微生物電輔助厭氧折流發(fā)酵制氫反應(yīng)器的制造方法
【專利摘要】微生物電輔助厭氧折流發(fā)酵制氫反應(yīng)器，它涉及一種厭氧廢水處理產(chǎn)氫設(shè)備。本發(fā)明是為了解決厭氧發(fā)酵過(guò)程揮發(fā)酸的積累，厭氧代謝途徑受阻的障礙。本裝置利用厭氧代謝中間產(chǎn)物揮發(fā)酸，產(chǎn)生氫氣能源，實(shí)現(xiàn)廢物資源化。本發(fā)明厭氧折流板反應(yīng)器分為5個(gè)串聯(lián)的格室，每個(gè)格室分為升、降流區(qū)域。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于每個(gè)格室的升流區(qū)同時(shí)成為一個(gè)單格室電解池，設(shè)有陽(yáng)極碳布和催化陰極固定卡位，陽(yáng)極膜上的產(chǎn)電菌以厭氧代謝揮發(fā)酸為底物。一方面實(shí)現(xiàn)廢物徹底降解，另一方面微生物電池利用乙酸等中間產(chǎn)物，產(chǎn)生氫氣。本發(fā)明對(duì)比傳統(tǒng)的厭氧發(fā)酵設(shè)備，有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、厭氧代謝徹底、代謝周期縮短、容積利用率高、廢水處理與產(chǎn)能一體化等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】微生物電輔助厭氧折流發(fā)酵制氫反應(yīng)器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及一種聯(lián)合厭氧折流板反應(yīng)裝置和微生物電解池實(shí)現(xiàn)廢水降解和產(chǎn)氫的新型裝置。屬于厭氧發(fā)酵制氫反應(yīng)器，在解決厭氧發(fā)酵障礙的同時(shí)，能夠產(chǎn)生氫氣，實(shí)現(xiàn)廢物高效降解與產(chǎn)氫資源化利用。

【背景技術(shù)】
[0002]厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)是P.L.McCarty于1981年提出的一種新型的高效厭氧反應(yīng)器。ABR可以看成多個(gè)升流式厭氧污泥床組成，反應(yīng)器由多個(gè)隔板分隔為多個(gè)格室，每個(gè)格室由折流板分隔為升流和降流區(qū)域。沿著不同格室的推進(jìn)，厭氧發(fā)酵經(jīng)歷了水解發(fā)酵、產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷階段，針對(duì)不同的發(fā)酵階段，在不同的格室中形成了不同種類的優(yōu)勢(shì)微生物種群，微生物相分離明顯。但是，厭氧發(fā)酵過(guò)程中，有機(jī)酸累積會(huì)造成發(fā)酵受阻，厭氧代謝過(guò)程緩慢，代謝周期長(zhǎng)。而且現(xiàn)有的發(fā)酵制氫技術(shù)主要是利用產(chǎn)酸發(fā)酵菌群代謝碳水化合物產(chǎn)生H2及乙醇、乙酸、丙酸、丁酸和戊酸等小分子有機(jī)物，且底物中的氫元素只有小部分以H2的形式釋放，而大部分的氫仍被固定在液相產(chǎn)物中(如丙酸、丁酸及乙醇等)，這些揮發(fā)酸同時(shí)會(huì)抑制氫氣的產(chǎn)生。所以，碳源利用率低，氫氣產(chǎn)量低的“發(fā)酵障礙”一直是厭氧代謝中的一大難題。
[0003]微生物電解池(MEC)由陰陽(yáng)兩極、外電路及電源構(gòu)成。陽(yáng)極室為發(fā)酵池，電活性微生物在陽(yáng)極池能完全氧化有機(jī)物成C02、H+和電子，在借助一定的外電壓下，把產(chǎn)生的電子傳遞給陽(yáng)極，同時(shí)微生物在電子傳遞過(guò)程中獲得能量支持生長(zhǎng)，電子在外電壓作用下通過(guò)外電路到達(dá)處于厭氧狀態(tài)的陰極，而質(zhì)子則通過(guò)質(zhì)子膜擴(kuò)散到陰極池與電子結(jié)合生成H2。而乙酸、丙酸、丁酸等厭氧代謝的中間產(chǎn)物可以作為電解池陽(yáng)極池中產(chǎn)電菌的底物，在產(chǎn)電微生物的協(xié)助下，實(shí)現(xiàn)揮發(fā)酸的徹底氧化，拉動(dòng)厭氧代謝過(guò)程的進(jìn)行，同時(shí)能夠產(chǎn)生大量氫氣，突破常規(guī)發(fā)酵制氫的熱力學(xué)限制將理論比產(chǎn)氫率提高至12 mol H2/mol G，可有效解決“發(fā)酵障礙”難題。
[0004]故本發(fā)明裝置能夠?qū)崿F(xiàn)厭氧廢水降解與產(chǎn)氫一體化，ABR的代謝中間產(chǎn)物成為MEC的底物，各格室中的厭氧產(chǎn)酸種群、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸種群和產(chǎn)電菌互營(yíng)共生，解決“發(fā)酵障礙”的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氫資源化利用。對(duì)實(shí)現(xiàn)廢水厭氧產(chǎn)氫資源化利用具有重大的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種新型微生物電輔助厭氧折流板反應(yīng)裝置，它具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、厭氧代謝徹底、厭氧代謝周期縮短、容積利用率高、廢水處理與產(chǎn)能一體化等優(yōu)點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu),大小為300mmX80 mmX 180 mm。主要由I外殼、2折流板、
3隔板、4溢流堰、5陽(yáng)極膜卡槽、6陰極膜卡槽、7氣體收集管、8水樣收集管、9污泥取樣管、10進(jìn)水口、11出水口組成、12陽(yáng)極膜鈦絲導(dǎo)出口、13陰極膜鈦絲導(dǎo)出口。共設(shè)4塊平行的與底壁相連的隔板把總反應(yīng)器分為5個(gè)格室，每個(gè)格室的大小為60_X 80 mmX180 mm。3隔板上部為齒狀4溢流堰，能夠有效的阻擋前一格室升流區(qū)內(nèi)的污泥流入下一格室的降流區(qū)內(nèi)。5塊平行的與上壁相連的折流板把每個(gè)格室分為升流區(qū)和降流區(qū)，降流區(qū)和升流區(qū)的大小分別為1 2mmX80 mmX 180 mm和48_X80 mmX 180 mm。2折流板與左側(cè)外殼形成第一個(gè)降流區(qū)，2折流板與3隔板形成第一個(gè)升流區(qū)。第一個(gè)降流區(qū)的上部連接有10進(jìn)水口，廢水以較快的速度進(jìn)入較窄的降流區(qū)后，以較慢的速度進(jìn)入右側(cè)較寬的升流區(qū)域，較慢的流速可以保證較高的微生物濃度。折流板傾斜度為45°，具有較好的引流和混合效果。在第一升流區(qū)的頂部設(shè)有7氣體收集管，收集管的直徑為10_，可以便捷及時(shí)的收集氣體，采用有機(jī)玻璃圓管導(dǎo)出，外套塑膠管密封，具有較好密封效果。在第一升流區(qū)的前壁中上部，與頂壁的距離為35mm，設(shè)有8水樣收集管，直徑為18mm，能夠簡(jiǎn)便收集到液體水樣進(jìn)行分析。在第一升流區(qū)的前壁底部設(shè)有9污泥取樣管，直徑為20mm。第一升流區(qū)中部前后壁上設(shè)有5陽(yáng)極膜卡槽和6陰極膜卡槽，5陽(yáng)極膜卡槽與2折流板之間距離為12mm，6陰極膜卡槽與3隔板之間的距離也為12mm，兩個(gè)卡槽之間距離為18mm，兩個(gè)卡槽的寬度都為2mm，能夠?yàn)殛庩?yáng)極膜提供最佳的位置，保證最好的電子傳遞效果和較小的外電阻。陽(yáng)極膜通過(guò)鈦絲在12導(dǎo)出口導(dǎo)出與穩(wěn)壓電源相連，陰極膜通過(guò)鈦絲在13導(dǎo)出口導(dǎo)出與穩(wěn)壓電源相連，導(dǎo)出口通過(guò)橡膠塞密封。在升流區(qū)的前壁中部設(shè)有8水樣收集管和9污泥取樣管，它們通過(guò)圓形的小管導(dǎo)出，與上壁和下壁的距離分別為35mm和1mm,其直徑分別為9mm和5mm。處理完的廢水由11出水口排出。本發(fā)明后面四個(gè)格室的構(gòu)成與第一格室相同，且溢流堰的高度逐漸降低，保證進(jìn)水的順利推流。
[0007]使用本設(shè)備首先進(jìn)行污泥的培養(yǎng)馴化，本研究室以污水處理廠二沉池污泥為接種污泥，以合成廢水為進(jìn)水，進(jìn)水的組成如下:葡萄糖5 g/1，NaCO3I g/1, NH4Cl0.238 g/1，F(xiàn)eSO4 0.0001 g/1，KH2PO3 0.0055 g/1，CaCL2 0.003 g/1, MgSO4 0.002 g/l，M 液 5 ml/1。
[0008]采用逐漸提高負(fù)荷的方法，通過(guò)30天的馴化，取得了較好的效果，最后穩(wěn)定運(yùn)行，COD 進(jìn)水為 5000mg/l 時(shí)，五個(gè)格室的 COD 分別為 4800mg/l 3118mg/l, 1844mg/l, 1024mg/l，520mg/l，第一格室到第五格室的pH值分別為5.0,6.5,6.8,6.8,7.0。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，接入已掛膜成功的電壓為450mv左右的陽(yáng)極膜和陰極膜，各自固定在陽(yáng)極膜卡槽和陰極膜卡槽中，待陽(yáng)極膜上產(chǎn)電菌適應(yīng)厭氧者流板各格室的條件后，連接上外電源，準(zhǔn)備微生物電解池運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)中控制參數(shù)如下:溫度控制為35°C，水力停留時(shí)間為24h，進(jìn)水COD為5000mg/l，外加電源為0.6V。本發(fā)明設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中每天對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，監(jiān)測(cè)的指標(biāo)和方法如下:5格室中COD (重鉻酸鉀法)，pH (pH計(jì))，堿度(中和滴定法)，氧化還原電位(0RP儀)，5格室中揮發(fā)酸的組成及含量(氣相色譜儀)，5格室中氣體的組成及含量(氣相色譜儀)。
[0009]所列指標(biāo)的測(cè)定均采用國(guó)家環(huán)保總局編寫(xiě)的《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》測(cè)定。
[0010] 本發(fā)明是一種微生物電輔助厭氧折流發(fā)酵制氫反應(yīng)器，以合成的高濃度廢水為底物，實(shí)現(xiàn)了廢物降解與產(chǎn)能的一體化，對(duì)比傳統(tǒng)的厭氧發(fā)酵設(shè)備，具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，它具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、厭氧代謝徹底、厭氧代謝周期縮短、容積利用率高、廢水處理與產(chǎn)能一體化等優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是微生物電輔助厭氧折流反應(yīng)器。圖中各部分結(jié)構(gòu)如下:1外殼、2折流板、3隔板、4溢流堰、5陽(yáng)極膜卡槽、6陰極膜卡槽、7氣體收集管、8水樣收集管、9污泥取樣管、10進(jìn)水口、11出水口組成、12陽(yáng)極膜鈦絲導(dǎo)出口、13陰極膜鈦絲導(dǎo)出口。

【具體實(shí)施方式】
[0012]本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】如下，4塊平行的與底壁相連的隔板把總反應(yīng)器分為5個(gè)格室，5塊平行的與上壁相連的折流板把每個(gè)格室分為升流區(qū)和降流區(qū)。2折流板與左側(cè)外殼形成第一個(gè)降流區(qū)，2折流板與3隔板形成第一個(gè)升流區(qū)。第一個(gè)升流區(qū)的上部連接有10進(jìn)水口，折流板傾斜度為45°，具有較好的引流和混合效果。在第一升流區(qū)的上部設(shè)有7氣體收集管，采用有機(jī)玻璃圓管導(dǎo)出，外套塑膠管密封，具有較好密封效果。第一升流區(qū)中部前后壁上設(shè)有5陽(yáng)極膜卡槽和6陰極膜卡槽，能夠很好的固定陽(yáng)極膜和陰極膜，陽(yáng)極膜通過(guò)鈦絲在12導(dǎo)出口導(dǎo)出與穩(wěn)壓電源相連，陰極膜通過(guò)鈦絲在13導(dǎo)出口導(dǎo)出與穩(wěn)壓電源相連，導(dǎo)出口通過(guò)橡膠塞密封。在升流區(qū)的前壁中部設(shè)有8水樣收集管和9污泥取樣管，它們通過(guò)圓形的小管導(dǎo)出。處理完的廢水由11出水口排出。
【權(quán)利要求】
1.一種新型的微生物電輔助厭氧折流板反應(yīng)器，反應(yīng)器整體構(gòu)型為長(zhǎng)方體，四塊與底壁相連的平行隔板把反應(yīng)器分為5個(gè)格室，每個(gè)格室中與上壁相連的折流板把格室分為上下流區(qū)域，每個(gè)格室的升流區(qū)域成為單格室電解池，其前后壁中間設(shè)有左右兩個(gè)卡槽，分別為陽(yáng)極膜卡槽和陰極膜卡槽，陽(yáng)極膜卡槽和陰極膜卡槽分別通過(guò)鈦絲透過(guò)上部?jī)蓚€(gè)小孔，與外加穩(wěn)壓電源相連，每個(gè)格室設(shè)有氣體取樣口、液體取樣口和污泥取樣口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1，反應(yīng)器的大小為300mmX80mmX180 mm，反應(yīng)器中5個(gè)格室的體積相等，每個(gè)格室中上下流區(qū)域的體積比為1:4,大小分別為12mmX80 mmX 180 mm和48mmX80 mm X180 mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1，同一格室的升流區(qū)域中陽(yáng)極膜卡槽與左側(cè)折流板之間距離為12mm,陰極膜卡槽與隔板之間的距離也為12mm,兩個(gè)卡槽之間距離為18mm,兩個(gè)卡槽的卡位寬度都為2mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，同一格室的升流區(qū)域中，連接陽(yáng)極膜和陰極膜的鈦絲，分別由左右兩個(gè)導(dǎo)出口導(dǎo)出，并通過(guò)橡膠塞密封，導(dǎo)出口的直徑為7mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1，在升流區(qū)的頂部設(shè)有氣體收集管，收集管的直徑為10mm，在第一升流區(qū)的前壁中上部，與頂壁的距離為35mm，設(shè)有水樣收集管，直徑為18mm，在第一升流區(qū)的前壁底部設(shè)有9污泥取樣管，直徑為20mm，各取樣口均采用有機(jī)玻璃圓管導(dǎo)出，外套塑膠管密封。
【文檔編號(hào)】C12M1/107GK104178417SQ201310203153
【公開(kāi)日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2013年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月28日
【發(fā)明者】朱葛夫, 鄒然, 劉超翔 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所