[发明专利]基于微生物电催化的沼液与沼气协同处理制备甲烷的方法

说明书

一种基于微生物电催化的沼液深度处理与沼气提质制备甲烷的方法，通过沼液进行微生物电化学系统启动，在阳极电活性微生物的作用下降解沼液中挥发性脂肪酸和难降解有机物，并协同硫氧化微生物氧化粗沼气中的硫化氢为多硫代物，同时多硫代物作为氧化还原穿梭体，将阳极产生的电子、质子传递至阴极，在阴极产甲烷微生物的作用下还原粗沼气中的二氧化碳为甲烷，实现高浓度沼液的深度处理与沼气脱硫、脱碳提质的同步完成。

技术领域

本发明属于绿色能源化领域，具体涉及一种基于微生物电催化原理，同步实现沼液处理与沼气提质制备甲烷的方法。

背景技术

目前，我国沼气工程的产量和数量均居世界第一，其中90％以上采用湿式厌氧消化，是有机废弃物绿色能源化的主流工艺。但现有湿式厌氧消化工艺的能源转化效率较低，发酵产生的大量沼液难以土地消纳，大多按渗滤液方式处理，处理工艺复杂、成本高；产生的沼气中甲烷含量仅为50％-70％，二氧化碳高达25％-40％，还含有硫化氢等杂质，产品附加值低，难以商品化。为增加沼气的热值和能量密度，满足天然气沃泊系数要求，需要进行沼气提质。目前较为成熟的沼气提质方法主要有物理、化学和生物技术，主要适用于大型沼气工程，对于分散式中小规模沼气工程其经济性、可行性不高，且提纯过程会产生副产物等二次污染，增加了工艺复杂性，导致投资和运行成本高，严重影响了沼气应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微生物电催化原理，同步实现沼液深度处理与沼气提质制备甲烷的方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

1)构建双室微生物电化学系统，阳极为碳基材料，阴极为碳基材料或导电陶瓷材料，两室采用质子交换膜分隔；阳极加入阳极营养液，接种硫氧化菌；阴极加入阴极营养液，接种氢营养型产甲烷菌，在外加电压0.2-1.0V，温度20-50℃，pH值6-8，换液周期1-4天，当系统的最大电流、产气量连续3个周期以上保持稳定，功能性生物阳极和生物阴极富集成功；

2)构建单室微生物电化学系统，将富集成功的功能性生物阳极和生物阴极置于单室微生物电化学系统，泵入厌氧消化后的沼液，在外加电压0.2-1.0V、温度20-50℃、水力停留时间1-7天的条件下进行电活性微生物的二次富集，使电极上形成以功能微生物为主，协同作用微生物为辅的复合生物电极；当最大电流、产气量和COD去除率连续3个周期以上保持稳定，视为启动成功。

3)沼液泵入步骤2启动成功的微生物电化学系统，在阳极电活性微生物的作用下降解挥发性脂肪酸和难降解有机物，处理后的沼液按20％-50％比例回流至厌氧消化系统；

4)厌氧消化产生的粗沼气以1.0-5.0m³/(m³·d)流速通入步骤3稳定运行的微生物电化学系统，粗沼气中硫化氢在阳极电活性硫氧化微生物作用下，转化为多硫代物和硫酸盐，进一步释放电子和质子，同时多硫代物将阳极沼液处理、硫化氢氧化产生的电子、质子传递至阴极，在阴极产甲烷微生物的直接电子转移和间接电子转移的协同作用下，将粗沼气中的二氧化碳在阴极转化为甲烷。

所述的方法，其中，碳基材料为碳刷或石墨毡；导电陶瓷材料为Magnéli相亚氧化钛。

所述的方法，其中，步骤1中阳极接种的硫氧化菌包括硫杆菌、脱硫茎菌、脱硫单胞菌的一种或多种组合。

所述的方法，其中，步骤1中阳极营养液组成为：1g/L乙酸钠、5.62g/L磷酸二氢钠、6.16g/L磷酸氢二钠、0.31g/L氯化铵、0.13g/L氯化钾、1ml/L wolfe微量元素液和1ml/Lwolfe矿质元素液。

所述的方法，其中，步骤1中阴极营养液组成为：0.5g/L乙酸钠、1g/L碳酸氢钠、5.62g/L磷酸二氢钠、6.16g/L磷酸氢二钠、0.31g/L氯化铵、0.13g/L氯化钾、1ml/L wolfe微量元素液和1ml/L wolfe矿质元素液。