[發明專利]基于沼氣循環式發酵的沼氣降碳耦合沼液減污裝置及方法

在審

• 申請號: 202210150051.7
• 申請日: 2022-02-08
• 公開（公告）號: CN114574329A
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: 汪群慧;宋娜;趙盼;張麗榮;關偉杰;章爽;郭延
• 申請（專利權）人: 北京科技大學;北京科技大學天津學院
• 主分類號: C12M1/107
• 分類號: C12M1/107;C12M1/34;C12M1/12;C12M1/04;C12P5/02;C25B1/04;C25B3/03;C25B3/26;C25B9/19;C25B11/043;B01D53/62;B01D53/84;B01D53/04;B01J20/20
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波;于春曉

本發明提供基于沼氣循環式發酵的沼氣降碳耦合沼液減污裝置及方法，屬于環境和能源技術領域。該裝置包括電發酵單元、固液分離單元、水熱碳化單元和產物收集單元，電發酵單元包括電發酵槽、陰極室、陽極室、陽離子交換膜、直流恒壓電源；該裝置將嗜氫產甲烷菌的生物轉化和電化學陰極還原耦合，將沼氣循環至厭氧消化室，進行原位沼氣生物提純，在陰極還原CO₂產生甲烷的同時在陽極室去除沼液中的氨氮和COD，合理利用了電子轉移和守恒規律；沼液減污后可用于灌溉，也可被沼渣生物炭吸附沼液殘留的污染物而得到進一步凈化；沼渣可制成水熱炭回用于厭氧消化或作為吸附劑，從而實現沼液、沼渣、沼氣的綜合利用和CO₂減排的目的。

技術領域

本發明涉及環境和能源技術領域，特別是指一種基于沼氣循環式發酵的沼氣降碳耦合沼液減污裝置及方法。

背景技術

CO₂催化還原的相關技術被不斷開發，包括光催化、電催化和熱化學還原。有機廢物厭氧發酵產生的沼氣中，甲烷含量占55～65％，CO₂含量占35～45％；厭氧發酵后的沼液屬高濃度有機廢液，成分復雜，可生化性較差，采用常規的生化處理方法其處理效果差，近年來電化學技術由于條件可控，無二次污染，設備簡單，已成為處理難降解、高濃度有機物的研究熱點。

由外源供氫的沼氣生物提純方式有原位和異位兩種，其中，原位提純是指沼氣產生和提純在同一厭氧反應器中進行，即直接將H ₂通入厭氧消化系統，使其與沼氣中的CO₂反應，從而得到CH₄濃度較高的氣體；原位提純操作簡單，無需培養特定菌種與另建反應器，但外源供氫的原位提純方式，由于氫的溶解度很低，H₂的傳質效率低，且沼氣中不參與反應的CH₄氣體進一步影響H₂的傳質效率，因此，要將原位提純技術真正應用于工業生產還需進一步考察外源H₂不規律通入對微生物結構、甲烷產量和尾氣組成的影響和反應器抗沖擊能力等問題，特別是H₂氣液傳質的強化問題。

電催化還原技術反應方向及產物可控，靈活多變，可與其他反應同步，具有良好應用前景。將電解制氫過程中產生的活性氫用于原位生物提純，可即時生成活性氫并即時消耗，避開了H₂氣液傳質的難點，原位提純效率可發揮到最大程度。

基于上述背景，本發明在沼氣循環式厭氧發酵過程中，將嗜氫產甲烷菌的生物轉化和電化學陰極還原耦合，提高CO₂轉化為甲烷的效率，并同步利用陽極氧化降解沼液中的有機物，降低氨氮和COD含量，減污后的沼液可用于灌溉，也可被沼渣生物炭吸附殘留的污染物而得到進一步凈化。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種基于沼氣循環式發酵的沼氣降碳耦合沼液減污裝置及方法，該裝置合理利用電子轉移和守恒規律，可在陽極室處理沼液的同時陰極室還原CO₂產生甲烷，從而實現沼液減污脫氮、沼氣原位提純和CO₂減排的目的。

該裝置包括電發酵單元、固液分離單元、水熱碳化單元和產物收集單元，

其中，電發酵單元包括電發酵槽、陰極室(兼做厭氧消化室)、陽極室、陽離子交換膜、直流恒壓電源，固液分離單元中設有機械脫水裝置，水熱碳化單元中設有水熱反應釜，產物收集單元包括水熱炭儲槽、處理后液體儲槽和提純后沼氣儲槽；

陰極室設有陰極、液封進料口、沼氣進氣口、帶孔布氣管、沼氣排氣口、發酵殘余物排出口；陽極室設有陽極、沼液進液口、帶孔布液管、處理后液體排出口；

電發酵槽底部設置帶孔支撐板，電發酵槽內設置陰極室和陽極室，陰極室和陽極室由陽離子交換膜分隔；