一种利用畜禽粪便及农作物秸秆获得电能和沼肥的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用畜禽粪便及农作物秸秆获得电能和沼肥的装置，包括槽体，槽体通过隔板分割成阳极室和阴极室，在阴极室内设置阴极材料，在阳极室内设置阳极材料，阴极材料和阳极材料通过导线和外电路负载连接，在隔板上靠近槽底位置设置聚乙烯异相阳离子交换膜：将从沼液中驯化得到的产电微生物菌群、处理后的畜禽粪便和农作物秸秆搅拌均匀后以间歇或连续的方式加入阳极室作为阳极室液，将水加入阴极室作为阴极室液；在温度25～37℃的条件下，恒温培养12～36小时后，发生产电效应，并公开了其使用方法。本发明装置在常温下运作，产电性能好、生产成本低、操作简便无污染，对缺乏电力基础设施的局部地区，具有广泛的应用潜力。
【专利说明】一种利用畜禽粪便及农作物秸秆获得电能和沼肥的装置及 方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种利用畜禽粪便及农作物秸杆获得电能和沼肥的装置及方法，属于 固体废物处理及资源化利用领域。
【背景技术】
[0002] 随着资源的枯竭、环境的恶化，人们逐渐意识到固体废物是"放错地方的资源"，各 个国家都在努力开发新的技术。在固体废物资源化利用的同时，很多研究着眼于从有机废 物中获取能源，这样不仅可以解决环境问题，还可以缓解能源需求的压力。
[0003] 目前，我国风干后的植物类秸杆近9亿吨，成为仅次于煤炭、石油和天然气的第四 大能源。随着畜牧业的快速发展，粪便污染已成为一大难题：据统计，一头奶牛每年产生的 粪便在7吨以上，一头黄牛产生的粪便在5?6吨之间；在一些地方，牛粪对环境的污染已 超过了工业污染的总量。预计到2020年，我国畜禽粪便量也将达到40亿吨。
[0004] 现阶段针对畜禽粪便及农作物秸杆的回收利用的技术很多，主要集中在发酵后发 电以及联产电肥等，但现有的设备过于复杂，操作繁琐、产电性能一般，反应废弃物产生二 次污染。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于解决现有技术中的不足，提供一种产电性能好、生产成本低、操 作简便且无二次环境污染的利用畜禽粪便及农作物秸杆获得电能和沼肥的装置及方法。
[0006] 本发明为了实现上述目的，所采用的技术解决方案是：一种利用畜禽粪便及农作 物秸杆获得电能和沼肥的装置，包括槽体，槽体通过隔板分割成阳极室和阴极室，在阴极室 内设置阴极材料，在阳极室内设置阳极材料，阴极材料和阳极材料通过导线和外电路负载 连接，在隔板上靠近槽底位置设置聚乙烯异相阳离子交换膜；将从沼液中驯化得到的产电 微生物菌群、处理后的畜禽粪便和农作物秸杆搅拌均匀后以间歇或连续的方式加入阳极室 作为阳极室液，将水加入阴极室作为阴极室液；在温度25?37°C的条件下，恒温培养12? 36小时后，发生产电效应。
[0007] 进一步的，所述农作物秸杆的含碳量、含氮率、含磷率、含钾率分别为41. 2%? 56. 0%、0. 1%?4. 6%、0. 2%?1. 1%、0. 3%?5. 0% ;所述畜禽粪便的含碳量、含氮率、含 磷率、含钾率分别为 8. 1%?13. 5%、0· 3%?2. 3%、0· 5%?4. 0%、0· 6%?2. 4%。
[0008] 进一步的，所述阳极室内添加的畜禽粪便与农作物秸杆的质量比为：20 : 1? 3 : 1〇
[0009] 进一步的，所述聚乙烯异相阳离子交换膜干态厚度为0. 16?0. 53mm，含水率为 35 %?50 %，交换容量干彡2. Omol/kg，膜面电阻彡11 Ω · cm2，选择透过率彡90 %，一次脱 盐率彡18%。
[0010] 进一步的，所述阳极室的pH值范围为6.0?7.0,阴极室的pH值范围为6.0? 8· 5〇
[0011] 进一步的，所述阳极室与阴极室的氧化还原电势差为0. 1?0. 9V。
[0012] 进一步的，所述槽体位于阳极室的槽体壁上还设置有取样口。
[0013] 一种利用畜禽粪便及农作物秸杆获得电能和沼肥的装置，其使用方法，步骤包 括：
[0014] 一、将农作物秸杆粉碎后过筛，粒径< 2mm，然后加入蒸馏水浸泡12?20h ;离子交 换膜裁剪成适当尺寸，并于蒸馏水中浸泡不小于24h ;
[0015] 二、将畜禽粪便、农作物秸杆、沼液按照重量百分比35%?70%、1. 5%?10%和 30%?60%进行混合后置于阳极室,调整含固率为2%?10%,原料投加完毕后，阳极室通 入氮气3min后，将阳极室密封，将阴阳极电极通过外电路和负载连接构成闭合回路；阴极 室加入自来水；
[0016] 三、装置运行后，在12h后电压和电流不断增加，在4?10d后达最大值，最高可达 0. 81V，持续35d以上；电流在3d后超过20mA，持续5?21d ;
[0017] 四、运行结束后，测定分析沼液和沼渣成分，分析pH值，有机碳、有机质含量、氮磷 钾含量，与有机肥料标准中各指标进行对比，一部分沼液留作后续装置运行的接种液，其余 部分作为生产有机肥、叶面肥和控释肥的原料。
[0018] 进一步的，所述畜禽粪便为牛粪。
[0019] 本发明产生的有益效果是：本装置在常温环境条件下能够有效运作，将底物直接 转化为电能，对农业固体废弃物的处理效果好，保证了较高的能量转化效率，可实现能源的 多级利用，且不产生环境污染。本发明产电性能好、生产成本低、操作简便且无二次环境污 染，对缺乏电力基础设施的局部地区，具有广泛的应用潜力。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
[0021] 图1为本发明的装置结构示意图；
[0022] 图2为本发明畜禽粪便及农作物秸杆产电装置产电效果图。
[0023] 图中：1、阳极室，2、阴极室，3、槽体，4、聚乙烯异相阳离子交换膜，5、阳极材料，6、 阴极材料，7、隔板，8、取样口，9、外电路负载，10、导线。
【具体实施方式】
[0024] 实施例1
[0025] -种利用畜禽粪便及农作物秸杆获得电能和沼肥的装置，包括槽体3,槽体3通过 隔板7分割成阳极室1和阴极室2,在阴极室2内设置阴极材料6,在阳极室1内设置阳极 材料5,阴极材料6和阳极材料5通过导线10和外电路负载9连接，在隔板7上靠近槽底位 置设置聚乙烯异相阳离子交换膜4 ;将从沼液中驯化得到的产电微生物菌群、处理后的畜 禽粪便和农作物秸杆搅拌均匀后以间歇或连续的方式加入阳极室1作为阳极室液，将水加 入阴极室2作为阴极室液；在温度25?37°C的条件下，恒温培养12?36小时后，发生产 电效应。
[0026] 所述农作物秸杆的含碳量、含氮率、含磷率、含钾率分别为41. 2%?56.0%、 0. 1%?4. 6%、0. 2%?1. 1%、0. 3%?5. 0% ;所述畜禽粪便的含碳量、含氮率、含磷率、含 钾率分别为 8. 1%?13. 5%、0· 3%?2. 3%、0· 5%?4. 0%、0· 6%?2. 4%。
[0027] 所述阳极室1内添加的畜禽粪便与农作物秸杆的质量比为：20 : 1?3 : 1。
[0028] 所述聚乙烯异相阳离子交换膜4干态厚度为0. 16?0.53mm，含水率为35 %? 50 %，交换容量干彡2. Omol/kg，膜面电阻彡11 Ω · cm2,选择透过率彡90%，一次脱盐率 彡 18%。
[0029] 所述阳极室1的pH值范围为6. 0?7. 0,阴极室的pH值范围为6. 0?8. 5。
[0030] 所述阳极室1与阴极室2的氧化还原电势差为0. 1?0. 9V。
[0031] 所述槽体3位于阳极室1的槽体壁上还设置有取样口 8。
[0032] -种利用畜禽粪便及农作物秸杆获得电能和沼肥的装置，其使用方法，步骤包 括：
[0033] -、将农作物秸杆粉碎后过筛，粒径< 2mm，然后加入蒸馏水浸泡12?20h ;离子交 换膜裁剪成适当尺寸，并于蒸馏水中浸泡不小于24h ;
[0034] 二、将畜禽粪便、农作物秸杆、沼液按照重量百分比35%?70%、1. 5%?10%和 30%?60%进行混合后置于阳极室,调整含固率为2%?10%,原料投加完毕后，阳极室通 入氮气3min后，将阳极室密封，将阴阳极电极通过外电路和负载连接构成闭合回路；阴极 室加入自来水；
[0035] 三、装置运行后，在12h后电压和电流不断增加，在4?10d后时达最大值，最高可 达0. 81V，持续35d以上；电流在3d后超过20mA，持续5?21d ;
[0036] 四、运行结束后，测定分析沼液和沼渣成分，分析pH值，有机碳、有机质含量、氮磷 钾含量，与有机肥料标准中各指标进行对比，一部分沼液留作后续装置运行的接种液，其余 部分作为生产有机肥、叶面肥和控释肥的原料。
[0037] 所述畜禽粪便为牛粪。
[0038] 实施例2
[0039] 将农作物秸杆粉碎至< 1mm，用适当的蒸馏水浸泡17h ;将聚乙烯异相阳离子交换 膜裁剪为1. 5cmX lcm，在蒸馈水中浸泡24h后固定在阳极室和阴极室之间；
[0040] 制备20cmX 15cmX 10cm的双室反应装置；阳极室和阴极室的大小分别是 10. 3cmX 3. 5cmX 10cm和3. 2cmX 3. 5cmX 10cm ;所用秸杆为玉米秸杆，其含水率为6. 95%， 碳、氮、磷和钾含量分别为50. 82%、0. 23%、0. 15%、1. 96% ;所用畜禽粪便为牛粪，其含水 率为82. 25%，碳、氮、磷和钾含量分别为9. 01%、0. 65%、0. 75%、1. 00% ;阳极室投加上述 牛粪、玉米秸杆分别为20. 0g和1. 0g，加入20ml沼液接种微生物，加水搅拌均匀调整含固率 为3%;阴极室加入95ml自来水，直接与空气接触，并有曝气装置，采用间歇式曝气；控制反 应温度为25°C，阳极液pH值为6. 8,阴极pH值为8. 1。阳极室通入氮气3min，将阳极室密 封，将阴阳极电极通过外电路和负载连接构成闭合回路；
[0041] 装置运行后，在12h内电压和电流值不断增加，10d后，超过0. 81V，持续37d ;电流 在3d后超过25mA，持续25d ;
[0042] 沼肥性能分析：运行结束后，测定分析沼液和沼渣成分，分析pH值，有机碳、有机 质、氮磷钾含量，与有机肥料标准（NY525-2002)中各指标进行对比，一部分沼液留作后续 装置运行的接种液，其余部分作为生产有机肥、叶面肥和控释肥的原料。
[0043] 其连续产电效果见图2。
[0044] 实施例3
[0045] 将农作物秸杆粉碎至< 1mm，用适当的蒸馏水浸泡15h ;将聚乙烯异相阳离子交换 膜裁剪为5cmX 9cm，在蒸馈水中浸泡24h后固定在阳极室和阴极室之间；
[0046] 制备30cmX 20cmX 20cm的双室反应装置；阳极室和阴极室的大小分别是 20cmX20cmX20cm和10cmX20cmX20cm ;所用秸杆为玉米秸杆，其含水率为7. 0%，碳、氮、 磷和钾含量分别为46. 75 %、0. 48 %、0. 85 %、0. 37 % ;所用畜禽粪便为牛粪，其含水率为 85. 6%，碳、氮、磷和钾含量分别为9. 35%、0. 59%、0. 83%、0. 96% ;阳极室投加上述牛粪、 玉米秸杆分别为240g和25g，加入180ml沼液接种微生物，加水搅拌均匀调整含固率为5%; 阴极室加入2000ml自来水，直接与空气接触，并有曝气装置，采用间歇式曝气；控制反应温 度为25°C，阳极液pH值为6. 2,阴极pH值为8. 0。阳极室通入氮气3min后，将阳极室密封， 将阴阳极电极通过外电路和负载连接构成闭合回路；
[0047] 装置运行后，在12h内电压和电流值不断增加，4d后，超过0. 77V，持续24d ;电流 在3d后超过20mA，持续20d ;
[0048] 沼肥性能分析：运行结束后，测定分析沼液和沼渣成分，分析pH值，有机碳、有机 质、氮磷钾含量。一部分沼液留作后续装置运行的接种液，其余部分作为生产有机肥、叶面 肥和控释肥的原料。
[0049] 实施例4
[0050] 将农作物秸杆粉碎至< 2mm，用适当的蒸馏水浸泡24h ;将聚乙烯异相阳离子交换 膜裁剪为4cmX 4. 5cm，在蒸馈水中浸泡24h后固定在阳极室和阴极室之间；
[0051] 制备19cmX 7cmX 19cm的双室反应装置；阳极室和阴极室的大小分别是 13cmX 7cmX 19cm和6cmX 7cmX 19cm ;所用結杆为小麦結杆，其含水率为7. 0 %,碳、氮、 磷和钾含量分别为44. 72 %、2. 21 %、0. 30 %、0. 42% ;所用畜禽粪便为牛粪，其含水率为 83. 64%，碳、氮、磷和钾含量分别为8. 96%、0. 65%、0. 74%、1. 03% ;阳极室投加上述牛粪、 玉米秸杆分别为48g和5g，加入35ml沼液接种微生物，加水搅拌均匀调整含固率为7%;阴 极室加入1500ml自来水，直接与空气接触，并有曝气装置，采用间歇式曝气；控制反应温度 为35°C，阳极液pH值为6. 2,阴极pH值为8. 1。阳极室通入氮气3min后，将阳极室密封，将 阴阳极电极通过外电路和负载连接构成闭合回路；
[0052] 装置运行后，在12h内电压和电流值不断增加，4d后，超过0. 75V，持续7d ;电流在 2. 5d后超过22mA，持续5d ;
[0053] 沼肥性能分析：运行结束后，测定分析沼液和沼渣成分，分析pH值，有机碳、有机 质、氮磷钾含量。一部分沼液留作后续装置运行的接种液，其余部分作为生产有机肥、叶面 肥和控释肥的原料。
[0054] 实施例5
[0055] 将农作物秸杆粉碎至< 1mm，用适当的蒸馏水浸泡17h ;将聚乙烯异相阳离子交换 膜裁剪为1. 5cmX lcm，在蒸馈水中浸泡24h后固定在阳极室和阴极室之间；
[0056] 制备7cmX 3. 5cmX 10cm的双室反应装置；阳极室和阴极室的大小分别是 3. 6cm X 3. 5cm X 10cm和3. 4cm X 3. 5cm X 10cm ;所用結杆为玉米結杆，其含水率为7. 74%, 碳、氮、磷和钾含量分别为57. 14%、0. 66%、0. 14%、1. 83% ;所用畜禽粪便为牛粪，其含水 率为82. 25%，碳、氮、磷和钾含量分别为9. 01%、0. 65%、0. 75%、1. 00% ;阳极室投加上述 牛粪、玉米秸杆分别为20g和1. 0g，加入20ml沼液接种微生物，加水搅拌均匀调整含固率为 9% ;阴极室加入95ml自来水，直接与空气接触，并有曝气装置，采用间歇式曝气；控制反应 温度为25°C，阳极液pH值为6. 5,阴极pH值为8. 1。阳极室通入氮气3min后，将阳极室密 封，将阴阳极电极通过外电路和负载连接构成闭合回路；
[0057] 装置运行后，在12h内电压和电流值不断增加，5d后，超过0. 53V，持续27d ;电流 在3d后超过11mA，持续18d ;
[0058] 沼肥性能分析：运行结束后，测定分析沼液和沼渣成分，分析pH值，有机碳、有机 质、氮磷钾含量。一部分沼液留作后续装置运行的接种液，其余部分作为生产有机肥、叶面 肥和控释肥的原料。
[0059] 从上述实施例可以看出，本发明装置在常温环境条件下能够有效运作，将底物直 接转化为电能，对农业固体废弃物的处理效果好，保证了较高的能量转化效率，可实现能源 的多级利用，且不产生环境污染。本发明产电性能好、生产成本低、操作简便且无二次环境 污染，对缺乏电力基础设施的局部地区，具有广泛的应用潜力。
[0060] 上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本【技术领域】的 技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护 范围。
【权利要求】
1. 一种利用畜禽粪便及农作物秸杆获得电能和沼肥的装置，其特征在于：包括槽体 (3)，槽体（3)通过隔板（7)分割成阳极室（1)和阴极室（2)，在阴极室（2)内设置阴极材料 (6)，在阳极室（1)内设置阳极材料（5)，阴极材料（6)和阳极材料（5)通过导线（10)和外 电路负载（9)连接，在隔板（7)上靠近槽底位置设置聚乙烯异相阳离子交换膜（4);将从沼 液中驯化得到的产电微生物菌群、处理后的畜禽粪便和农作物秸杆搅拌均匀后以间歇或连 续的方式加入阳极室（1)作为阳极室液，将水加入阴极室（2)作为阴极室液；在温度25? 37°C的条件下，恒温培养12?36小时后，发生产电效应。
2. 根据权利要求1所述的利用畜禽粪便及农作物秸杆获得电能和沼肥的装置，其特征 在于：所述农作物秸杆的含碳量、含氮率、含磷率、含钾率分别为41. 2%?56. 0%、0. 1%? 4. 6%、0. 2%?1. 1 %、0. 3%?5. 0%;所述畜禽粪便的含碳量、含氮率、含磷率、含钾率分别 为 8. 1%?13. 5%、0· 3%?2. 3%、0· 5%?4. 0%、0· 6%?2. 4%。
3. 根据权利要求1所述的利用畜禽粪便及农作物秸杆获得电能和沼肥的装置，其特征 在于：所述阳极室1内添加的畜禽粪便与农作物秸杆的质量比为：20 : 1?3 : 1。
4. 根据权利要求1所述的利用畜禽粪便及农作物秸杆获得电能和沼肥的装置，其特 征在于：所述聚乙烯异相阳离子交换膜（4)干态厚度为0. 16?0. 53mm，含水率为35%? 50 %，交换容量干彡2. Omol/kg，膜面电阻彡11 Ω · cm2,选择透过率彡90%，一次脱盐率 彡 18%。
5. 根据权利要求1所述的利用畜禽粪便及农作物秸杆获得电能和沼肥的装置，其特征 在于：所述阳极室（1)的pH值范围为6. 0?7. 0,阴极室的pH值范围为6. 0?8. 5。
6. 根据权利要求1所述的利用畜禽粪便及农作物秸杆获得电能和沼肥的装置，其特征 在于：所述阳极室⑴与阴极室⑵的氧化还原电势差为〇. 1?〇. 9V。
7. 根据权利要求1所述的利用畜禽粪便及农作物秸杆获得电能和沼肥的装置，其特征 在于：所述槽体（3)位于阳极室（1)的槽体壁上还设置有取样口（8)。
8. 如权利要求1所述的利用畜禽粪便及农作物秸杆获得电能和沼肥的装置，其使用方 法，步骤包括： 一、 将农作物秸杆粉碎后过筛，粒径< 2mm，然后加入蒸馏水浸泡12?20h ;离子交换膜 裁剪成适当尺寸，并于蒸馏水中浸泡不小于24h ; 二、 将畜禽粪便、农作物秸杆、沼液按照重量百分比35 %?70 %、1. 5%?10%和 30%?60%进行混合后置于阳极室,调整含固率为2%?10%,原料投加完毕后，阳极室通 入氮气3min后，将阳极室密封，将阴阳极电极通过外电路和负载连接构成闭合回路；阴极 室加入自来水； 三、 装置运行后，在12h后电压和电流不断增加，在4?10d后时达最大值，最高可达 0. 81V，持续35d以上；电流在3d后超过20mA，持续5?21d ; 四、 运行结束后，测定分析沼液和沼渣成分，分析pH值，有机碳、有机质含量、氮磷钾含 量，与有机肥料标准中各指标进行对比，一部分沼液留作后续装置运行的接种液，其余部分 作为生产有机肥、叶面肥和控释肥的原料。
9. 根据权利要求8所述的利用畜禽粪便及农作物秸杆获得电能和沼肥的装置的使用 方法，其特征在于：所述畜禽粪便为牛粪。
【文档编号】H01M8/16GK104150994SQ201410391830
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月11日 优先权日:2014年8月11日
【发明者】辛言君, 王成显, 张艺臻, 张小梅, 陈清华, 潘月庆 申请人:青岛农业大学