通阀和进料取样管，进料桶与三通阀连接的进料管上设置进料泵，三通阀与进料取样管相连，进料取样管插入反应器内。排气装置包括出气管、气体流量计和储气袋，储气袋通过出气管与反应器相连，出气管上设置气体流量计。气体流量计用于测量产生的沼气量。

搅拌装置还包括控制器和电机，电机分别与控制器、搅拌轴相连，搅拌轴与搅拌桨叶相连。反应器包括顶盖和筒体。搅拌轴与顶盖的连接处设置密封塞套。顶盖上还设置导线连接口。

阴极层为石墨毡布、不锈钢网、金属镍网、泡沫镍中的任意一种。阳极层为碳纤维布或石墨毡布。参比电极为Hg/HgO电极、Ag/AgCl电极和氢标准电极中的任意一种。外部直流电源电压设置为0.6～1.2V。搅拌装置的转速为100～250rpm。

工作原理：在厌氧消化反应器中耦合隐形微生物电极，在外电压作用下，阳极层表面会附着生长以胞外电子传递菌为主的阳极微生物，形成阳极生物膜，通过测量阳极电势(即阳极与参比电极之间的电势差)以及电路电流，可以评判阳极生物膜的生长状态，当阳极电势低于-400mV且电路电流趋于稳定后，可以认为阳极启动成功。启动成功的阳极可以降解系统内的有机质底物，并将所产电子传导由阳极经外电路传导至阴极表面，促使阴极表面发生一系列有利于厌氧产甲烷过程的还原反应(如析氢反应、甲烷合成等)，从而提高系统的产甲烷量。此外，阳极和阴极还会对厌氧消化微生物群落产生积极影响，调节厌氧功能微生物组成结构，定向富集产甲烷菌，加速体系厌氧消化过程，提升甲烷产率。

使用方法：

(1)为取得良好效果，在处理有机固废前，先以电极启动营养液(包括乙酸钠1000mg/L，磷酸氢二钠2130mg/L，磷酸二氢钠4580mg/L，氯化钾130mg/L，氯化铵310mg/L以及少量微生物生长所需的矿质元素和维生素)作为底物，以生活污水为接种液，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，将营养液排出，开始处理有机固体废物；

(2)将有机固体废物经破碎筛分以及适当物化预处理后，倒入进料桶，进料没有粒径大于1cm的坚硬固体颗粒且含水率高于90％，利用进料泵将废物泵入反应器内，根据废物状态设置搅拌装置的转速为100～250rpm，外电压0.6～1.2V，废物采用序批式条件运行，停留时间为15～30天，优选为20天，所产沼气由顶部出气管排出，并经计量后存于储气袋中。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

1、通过阴阳极之间的微电压刺激，有助于刺激胞外呼吸菌和产甲烷菌群富集和生长代谢，加速厌氧消化进程和甲烷产率，缩短反应器启动周期，提高体系的稳定性；

2、微电压装置与反应器内壁及搅拌桨叶复合于一体，结构非常简单，不会因电极的引入影响反应器流态，不会增加反应器内死体积，有利于提高反应器的厌氧消化效果；

3、克服了传统厌氧消化反应器处理效率低稳定性差的缺陷，可广泛用于城镇污泥、禽畜粪便、生活垃圾等有机固体的资源化循环利用与安全处置。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

以说明书附图所示的方向为上、下、左、右。

如图1，反应器1采用有机玻璃制成，内径10cm，高度18cm，总体积1.41L，有效体积1L。采用JJ-1型电动搅拌器作为搅拌装置4，配尺寸为6cm×6cm的聚四氟乙烯平板式搅拌桨叶42，控制器43用于控制电机44的启停和转速，固定在铁架台上的电机44通过减速器与搅拌轴41相连，搅拌轴41与搅拌桨叶42固连42。阴极层55采用100目不锈钢网，将不锈钢网包裹于搅拌桨叶42的周围，并用细金属丝线缝锁不锈钢网边缘对其加以固定。不锈钢网可以替换为石墨毡布、金属镍网、泡沫镍中的任意一种。微电压装置5的电滑环53固定在搅拌轴41上。电滑环53下端的导线54通过鳄鱼夹并夹持在阴极层55表面，上端的导线54穿出顶盖11处的导线连接口7与外部直流电源52负极相接。阳极层56采用碳布，优选为石墨毡布，长31.4cm，高度6cm，厚度2mm，阳极层56所用石墨毡布在安装前在1mol/L的稀盐酸中浸泡24h，后用清水多次冲洗至中性，以除去毡布杂质，利用环氧树脂胶将阳极粘贴于反应器1的筒体12内壁，并用外径略小于反应器1的筒体12内径的有机玻璃环，通过挤压作用辅助固定阳极层56。阳极位置与阴极对齐(即阳极上下边缘与阴极的上下边缘保持高度一致)，导线54一端通过鳄鱼夹夹持在阳极层56边缘，另一端从顶盖11的导线连接口7穿出与外部直流电源52的正极相接。直流电源52供给0.9V微电压。

进料装置2的进料桶21与三通阀24相连的进料管22上有进料泵23，三通阀24还与插入反应器1内的进料取样管25连接。反应器1通过排气装置3的出气管31与储气袋33连接，出气管31上有气体流量计32。筒体11里的阴极层55、阳极层56和外部的直流电源52共同构成了电解池的电路。微电压装置5的参比电极51从顶盖11上插入筒体11内。顶盖11上的参比电极51的接口、密封塞套6以及导线接线口7处的缝隙均用密封胶加以封涂，以保证反应器内的厌氧环境。

为取得良好促进效果，在处理污泥前，先以1L电极启动营养液(包括乙酸钠1000mg/L，磷酸氢二钠2130mg/L，磷酸二氢钠4580mg/L，氯化钾130mg/L，氯化铵310mg/L以及少量微生物生长所需的矿质元素和维生素)作为底物，以生活污水为接种液，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，将营养液排出，开始处理剩余污泥。

剩余污泥从城镇污水厂二沉池取得，过筛去除大颗粒，静沉浓缩，而后采用碱性预处理(pH调至10.0左右)强化污泥破壁，并置于进料桶中，由进料泵泵入反应器1中，设置搅拌装置4的转速为150rpm，外加电压0.9V，环境温度保持20℃以上，序批式发酵20d，所产沼气由顶部出气管排出，并经计量后存于气袋中。

Claims (9)

1.一种处理有机固废的微电辅助厌氧消化装置，其特征在于：包括反应器(1)，所述反应器(1)分别与进料装置(2)、排气装置(3)、搅拌装置(4)和微电压装置(5)相连；所述搅拌装置(4)包括搅拌轴(41)和搅拌桨叶(42)；所述微电压装置(5)包括参比电极(51)、直流电源(52)、电滑环(53)、导线(54)、阴极层(55)和阳极层(56)，所述参比电极(51)插入反应器(1)内，所述电滑环(53)设置在搅拌轴(41)上，所述阴极层(55)包裹搅拌桨叶(42)，所述阳极层(56)设置在反应器(1)内壁表面，所述直流电源(52)的正极通过导线(54)与阳极层(56)相连，所述直流电源(52)的负极通过导线(54)依次与电滑环(53)、阴极层(55)相连。

2.根据权利要求1所述的一种处理有机固废的微电辅助厌氧消化装置，其特征在于：所述进料装置(2)包括进料桶(21)、进料管(22)、进料泵(23)、三通阀(24)和进料取样管(25)，所述进料桶(21)与三通阀(24)连接的进料管(22)上设置进料泵(23)，所述三通阀(24)与进料取样管(25)相连，所述进料取样管(25)插入反应器(1)内。

3.根据权利要求1所述的一种处理有机固废的微电辅助厌氧消化装置，其特征在于：所述排气装置(3)包括出气管(31)、气体流量计(32)和储气袋(33)，所述储气袋(33)通过出气管(31)与反应器(1)相连，所述出气管(31)上设置气体流量计(32)。

4.根据权利要求1所述的一种处理有机固废的微电辅助厌氧消化装置，其特征在于：所述搅拌装置(4)还包括控制器(43)和电机(44)，所述电机(44)分别与控制器(43)、搅拌轴(41)相连，所述搅拌轴(41)与搅拌桨叶(42)相连。

5.根据权利要求1所述的一种处理有机固废的微电辅助厌氧消化装置，其特征在于：所述反应器(1)包括顶盖(11)和筒体(12)。

6.根据权利要求5所述的一种处理有机固废的微电辅助厌氧消化装置，其特征在于：所述搅拌轴(41)与顶盖(11)的连接处设置密封塞套(6)。

7.根据权利要求5所述的一种处理有机固废的微电辅助厌氧消化装置，其特征在于：所述顶盖(11)上还设置导线连接口(7)。

8.根据权利要求1所述的一种处理有机固废的微电辅助厌氧消化装置，其特征在于：所述阴极层(55)为不锈钢网、石墨毡布、金属镍网、泡沫镍中的任意一种。

9.根据权利要求1所述的一种处理有机固废的微电辅助厌氧消化装置，其特征在于：所述阳极层(56)为碳纤维布或石墨毡布。

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