專利名稱：一種電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵裝置及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵裝置及其應(yīng)用方法，屬于資源與環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于能源需求日益增加以及化石燃料的大量消耗，引發(fā)了人們對可再生能源的興趣。甲烷無污染、可再生，是一種可以開發(fā)利用的理想能源。秸稈厭氧消化產(chǎn)甲烷不僅可以緩解能源壓力，還能解決秸稈直接焚燒所帶來的環(huán)境污染問題，具有很高的經(jīng)濟(jì)價值。沼氣發(fā)酵所處的嚴(yán)格厭氧環(huán)境不利于秸稈等復(fù)雜有機物的降解，且產(chǎn)生的硫化氫劇毒，限制了沼氣的直接利用。沼氣的厭氧發(fā)酵分為三個階段有機物水解、產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷階段。而有機物水解過程，其實際上是一個微好氧的過程，而產(chǎn)甲烷階段的嚴(yán)格厭氧條件不利于有機物的水解。通入一定的外加電壓可以連續(xù)地產(chǎn)生氧氣和氫氣；氧氣提供微好氧環(huán)境，促進(jìn)秸稈中有機物的水解，減少生物氣中硫化氫的含量；電解產(chǎn)生的氫氣部分逸散到沼氣中，可以提高沼氣的燃燒性能，而另一部分氫氣可以被發(fā)酵體系中的氫營養(yǎng)型甲烷菌轉(zhuǎn)換成甲烷，提高甲烷的產(chǎn)率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)目的之一在于提供一種電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵的裝置，使得該裝置可以通過控制外加電壓大小將沼氣中氧氣含量控制在最低水平。本發(fā)明的另一個技術(shù)目的在于提供上述裝置的應(yīng)用方法，其主要涉及解決秸稈等復(fù)雜有機物降解困難及沼氣含有有毒氣體(主要是硫化氫)的技術(shù)問題，而可以利用低壓直流電源電解水提供秸稈等降解所需的微好氧環(huán)境。為了實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下?！⒁环N電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵裝置，主要由發(fā)酵罐體1、位于發(fā)酵罐體1之上用于密封其罐口的封罐口 2，以及在封罐口 2上開孔并插入的排氣口 7構(gòu)成，其特征在于還包括陽極4、陰極5、直流電源9和電線8 ；直流電源9設(shè)置在發(fā)酵罐體1之外，通過兩根電線8分別穿過封罐口 2伸入罐體1內(nèi)部并分別連接設(shè)置在罐體1內(nèi)部的陽極4和陰極5。進(jìn)一步地，所述的陽極或陰極是片狀電極。進(jìn)一步地，所述的陽極應(yīng)理解為現(xiàn)有技術(shù)中任何惰性材料制得的陽極，在本發(fā)明中，包括但不限于石墨、鉬金或貴金屬氧化物。所述的陰極應(yīng)理解為現(xiàn)有技術(shù)中任何導(dǎo)電材料制得的陰極，在本發(fā)明中，包括但不限于銅、不銹鋼、鋁、銀或鈦。進(jìn)一步地，所述的電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵裝置還包括取料口 3，取料口 3是貫穿于封罐口 2的導(dǎo)管，其一端插入發(fā)酵罐體1的底部，一端伸出封罐口 2。其目的是方便裝置操作過程中隨時對發(fā)酵體系的料液進(jìn)行取樣分析。
進(jìn)一步地，所述的排氣口 7上還連有三通，三通一端與排氣口 7連接，一端塞入密封塞6，另一端連接氣量檢測裝置。塞有密封塞6的一端作為取氣口，可以方便隨時對發(fā)酵體系產(chǎn)生的氣體進(jìn)行取樣分析。連接氣量檢測裝置的目的是檢測每一批次發(fā)酵結(jié)束后總的產(chǎn)氣量，以檢測發(fā)酵體系的產(chǎn)氣能力。二、本發(fā)明所述的電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵裝置的應(yīng)用方法。在本發(fā)明中，主要涉及利用本發(fā)明所述的電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵裝置厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法，其特征在于包括以下步驟
(1)打開電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵的裝置的封罐口2，向其發(fā)酵罐體1中加入粉碎后的秸稈及沼液使得固體質(zhì)量含量為6 8% ；或者加入粉碎后的秸稈及適量活性污泥，活性污泥占秸稈質(zhì)量干重的30% 40%，加入水使固含量為6 8% ；安裝好封罐口 2及排氣口 7、陽極4、 陰極5、直流電源9和電線8 ；
(2)打開直流電源9，保持外加電壓2.5 3. 5 V，確保氧氣含量在1%以下，即不影響甲烷菌的活性，又能提供微好氧環(huán)境；將發(fā)酵裝置置于水浴裝置中，使發(fā)酵溫度維持在35 40 °C，開始發(fā)酵產(chǎn)氣，并通過排氣口 7收集沼氣并檢測產(chǎn)氣量。進(jìn)一步地，所述的秸稈直徑在5 cm以下，成絲狀或片狀。本發(fā)明的技術(shù)效果在于
(1)本厭氧消化裝置制作簡單，成本低，適用于電解對厭氧發(fā)酵影響的研究。(2)為了解決秸稈等復(fù)雜有機物降解困難及沼氣含有有毒氣體(主要是硫化氫)的問題，本發(fā)明利用低壓直流電源電解水提供秸稈等降解所需的微好氧環(huán)境。為了避免氧氣對厭氧代謝的抑制作用，本發(fā)明采用2. 5 3. 5 V的外加電壓，將氧氣含量控制在最低水平。電解所產(chǎn)生的氫氣可以被氫營養(yǎng)型甲烷菌代謝利用，從而提高了沼氣中甲烷的含量。沼氣中的在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，進(jìn)而達(dá)到脫硫的目的，所產(chǎn)生的沼氣無需經(jīng)過脫硫裝置， 可以直接燃燒。


圖1為本發(fā)明所述電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1-發(fā)酵罐體；2-封罐口 ；3-取料口 ；4-陽極；5-陰極；6-密封塞；7-排氣口 ； 8-電線；9-直流電源。圖2為實施例2日產(chǎn)氣量變化數(shù)據(jù)圖。圖3為實施例2中產(chǎn)出氣體的沼氣含量變化數(shù)據(jù)圖。圖4為實施例2累積產(chǎn)氣量變化數(shù)據(jù)圖。
具體實施例方式實施例1
本實施例說明本發(fā)明所述的電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵裝置的結(jié)構(gòu)。如圖1所示，本發(fā)明所述的電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵的裝置，主要由發(fā)酵罐體1、位于發(fā)酵罐體1之上用于密封其罐口的封罐口 2，以及在封罐口 2上開孔并插入的排氣口 7構(gòu)成； 該裝置還包括陽極4、陰極5、直流電源9和電線8 ；直流電源9設(shè)置在發(fā)酵罐體1之外，通過兩根電線8分別穿過封罐口 2伸入罐體1內(nèi)部并分別連接設(shè)置在罐體1內(nèi)部的陽極4和陰極5。進(jìn)一步地，所述的陽極或陰極是片狀電極。進(jìn)一步地，所述的陽極應(yīng)理解為現(xiàn)有技術(shù)中任何惰性材料制得的陽極，在本發(fā)明中，包括但不限于石墨、鉬金或貴金屬氧化物等。所述的陰極應(yīng)理解為現(xiàn)有技術(shù)中任何導(dǎo)電材料制得的陰極，在本發(fā)明中，包括但不限于銅、不銹鋼、鋁、銀或鈦等。進(jìn)一步地，所述的電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵裝置還包括取料口 3，取料口 3是貫穿于封罐口 2的導(dǎo)管，其一端插入發(fā)酵罐體1的底部，一端伸出封罐口 2。其目的是方便裝置操作過程中隨時對發(fā)酵體系的料液進(jìn)行取樣分析。進(jìn)一步地，所述的排氣口 7上還連有三通，三通一端與排氣口 7連接，一端塞入密封塞6，另一端連接氣量檢測裝置。塞有密封塞6的一端作為取氣口，可以方便隨時對發(fā)酵體系產(chǎn)生的氣體進(jìn)行取樣分析。連接氣量檢測裝置的目的是檢測每一批次發(fā)酵結(jié)束后總的產(chǎn)氣量，以檢測發(fā)酵體系的產(chǎn)氣能力。實施例2
本實施例是利用實施例1所述的裝置厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法。(1)取1 L的發(fā)酵罐體，打開電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵的裝置的封罐口 2，向其發(fā)酵罐體 1中加入30 g粉碎為2cm細(xì)絲狀的秸稈及770 ml沼液使得固體質(zhì)量含量為6% ；安裝好封罐口 2及排氣口 7、陽極4、陰極5、直流電源9和電線8 ；以石墨為陽極、銅為陰極，電極距離為 3 cm。(2)打開直流電源9，保持外加電壓2. 5 V，確保氧氣含量在1%以下，即不影響甲烷菌的活性，又能提供微好氧環(huán)境；將發(fā)酵裝置置于水浴裝置中，使發(fā)酵溫度維持在37。C， 開始發(fā)酵產(chǎn)氣，并通過排氣口 7收集沼氣并檢測產(chǎn)氣量。發(fā)酵11天后產(chǎn)氣量明顯減少，此時停止發(fā)酵。以同樣的發(fā)酵條件、但不外加電極和電壓的單純厭氧發(fā)酵作為一組對照，測定日產(chǎn)氣量(圖2)、甲烷含量變化(圖3)、累計產(chǎn)氣量(圖4)和硫化氫含量。硫化氫含量采用GB/ T 11060. 1-1998方法進(jìn)行測定，結(jié)果為0%，而對照組為0. 203%。結(jié)果表明，外加低壓直流電源不僅可以促進(jìn)沼氣發(fā)酵，改善沼氣品質(zhì)，還能除去沼氣中有毒氣體硫化氫等。實施例3
本實施例是利用實施例1所述的裝置厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法。(1)取10 L的發(fā)酵罐體，打開電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵的裝置的封罐口 2，向其發(fā)酵罐體 1中加入300 g粉碎成5cm片狀的秸稈、120 g活性污泥及水，使得固體質(zhì)量含量為8% ；安裝好封罐口 2及排氣口 7、陽極4、陰極5、直流電源9和電線8 ；以貴金屬氧化物為陽極、不銹鋼為陰極，電極距離為0.5 cm。(2)打開直流電源9，保持外加電壓2. 5 V，確保氧氣含量在1%以下，即不影響甲烷菌的活性，又能提供微好氧環(huán)境；將發(fā)酵裝置置于水浴裝置中，使發(fā)酵溫度維持在35°C，開始發(fā)酵產(chǎn)氣，并通過排氣口 7收集沼氣并檢測產(chǎn)氣量。發(fā)酵15天后產(chǎn)氣量明顯減少，此時停止發(fā)酵。與對照組相比，外加低壓直流電源不僅可以促進(jìn)沼氣發(fā)酵，改善沼氣品質(zhì)，還同樣能除去沼氣中有毒氣體硫化氫等(即氣體中硫化氫含量0%)。
實施例4
本實施例同實施例2，改變相關(guān)參數(shù)。
(1)取20 L的發(fā)酵罐體，打開電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵的裝置的封罐口 2，向其發(fā)酵罐體1中加入600 g粉碎成3cm細(xì)絲狀的秸稈及沼液使得固體質(zhì)量含量為7% ；安裝好封罐口 2及排氣口 7、陽極4、陰極5、直流電源9和電線8;以鉬金為陽極、鋁為陰極，電極距離為3 cm。(2)打開直流電源9，保持外加電壓3 V，確保氧氣含量在1%以下，即不影響甲烷菌的活性，又能提供微好氧環(huán)境；將發(fā)酵裝置置于水浴裝置中，使發(fā)酵溫度維持在40 °C，開始發(fā)酵產(chǎn)氣，并通過排氣口 7收集沼氣并檢測產(chǎn)氣量。發(fā)酵15天后產(chǎn)氣量明顯減少，此時停止發(fā)酵。與對照組相比，外加低壓直流電源不僅可以促進(jìn)沼氣發(fā)酵，改善沼氣品質(zhì)，還同樣能除去沼氣中有毒氣體硫化氫等(即氣體中硫化氫含量0%)。實施例5
本實施例同實施例2，改變相關(guān)參數(shù)。
(1)取1 L的發(fā)酵罐體，打開電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵的裝置的封罐口 2，向其發(fā)酵罐體1中加入30 g粉碎成2 cm的小段的秸稈、9 g活性污泥及水，使得固體質(zhì)量含量為6%;安裝好封罐口 2及排氣口 7、陽極4、陰極5、直流電源9和電線8 ；以石墨為陽極、銀為陰極，電極距離為0. 5 cm。(2)打開直流電源9，保持外加電壓3. 5 V，確保氧氣含量在1%以下，即不影響甲烷菌的活性，又能提供微好氧環(huán)境；將發(fā)酵裝置置于水浴裝置中，使發(fā)酵溫度維持在37°C，開始發(fā)酵產(chǎn)氣，并通過排氣口 7收集沼氣并檢測產(chǎn)氣量。發(fā)酵15天后產(chǎn)氣量明顯減少，此時停止發(fā)酵。與對照組相比，外加低壓直流電源不僅可以促進(jìn)沼氣發(fā)酵，改善沼氣品質(zhì)，還同樣能除去沼氣中有毒氣體硫化氫等(即氣體中硫化氫含量0%)。
權(quán)利要求
1.一種電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵裝置，主要由發(fā)酵罐體(1 )、位于發(fā)酵罐體(1)之上用于密封其罐口的封罐口(2)，以及在封罐口(2)上開孔并插入的排氣口(7)構(gòu)成，其特征在于還包括陽極(4)、陰極(5)、直流電源(9)和電線(8)；直流電源(9)設(shè)置在發(fā)酵罐體(1)之外， 通過兩根電線(8)分別穿過封罐口(2)伸入罐體(1)內(nèi)部并分別連接設(shè)置在罐體(1)內(nèi)部的陽極(4)和陰極(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵的裝置，其特征在于所述的陽極或陰極是片狀電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵裝置，其特征在于所述的陽極是石墨、鉬金或貴金屬氧化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵裝置，其特征在于所述的陰極是銅、不銹鋼、鋁、銀或鈦。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵裝置，其特征在于所述的電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵的裝置還包括取料口(3)，取料口(3)是貫穿于封罐口(2)的導(dǎo)管，其一端插入發(fā)酵罐體(1)的底部，一端伸出封罐口(2)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵裝置，其特征在于所述的排氣口(7)上還連有三通，三通一端與排氣口( 7 )連接，一端塞入密封塞(6 )，另一端連接氣量檢測裝置。
7.權(quán)利要求1所述的電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵裝置的應(yīng)用方法，其特征在于是所述的電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵的裝置厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵裝置的應(yīng)用方法，其特征在于包括以下步驟(1)打開電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵的裝置的封罐口(2)，向其發(fā)酵罐體(1)中加入粉碎后的秸稈及沼液使得固體質(zhì)量含量為6 8% ；或者加入粉碎后的秸稈及適量活性污泥，活性污泥占秸稈質(zhì)量干重的30% 40%，加入水使固含量為6 8% ；安裝好封罐口(2)及排氣口(7)、 陽極(4)、陰極(5)、直流電源(9)和電線(8)；(2)打開直流電源(9)，保持外加電壓2.5 3. 5 V，確保氧氣含量在1%以下；發(fā)酵溫度維持在35 40 °C，開始發(fā)酵產(chǎn)氣，并通過排氣口(7)收集沼氣并檢測產(chǎn)氣量。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵裝置的應(yīng)用方法，其特征在于所述的秸稈直徑在5 cm以下，成絲狀或片狀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵裝置及其應(yīng)用方法，屬于資源與環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的電解促進(jìn)厭氧發(fā)酵的裝置，主要由發(fā)酵罐體1、位于發(fā)酵罐體1之上用于密封其罐口的封罐口2，以及在封罐口2上開孔并插入的排氣口7構(gòu)成，其特征在于還包括陽極4、陰極5、直流電源9和電線8；直流電源9設(shè)置在發(fā)酵罐體1之外，通過兩根電線8分別穿過封罐口2伸入罐體1內(nèi)部并分別連接設(shè)置在罐體1內(nèi)部的陽極4和陰極5。為了解決秸稈等復(fù)雜有機物降解困難及沼氣含有有毒氣體的問題，本發(fā)明利用低壓直流電源電解水提供秸稈等降解所需的微好氧環(huán)境。沼氣中的H2S在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，進(jìn)而達(dá)到脫硫的目的，所產(chǎn)生的沼氣無需經(jīng)過脫硫裝置，可以直接燃燒。
文檔編號C12M1/107GK102352309SQ20111032258
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月21日
發(fā)明者劉秀娟, 張亞兵, 李暉, 歐陽平凱, 牛瀟, 薛金紅, 韋萍 申請人:南京工業(yè)大學(xué)