[發明專利]一種嵌入式生物電解產氫和甲烷的裝置及方法

有效

• 申請號: 201410191452.2
• 申請日: 2014-05-08
• 公開（公告）號: CN103966078A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發明（設計）人: 李大平;何曉紅
• 申請（專利權）人: 中國科學院成都生物研究所
• 主分類號: C12M1/107
• 分類號: C12M1/107;C12P3/00;C12P5/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于廢棄物、廢水資源化能源化利用技術領域，具體涉及一種嵌入式生物電解產氫和甲烷裝置，及其利用廢棄物、廢水厭氧氧化產生的能量產生氫氣和甲烷的方法。

技術背景

工農業生產以及人民生活過程中，都會排放大量的含各種有機、無機還原性污染物的廢棄物和廢水。這些廢棄物與廢水中都蘊藏大量的以還原態物質形式的還原能，如來自自然界的纖維素、糖類、脂類、蛋白質、以及工業加工過程的石油、制藥、化工、食品加工等排放的各類有機污染物、還包括氨氮、硫化物等無機污染物。

這些廢棄物、廢水中的還原能，僅有部分生物質廢棄物以及高濃度有機廢水通過發酵產甲烷等生物質能源的形式回收其中的還原能。但生物發酵產生的甲烷與CO₂的混合氣體—沼氣，由于能量密度低，熱值一般在21000-28000KJ/m³，只能應用于民用的炊事、取暖、照明以及發電等部分領域。甲烷作為微生物發酵的主要產物，在發酵過程中由于微生物自身的能量需求與平衡，有機碳源中的部分碳以CO₂的形式釋放出來。傳統的生物發酵依據有機碳源的不同，其產生的沼氣甲烷體積分數在50-70％之間，CO₂體積分數在30-50％之間。現有沼氣提純工藝包括加壓水洗、變壓吸附、化學吸收等，工藝不僅需增加額外的設備、而且費用較高(成本達0.18-0.7美元/m³甲烷)，提純過程中還有2-10％的甲烷逸散到空氣中造成能量損失，并加重溫室效應(IEA Bioenergy，2009：1-19)。

除了甲烷發酵獲取還原能的成熟技術外，絕大多數廢棄物、廢水主要通過終端處理手段，即通過好氧氧化為二氧化碳、水或無毒的氧化態物質。這些處理方法需要鼓風曝氣、生物轉盤等提供大量氧氣作為電子受體，氧化廢水中的還原性物質，供氧費用占到廢水生物處理成本的一大半。

生物電化學系統可以通過微生物催化，分解廢棄物、廢水將電子傳遞給電極后， 通過產電、產氫、有機物合成等方式回收其中的還原能。近年來，生物電化學系統已經成為國際生物能源領域研究的熱點。目前，在產電微生物、胞外電子傳遞、電池結構、電極材料等研究領域已獲得重大進展，有機碳的電子回收率高達96.8％(AEM，2003，69，1548–1555)。生物電解池已經大量被研究者用來進行電輔助生物產氫研究，在陰極材料研究方面，在外加電勢0.6V條件下，不銹鋼陰極產氫可以達到1.7m³/m³.d(電流密度188A/m³)(Environ.Sci.Technol.2009,43,2179–2183)。在傳統雙室MEC產氫基礎上，單室無膜MEC產氫研究也取得大的進展，在外加電勢0.8V條件下，單室無膜MEC產氫速率達到3.12m³/m³.d(電流密度達到292A/m³)，電子回收率已達到98％(Environ.Sci.Technol.2008,42,3401–3406)。利用鈦/釕合金的網板電極用于剩余活性污泥生物電解，在1.4和1.8V的外加電勢下，氫和甲烷的產率比未加電勢的厭氧發酵分別高出1.7-5.2倍、11.4-13.6倍(International Journal of Hydrogen Energy，2013,38,1342-1347)。目前，有關生物電解產氫的研究大多是在數毫升—數百毫升的規模上進行的。

利用生物陰極的生物電化學系統還原二氧化碳來生產甲烷的研究已有報道(WO2009/155587A2)。該方法使用生物陰極作為催化劑，無需氫氣及有機物的添加便可以合成甲烷。在生物陰極混合菌能夠通過電極與微生物間的直接和間接電子傳遞同時合成甲烷、乙酸(AEM，2013,78,8412-8420，International Journal of Hydrogen Energy，2013，38-3497-3502)。至今，這些生物電合成的研究目前還停留在實驗室水平。主要原因在于生物電合成系統基于傳統的雙室生物電解池的基本結構，盡管近年來在電池結構優化、離子交換膜、載鉑電極催化等領域取得大的進展，但由于受制于材料成本、反應器結構強度、膜的氣體滲透缺陷、能量轉化效率等瓶頸。無論是MFC還是以MEC為基礎的生物電合成系統難于放大和規模化應用。

發明內容