一种利用电解辅助厌氧微生物提高甲烷产量的方法与流程

本发明涉及利用厌氧生物处理技术领域，具体涉及一种利用电解辅助厌氧微生物提高甲烷产量的方法。

背景技术：

厌氧生物处理技术，在无分子氧条件下通过厌氧微生物（包括兼氧微生物）的作用，将复杂有机物分解转化为甲烷和二氧化碳等物质的过程，也被称为厌氧消化(Anaerobic Digestion, AD) ；与好氧过程的根本区别在于不以分子态氧作为受氢体，而以化合态氧、碳、硫、氮等作为受氢体。这一过程通常用于处理废水COD浓度过高（超过152g•COD/L）的问题或减少有机固体含量的有机固体悬浮液或浆（总固体含量达15%）。

厌氧消化过程通常包括三个连续的阶段，即水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段：1）水解酸化阶段，复杂大分子、不溶性有机物先在细胞外酶的作用下水解为小分子、溶解性有机物，然后渗入细胞体内，分解产生挥发性有机酸、醇类、醛类等，主要产物为较高级脂肪酸；2）产氢、产乙酸阶段，在产氢产乙酸细菌的作用下，前一阶段产生的各种有机酸被分解转化为乙酸和H₂及CO₂；3）产甲烷阶段，产甲烷细菌将乙酸、乙酸盐、CO₂和H₂等转化为甲烷，此过程由两组生理上不同的产甲烷菌完成，一组把氢和二氧化碳转化为甲烷，另一组从乙酸或乙酸盐脱羧产生甲烷。

环境中的有机废物若不能得到极时的处理，将对生态环境造成极其严重的影响，作为实现有机废物减量化、无害化和资源化有效途径的厌氧消化技术显得极为重要。然而传统的厌氧消化过程中通常会因为存在微生物降解性能低、产气率及产气量低等缺点，而究其原因主要是由于作为限速步骤的产甲烷阶段中的厌氧生物活性低，使得产甲烷效率低，且产量小。因此，提高厌氧生物的活性并有效提高产甲烷效率，是克服产量低和产量不稳定等问题的关键，同时也是及时处理环境中的有机废物的重要途径。

发酵池内的碳水化合物（Carbohydrates）、蛋白质(Proteins)、脂肪(Fats)被分解成甲烷外，还将生成大量二氧化碳及氨气和硫化氢。

中国专利申请CN 104561114 A公开了一种提高短链脂肪酸厌氧产甲烷效率的方法，该方法仅适用于提高短链脂肪酸厌氧产甲烷的效率，通过将石墨添加到短链脂肪酸的厌氧发酵体系中，并与该厌氧发酵体系中的厌氧微生物及短链脂肪酸混合均匀，利用石墨的高导电性，在厌氧发酵体系内充当电子载体，提高厌氧发酵体系内微生物与微生物之间的电子传递效率，促进电子转移，从而提高短链脂肪酸厌氧产甲烷效率和产量；此外，由于石墨能够作为微生物的生长附着面，促进微生物的新陈代谢，从而增加微生物的数量；这种方式通过提高加速电子的传递效率并增加微生物的数量，提高甲烷的产量。

中国专利CN 103555566 B公开了一种新型促进厌氧消化产甲烷的外置电解设备，该设备通过促进有机底物的降解，降低反应过程中的氧含量促进产甲烷菌的生长并降低产甲烷菌的死亡率，进而提高产甲烷的稳定性和产量。

这些方法或设备均从一定程度上提高了产甲烷的稳定性或产量，但如何高效快速而又稳定地利用厌氧消化技术生产甲烷并能广泛适用的方式还亟待更进一步研究。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种更好的、适用范围更广的利用电解辅助厌氧微生物提高甲烷产量的方法，该方法在不破坏微生物生长环境的前提下，通过给体系施加一定的电压，有效利用电解水产生氢气和氧气的过程，增加有机特质水解速率并氧化硫化氢，进而提高生产沼气的质量和产量。

一种利用电解辅助厌氧微生物提高甲烷产量的方法，利用电解水提高甲烷产量，所述电解水的电压范围为1.8-12V。

一种利用电解辅助厌氧微生物提高甲烷产量的方法，利用电解厌氧发酵体系中的水提高甲烷产量，所述电解水的电压范围为1.8-12V。

一种利用电解辅助厌氧微生物提高甲烷产量的方法，利用电解外置生物电解槽或外置电解槽中的水提高甲烷产量，所述电解水的电压范围为1.8-12V。

优选地，所述电解水的电压范围为1.8-10V。

更优选地，所述电解水的电压范围为2-6V。

进一步地，电解水的电极材料采用非贵金属催化材料。

优选地，所述电极材料不锈钢、石墨、石墨基材料、 镍、 钢、 金属合金或金属氧化物。

具体地，所述金属氧化物为钛和/或铱。

更优选地，所述电极材料为不锈钢或石墨。

更优选地，所述石墨为鳞片状石墨。

进一步地，电解水的电流密度不高于0.01 A/cm²，优选为0.001~0.005 A/cm ²。

进一步地，电极的表面面积在10cm²-100cm²每公升发酵体系反应器容积范围内。

进一步地，所述厌氧微生物为希瓦氏菌物种、杆菌物种或其混合物。

进一步地，所述电极为一对或多对。

本发明提供的一种利用电解辅助厌氧微生物提高甲烷产量的方法，具有如下有益效果：

1、提高了甲烷的质量且增加了产气量和产气率。利用电解辅助厌氧微生物的降解作用，电解水过程中产生的氧与微生物降解过程中产生的硫化氢结合，消除了硫化氢，提高了甲烷的质量；生成的氢与二氧化碳在微生物的作用下结合，还原成甲烷，增加了甲烷的产气量，并增加了有机物的水解速率，加快了甲烷的产气率。

2、有利地减少了高效电解所需功率。利用电解辅助厌氧微生物消解，同时微生物催化水电解，电压不得过高，否则将摧毁微生物或进一步抑制微生物的活性，并将降低其他有机物的水解效率。由于电流密度为0.01A/cm²或者更低，容积功率消耗在0.03Wh/L_R到0.3Wh/L_R之间，其中R为反应容器体积。

3、降低氧气浓度，增加厌氧微生物活性。采用本方案，产生的氧气速率与生物化学反应速率之间处于一个较好的平衡点，提升了耗氧速率，促进了水解和降解的有机物氧化，同时增加了厌氧微生物的活性。

4、减少二氧化碳的释放，提高甲烷的燃烧特性。利用电解水所产生的氢气与二氧化碳相结合，减少了二氧化碳的稀放量，

5、成本低廉。本方案还同时避免使用贵金属催化剂采用廉价、非腐蚀性材料电极即可保持良好的电解效率，大大降低了成本。此外，电极表面还为维生物生长提供附着点，减少必须通过液体介质才可实现电子交换，同时提高微生物的新陈代谢速率，促进微生物的繁殖。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图。

附图标记说明

1、厌氧发酵反应器；2、电解装置；3、循环回路。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案：

本发明提供了一种利用电解辅助厌氧微生物提高甲烷产量的方法，利用电解水提高甲烷产量，所述电解水的电压范围为1.8-12V。所述厌氧微生物为希瓦氏菌物种、杆图物种或其混合物。任何合适 hydrogenotrophic 产甲烷微生物都可从电解水产生的氢气用于转换成甲烷。这种 hydrogenotrophic 产甲烷微生物包括，例如，甲酸甲烷杆菌、甲烷八迭球菌、 Methanococcus 菌或其混合物。本方案可适用于厌氧微生物发酵任何有机物体系，即包含任何碳-碳的材料，可以为任意形式的废物有机，如有机固体废弃物、残余生物量、污泥或废水污泥等等。

实施例1

一种利用上述方法生产甲烷的装置如图1所示，在厌氧发酵反应器1上，接有电解装置2，在发厌氧发酵反应器1的两端接有循环回路3，电解装置2采用鳞片状石墨为电极，电解电压为2V，电流密度为0.003A/cm²。

实施例2

一种利用上述方法生产甲烷的装置如图2所示，在厌氧发酵反应器1两端接有循环回路3，在循环回路3上，设有电解装置2。电解装置2采用球状石墨为电极，电解电压为6V，电流密度为0.005A/cm²。该电解装置可以是普通电解槽或生物电解槽。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。