[發(fā)明專利]基于電子傳遞耦合微生物電解池強化厭氧消化裝置與方法

有效

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• 申請日: 2020-10-29
• 公開（公告）號: CN112441660B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 戴曉虎;李磊;高君;董濱;戴翎翎
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟大學(xué)
• 主分類號: C02F3/00
• 分類號: C02F3/00;C02F3/28
• 代理公司: 上海科盛知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 顧艷哲

本發(fā)明涉及一種基于電子傳遞耦合微生物電解池強化厭氧消化裝置與方法，以傳統(tǒng)厭氧消化反應(yīng)器為主體，構(gòu)建外加微電壓的微生物電解池，并通過固定化的導(dǎo)體材料優(yōu)化系統(tǒng)電子傳遞，建立高效電子輸出?傳遞?消耗的厭氧消化產(chǎn)甲烷通路。本發(fā)明突破了傳統(tǒng)厭氧消化長周期、低甲烷產(chǎn)率的瓶頸問題，提高了厭氧消化的效率，促進了厭氧消化產(chǎn)甲烷過程的順利進行，強化有機物降解的同時提高了產(chǎn)甲烷速率和甲烷在沼氣中比例，具備很好的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及環(huán)境保護與資源回收領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于電子傳遞耦合微生物電解池強化厭氧消化裝置與方法。

背景技術(shù)

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展與資源的快速消耗，環(huán)境保護、綠色發(fā)展、資源回收成為全世界的重要議題。人類生產(chǎn)生活中產(chǎn)生了大量的污水與固體廢棄物，從這些有機廢棄物中回收資源與能源是目前研究的熱點。厭氧消化技術(shù)作為在污水、污泥及多種有機廢棄物處理領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的生物處理技術(shù)，在減量化、穩(wěn)定化、無害化這些廢棄物的同時，實現(xiàn)了資源能源的回收，是支撐生態(tài)文明建設(shè)與社會可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)保障。

然而，厭氧消化過程需要多種微生物完成一系列生化反應(yīng)過程，微生物間電子傳遞與能量交換的不順暢極大地限制了厭氧消化的效率。傳統(tǒng)厭氧消化存在反應(yīng)周期長、有機物降解率低、甲烷產(chǎn)率低等一系列問題。微生物電解池(Microbial electrolysis cell,MEC)通過在陽極和陰極形成生物膜，強化陽極有機物氧化和陰極二氧化碳還原，提高了生化反應(yīng)速率，被認為是提高厭氧消化效率的有效方法。專利“一種剩余污泥低溫?zé)崴忸A(yù)處理耦合微生物電解池厭氧消化產(chǎn)甲烷的方法”(CN111574011A)、專利“一種基于陽極促進污泥厭氧消化和陰極二氧化碳還原的厭氧微生物電化學(xué)處理工藝”(CN109179938 A)均是基于這個思路出發(fā)進行技術(shù)研發(fā)。

然而，上述微生物電解池在厭氧消化中的應(yīng)用仍有許多缺陷，陽極區(qū)和陰極區(qū)的生化反應(yīng)只占整個厭氧消化系統(tǒng)的一小部分，僅依靠外加的微電壓無法改善整個體系的電子傳遞狀況，系統(tǒng)中微生物間電子傳遞與能量交換的不順暢并未得到根本上的解決，揮發(fā)性脂肪酸等中間產(chǎn)物的積累時有發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了解決微生物間電子傳遞與能量交換不順暢導(dǎo)致厭氧消化效率低的問題，而提供一種基于電子傳遞耦合微生物電解池強化厭氧消化裝置與方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種基于電子傳遞耦合微生物電解池強化厭氧消化裝置，包括厭氧消化反應(yīng)器，所述厭氧消化反應(yīng)器中布置固定化的導(dǎo)體材料，所述固定化的導(dǎo)體材料連接由電源、生物陽極及生物陰極組成的微生物電解池，所述生物陽極和生物陰極分別與所述固定化的導(dǎo)體材料充分接觸，在厭氧消化的全過程保證種間電子傳遞的高效進行。

該裝置以傳統(tǒng)厭氧消化反應(yīng)器為主體，構(gòu)建外加微電壓的微生物電解池，并通過固定化的導(dǎo)體材料優(yōu)化系統(tǒng)電子傳遞，建立高效電子輸出-傳遞-消耗的厭氧消化產(chǎn)甲烷通路。

優(yōu)選地，所述固定化的導(dǎo)體材料是通過將導(dǎo)電性和生物相容性良好的導(dǎo)體材料設(shè)置在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上制作而成。

優(yōu)選地，所述導(dǎo)體材料包括石墨烯、碳納米管、石墨棒、石墨氈、碳布、碳刷、鉑碳、鐵電極中的一種或多種；所述網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)包括鈦/鈦合金網(wǎng)、鐵/鐵合金網(wǎng)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具備5～300目的網(wǎng)孔。導(dǎo)體材料，例如可以以涂層方式固定在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上，如石墨烯涂層、碳納米管涂層。

優(yōu)選地，所述電源為直流電源，電壓大小為0.1V-1.2V，微電壓在刺激微生物的電活性同時，優(yōu)化了整個系統(tǒng)的氧化還原電位，從而強化陽極有機物降解和陰極二氧化碳還原。