[发明专利]利用牛粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装置及其产电方法

说明书

技术领域

本发明属于微生物产电领域。

背景技术

随着社会主义新农村建设的不断深入开展，改善农民生活、调整农村产业结构已成为一项重要内容。其中以沼气为核心的生态农业建设，是改善农村生活环境、调整农村能源消费结构的有效措施。如何将农业废弃物资源高效化、清洁化、多元化的利用，是实现这一目标的关键。

目前，在现有发酵工艺中两相厌氧发酵工艺是消化畜禽粪便等生物质废弃物产沼气较为稳定、高效的发酵工艺。由于其将发酵过程的生物相分离，使得整个复杂的厌氧发酵过程更易于进行生理、生态调控，可有效提高原料转化效率，获得较理想的产气率。现有较为高效的产甲烷相反应器主要以第二及第三代厌氧生物反应器为代表，如上流式厌氧污泥床(Upflow Anaerobic Sludge Blanket, UASB)、升流式厌氧流化床(Upflow Fluided Bed, UFB)、内循环式反应器(Internal Cyclic Reactor, IC)等。由于产甲烷相是两相发酵工艺消化产能的最后阶段，能否保证产甲烷相稳定运行，将直接影响发酵工艺的平衡及效率，其主要影响生态因子包括与产酸相合适的有机负荷量、适合产甲烷菌群代谢的PH调控等。此外，对发酵体系有毒有害物质的控制及沼气中CO₂、H₂S气体的去除、净化等都是优化发酵工艺的关键技术。而利用两相发酵处理牛粪同时产电却未见报道。

发明内容

本发明的目的是针本发明的目的是为牛粪应用提供一种新途径；而提供了利用牛粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装置及其产电方法。本发明特点是利用以牛粪为发酵底物经水解酸化相处理的发酵液进入产甲烷相进行微生物产电，实现了以第二及第三代厌氧生物反应器作为产甲烷相进行微生物产电作用，对于整个发酵工艺不产生任何臭味气体，还可获得稳定电能的输出。

本发明利用牛粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装置由阳极室、第一阴极室、第二阴极室、第一阳极、第二阳极、第一阴极、第二阴极、隔膜、第一外接电阻、第二外接电阻、参比电极、pH酸度计、进料口和出料口构成，采用IC反应器作为阳极室， IC反应器包括一级三相分离器、二级三项分离器、回流管、沼气排出管、沼气提升和布水器；所述阳极室与第一阴极室、第二阴极室之间分别用隔膜分开，第一阴极室位于第二阴极室之上，阳极室侧壁上设置第一阳极、第二阳极、参比电极和PH酸度计，在阳极室的侧壁靠近底壁处有一进料口，阳极室的侧壁上二级三相分离器的上部设有出料口；第一阴极室内设置第一阴极，第二阴极室设置第二阴极，第一阳极和第一阴极通过导线与第一外接电阻连接，第二阳极和第二阴极通过导线与第二外接电阻连接。

本发明利用牛粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装置的产电方法是是通过下述步骤实现的：一、将采集回来新鲜牛粪水解酸化，过滤，得到发酵液；二、将步骤一获得的发酵液通入阳极室，发酵液的进料量是阳极室总体积的50%~60%，然后再加入稳定运行的以处理牛粪为主的批次中温发酵沼气池内沼液（经检测富含产电微生物菌群），同时加入碳水化合物，其中所述稳定运行的以处理牛粪为主的批次中温发酵沼气池内沼液用量是阳极室总体积的30%~40%，碳水化合物用量是发酵液质量的0.01%~0.02%，确保阳极室上部留有10%的储气空间，用磷酸缓冲液调节阳极室的pH值在7.0，所述微生物种群为产电微生物菌群；三、再向阳极室内通入高纯氮气使阳极室内氧化还原电位低于-300mV，同时分别向第一阴极室和第二阴极室内加入质量浓度为0.5%的高锰酸钾溶液使第一阴极室和第二阴极室的pH值在3~3.5；四、再用导线分别将第一阳极和第一阴极与第一外接电阻连接在一起及第二阳极和第二阴极与第二外接电阻连接在一起，35℃下启动运行，即刻有电流输出，启动后1~5天内会有气体产生，启动24h后电流稳定输出，即实现了利用牛粪进行两相沼气发酵的水解酸化产电；其中步骤四中每间隔三个月更换阳极室内发酵液，使用外部排水法收集气体。

本发明装置结构简单，便于操作。本发明所利用的产电微生物菌群来源于稳定运行的以处理牛粪为主的批次中温发酵沼气池内沼液，此方法产电启动迅速，并可维持体系PH值平稳变化及稳定的电能输出，最大输出功率可达1050mW/M³，输出电压稳定在420~490mV ，操作过程简单易行，具有很好的应用前景，同时开发了在牛粪资源化综合利用上的另一条技术途径，为将来牛粪生物质资源实现低品值物质向高品值能源高效化、多元化开发应用提供重要理论参考。

 附图说明