专利名称：利用牛粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装置及其产电方法
技术领域：
本发明属于微生物产电领域。
背景技术：
随着社会主义新农村建设的不断深入开展，改善农民生活、调整农村产业结构已 成为一项重要内容。其中以沼气为核心的生态农业建设，是改善农村生活环境、调整农村能 源消费结构的有效措施。如何将农业废弃物资源高效化、清洁化、多元化的利用，是实现这 一目标的关键。 目前，在现有发酵工艺中两相厌氧发酵工艺是消化畜禽粪便等生物质废弃物 产沼气较为稳定、高效的发酵工艺。由于其将发酵过程的生物相分离，使得整个复杂 的厌氧发酵过程更易于进行生理、生态调控，可有效提高原料转化效率，获得较理想的 产气率。现有较为高效的产甲烷相反应器主要以第二及第三代厌氧生物反应器为代 表，如上流式厌氧污泥床(Upf lowAnaerobicSludgeBlanket， UASB)、升流式厌氧流化床 (UpflowFluidedBed，UFB)、内循环式反应器(InternalCyclicReactor， IC)等。由于产甲烷 相是两相发酵工艺消化产能的最后阶段，能否保证产甲烷相稳定运行，将直接影响发酵工 艺的平衡及效率，其主要影响生态因子包括与产酸相合适的有机负荷量、适合产甲烷菌群 代谢的ra调控等。此外，对发酵体系有毒有害物质的控制及沼气中C02、H2S气体的去除、净 化等都是优化发酵工艺的关键技术。而利用两相发酵处理牛粪同时产电却未见报道。
发明内容
本发明的目的是针本发明的目的是为牛粪应用提供一种新途径；而提供了利用牛 粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装置及其产电方法。本发明特点是利用以牛粪为发 酵底物经水解酸化相处理的发酵液进入产甲烷相进行微生物产电，实现了以第二及第三代 厌氧生物反应器作为产甲烷相进行微生物产电作用，对于整个发酵工艺不产生任何臭味气 体，还可获得稳定电能的输出。 本发明利用牛粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装置由阳极室、第一阴极室、 第二阴极室、第一阳极、第二阳极、第一阴极、第二阴极、隔膜、第一外接电阻、第二外接电 阻、参比电极、pH酸度计、进料口和出料口构成，采用IC反应器作为阳极室，IC反应器包括 一级三相分离器、二级三项分离器、回流管、沼气排出管、沼气提升和布水器；所述阳极室与第一阴极室、第二阴极室之间分别用隔膜分开，第一阴极室位于第二阴极室之上，阳极室侧
壁上设置第一阳极、第二阳极、参比电极和ra酸度计，在阳极室的侧壁靠近底壁处有一进
料口，阳极室的侧壁上二级三相分离器的上部设有出料口 ；第一阴极室内设置第一阴极，第
二阴极室设置第二阴极，第一阳极和第一阴极通过导线与第一外接电阻连接，第二阳极和 第二阴极通过导线与第二外接电阻连接。 本发明利用牛粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装置的产电方法是是通过下 述步骤实现的一、将采集回来新鲜牛粪水解酸化，过滤，得到发酵液；二、将步骤一获得的 发酵液通入阳极室，发酵液的进料量是阳极室总体积的50% 60%，然后再加入稳定运行的 以处理牛粪为主的批次中温发酵沼气池内沼液(经检测富含产电微生物菌群)，同时加入碳 水化合物，其中所述稳定运行的以处理牛粪为主的批次中温发酵沼气池内沼液用量是阳极 室总体积的30% 40%，碳水化合物用量是发酵液质量的0. 01% 0. 02%，确保阳极室上部留有 100/。的储气空间，用磷酸缓冲液调节阳极室的pH值在7.0，所述微生物种群为产电微生物菌 群；三、再向阳极室内通入高纯氮气使阳极室内氧化还原电位低于-300mV，同时分别向第 一阴极室和第二阴极室内加入质量浓度为0. 5%的高锰酸钾溶液使第一阴极室和第二阴极 室的PH值在3 3. 5 ;四、再用导线分别将第一阳极和第一阴极与第一外接电阻连接在一起 及第二阳极和第二阴极与第二外接电阻连接在一起，35t:下启动运行，即刻有电流输出，启 动后广5天内会有气体产生，启动24h后电流稳定输出，即实现了利用牛粪进行两相沼气发 酵的水解酸化产电；其中步骤四中每间隔三个月更换阳极室内发酵液，使用外部排水法收 集气体。 本发明装置结构简单，便于操作。本发明所利用的产电微生物菌群来源于稳定
运行的以处理牛粪为主的批次中温发酵沼气池内沼液，此方法产电启动迅速，并可维持
体系ra值平稳变化及稳定的电能输出，最大输出功率可达1050mW/M 输出电压稳定在
420 490mV，操作过程简单易行，具有很好的应用前景，同时开发了在牛粪资源化综合利用
上的另一条技术途径，为将来牛粪生物质资源实现低品值物质向高品值能源高效化、多元
化开发应用提供重要理论参考。
图1为利用牛粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装置示意图；图2是图1阳极室的 左视剖视图；图3是具体实施方式
i^一中装置上部的MFC极化曲线图，图中A表示电压，O 表示功率密度；图4是具体实施方式
i^一中装置下部的MFC极化曲线图，图中A表示电压， O表示功率密度；图5是装置上部的960h电压输出变化图；图6是装置下部的960h电压输
出变化图；图7是960h连续运行产电及反应体系ra值变化情况图。
具体实施例方式
具体实施方式
一 本实施方式中利用牛粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装 置，它由阳极室1、第一阴极室2、第二阴极室3、第一阳极4、第二阳极5、第一阴极6、第二阴 极7、隔膜8、第一外接电阻9、第二外接电阻10、参比电极11、pH酸度计12、进料口 13和出 料口 14构成，采用IC反应器(内循环式反应器，InternalCyclicReactor)作为阳极室l，IC反应器包括一级三相分离器l-l、二级三项分离器l-2、回流管l-3、沼气排出管l-4、沼气提升1-5和布水器1-6 ;所述阳极室1与第一阴极室2、第二阴极室3之间分别用隔膜8分开，第一阴极室2位于第二阴极室3之上，阳极室1侧壁上设置第一阳极4、第二阳极5、参比电极ii和ra酸度计12，在阳极室1的侧壁靠近底壁处有一进料口 13，阳极室1的侧壁上二级三相分离器1-3的上部设有出料口 14 ;第一阴极室2内设置第一阴极6，第二阴极室3设置第二阴极7，第一阳极4和第一阴极6通过导线与第一外接电阻9连接，第二阳极5和第二阴极7通过导线与第二外接电阻10连接。 本实施方式中的阳极室1还可以采用上流式厌氧污泥床(UpflowAnaerobicSludgeBlanket， UASB)或升流式厌氧流化床(Upf lowFluidedBed， UFB)。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是所述第一阳极4和第
二阳极5均为碳毡或石墨碳棒。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是所述第一阴极6为碳毡或石墨碳棒。其它与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是所述第二阴极7为碳毡或石墨碳棒。其它与具体实施方式
一至三之一相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一至四之一不同的是所述参比电极ll为氯化银电极。其它与具体实施方式
一至四之一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一至五之一不同的是隔膜8为Nafionl17阳离子交换膜。其它与具体实施方式
一至五之一相同。
具体实施方式
七本实施方式中利用牛粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装置的产电方法是是通过下述步骤实现的一、将采集回来新鲜牛粪水解酸化，过滤，得到发酵液；二、将步骤一获得的发酵液通入阳极室，发酵液的进料量是阳极室1总体积的50% 60%，然后再加入稳定运行的以处理牛粪为主的批次中温发酵沼气池内沼液(经检测富含产电微生物菌群)，同时加入碳水化合物，其中所述稳定运行的以处理牛粪为主的批次中温发酵沼气池内沼液用量是阳极室1总体积的30% 40%，碳水化合物用量是发酵液质量的
o. oi% o. 02%，确保阳极室i上部留有10%的储气空间，用磷酸缓冲液调节阳极室i的ra值
在7.0，所述微生物种群为产电微生物菌群；三、再向阳极室内通入高纯氮气使阳极室内氧化还原电位低于_300mV，同时分别向第一阴极室2和第二阴极室3内加入质量浓度为0. 5%的高锰酸钾溶液使第一阴极室2和第二阴极室3的ra值在3 3. 5 ;四、再用导线分别将第一阳极4和第一阴极6与第一外接电阻9连接在一起及第二阳极5和第二阴极7与第二外接电阻10连接在一起，35t:下启动运行，即刻有电流输出，启动后广5天内会有气体产生，启动24h后电流稳定输出，即实现了利用牛粪进行两相沼气发酵的水解酸化产电；其中步骤四中每间隔三个月更换阳极室1内发酵液，使用外部排水法收集气体。
本实施方式中所用的高纯氮气中氧气的体积浓度《2ppm。 待稳定产电，将阳、阴极与外接电阻连接断开，和外电路连接，输出的电能可以用作反应器运行，或输入电网。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
七不同的是步骤一所述新鲜牛粪为含纤维素类物质且未经任何处理的新鲜牛粪便(即农村或养殖场饲养的，以秸秆为食或含一定纤维素类物质为食的牛的排泄物)。 它步骤和参数与具体实施方式
七相同。
6
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
七或八不同的是步骤二所述的碳
水化合物为葡萄糖或蔗糖。其它步骤和参数与具体实施方式
七或八相同。
所述的碳水化合物可用富含糖类的其他剌激底物替代，如酵母膏、乳酸钠等。 具体实施方式
十本实施方式宇具体实施方式
七至九之一不同的是步骤一中新
鲜牛粪水解酸化是在30 37t:条件下发酵5 10天。其它步骤和参数与具体实施方式
七至九
之一相同。
具体实施方式
十一 本实施方式中利用牛粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装置的产电方法是是通过下述步骤实现的一、将采集回来新鲜牛粪在30 37t:(中温)条件下水解酸化处理8天，过滤(去除牛粪杂质和颗粒秸秆类物质)，得到发酵液(确保产甲烷菌群的活性)；二、将步骤一获得的发酵液通入阳极室，发酵液的进料量是阳极室1总体积的50%，然后接种微生物种群，微生物种群的接种浓度是阳极室1总体积的40%，同时加入葡萄糖，葡萄糖用量是发酵液质量的0. 02%，确保阳极室1上部留有10%的储气空间，用磷酸缓冲液调节阳极室i的ra值在7.0;三、再向阳极室内通入高纯氮气使阳极室内氧化还原电位低于_300mV，同时分别向第一阴极室2和第二阴极室3内加入质量浓度为0. 5%的高锰酸钾溶液使第一阴极室2和第二阴极室3的PH值在3 3. 5 ;四、再用导线分别将第一阳极4和第一阴极6与第一外接电阻9连接在一起及第二阳极5和第二阴极7与第二外接电阻10连接在一起，35t:下启动运行，即刻有电流输出，启动后1 5天内会有气体(0)2、(^4等气体)产生，启动24h后电流稳定输出，即实现了利用牛粪进行两相沼气发酵的水解酸化产电；其中步骤四中每间隔三个月更换阳极室内发酵液，使用外部排水法收集气体。
图4、图5、图6是960h连续运行产电及反应体系ffl值变化情况，输出电压一直稳
定在v之间，ra值变化在之间。 本实施方式产电作用和牛粪酸化程度分析应用电压在线数据采集器、发酵周期pH值变化、脂肪酸分析等手段进行验证，结果如图3-4所示；由图3和4可知，本实施方式方法的最大输出功率可达1050mW/m3 ;由图5和6可知，输出电压一直稳定在420 490V之间，由图7可知，pH值变化在6. 67 7. 23。
权利要求
利用牛粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装置，它由阳极室(1)、第一阴极室(2)、第二阴极室(3)、第一阳极(4)、第二阳极(5)、第一阴极(6)、第二阴极(7)、隔膜(8)、第一外接电阻(9)、第二外接电阻(10)、参比电极(11)、pH酸度计(12)、进料口(13)和出料口(14)构成，采用IC反应器作为阳极室(1)，IC反应器包括一级三相分离器(1-1)、二级三项分离器(1-2)、回流管(1-3)、沼气排出管(1-4)、沼气提升(1-5)和布水器(1-6)；其特征在于采用IC反应器作为阳极室(1)，阳极室(1)与第一阴极室(2)、第二阴极室(3)之间分别用隔膜(8)分开，第一阴极室(2)位于第二阴极室(3)之上，阳极室(1)侧壁上设置第一阳极(4)、第二阳极(5)、参比电极(11)和pH酸度计(12)，在阳极室(1)的侧壁靠近底壁处有一进料口(13)，阳极室(1)的侧壁上二级三相分离器(1-3)的上部设有出料口(14)；第一阴极室(2)内设置第一阴极(6)，第二阴极室(3)设置第二阴极(7)，第一阳极(4)和第一阴极(6)通过导线与第一外接电阻(9)连接，第二阳极(5)和第二阴极(7)通过导线与第二外接电阻(10)连接。
2. 根据权利要求1所述利用牛粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装置，其特征在于 所述第一阳极(4)和第二阳极(5)均为碳毡或石墨碳棒。
3. 根据权利要求1或2所述利用牛粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装置，其特征 在于所述第一阴极(6)和第二阴极(7)为碳毡或石墨碳棒。
4. 根据权利要求3所述利用牛粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装置，其特征在于 所述参比电极(ll)为氯化银电极。
5. 根据权利要求1、2或4所述利用牛粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装置，其特 征在于隔膜(8)为Nafionl17阳离子交换膜。
6. 采用权利要求1所述利用牛粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装置的产电方法， 其特征在于利用牛粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装置的产电方法是通过下述步骤 实现的一、将采集回来新鲜牛粪水解酸化，过滤，得到发酵液；二、将步骤一获得的发酵液 通入阳极室，发酵液的进料量是阳极室(l)总体积的50% 60%，然后再加入稳定运行的以处 理牛粪为主的批次中温发酵沼气池内沼液，同时加入碳水化合物，其中所述稳定运行的以 处理牛粪为主的批次中温发酵沼气池内沼液用量是阳极室(l)总体积的30% 40%，碳水化 合物用量是发酵液质量的0. 01% 0. 02%，确保阳极室(1)上部留有10%的储气空间，用磷酸 缓冲液调节阳极室(l)的PH值在7.0，所述微生物种群为产电微生物菌群；三、再向阳极室 内通入高纯氮气使阳极室内氧化还原电位低于_300mV，同时分别向第一阴极室(2)和第二 阴极室(3)内加入质量浓度为0. 5%的高锰酸钾溶液使第一阴极室(2)和第二阴极室(3)的 ra值在3 3.5;四、再用导线分别将第一阳极(4)和第一阴极(6)与第一外接电阻(9)连接 在一起及第二阳极(5)和第二阴极(7)与第二外接电阻(10)连接在一起，35t:下启动运行， 即刻有电流输出，启动后广5天内会有气体产生，启动24h后电流稳定输出，即实现了利用 牛粪进行两相沼气发酵的水解酸化产电；其中步骤四中每间隔三个月更换阳极室(l)内发 酵液，使用外部排水法收集气体。
7. 根据权利要求6所述利用牛粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装置的产电方法， 其特征在于步骤一所述新鲜牛粪为含纤维素类物质且未经任何处理的新鲜牛粪便。
8. 根据权利要求6或7所述利用牛粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装置的产电方 法，其特征在于步骤二所述的碳水化合物为葡萄糖或蔗糖。
9.根据权利要求8所述利用牛粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装置的产电方法，其特征在于步骤一中新鲜牛粪水解酸化是在30 37t:条件下发酵5 10天。
全文摘要
利用牛粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装置及其产电方法，它属于微生物产电领域。本发明为牛粪应用提供一种新途径。本发明采用IC反应器作为阳极室。本发明方法如下将牛粪经水解酸化相处理的发酵液通过进料口进入阳极反应室，同时接种微生物种群；阴极内装入浓度为0.5%的高锰酸钾溶液，在温度为35℃下启动运行，用导线将外接电阻与阴、阳极相连，即刻会有电流产生。本发明装置结构简单，便于操作，方法获得电能稳定，而且产电启动迅速，最大输出功率可达1050mW/M3，输出电压稳定在420~490mV；为牛粪应用提供一种新途径；为将来牛粪生物质资源实现低品值物质向高品值能源高效化、多元化开发应用提供重要理论参考。
文档编号H01M8/16GK101777661SQ20101012798
公开日2010年7月14日 申请日期2010年3月19日 优先权日2010年3月19日
发明者张国栋, 杨基先, 王哲, 赵光, 马放, 魏利 申请人:哈尔滨工业大学