專利名稱：利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵的水解酸化相產(chǎn)電的裝置及其產(chǎn)電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微生物產(chǎn)電領(lǐng)域，具體涉及利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵的水解酸化相
產(chǎn)電的裝置及其產(chǎn)電方法。
背景技術(shù)：
我國是世界上生物質(zhì)資源極為豐富的大國，年產(chǎn)農(nóng)作物秸稈在7億噸以上，畜禽 糞便(干物質(zhì))約為1.4億噸。隨著以沼氣為紐帶的生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)不斷的深入開展，對以厭 氧消化降解畜禽糞便、農(nóng)業(yè)廢棄物等生物質(zhì)資源回收沼氣、氫氣等能源，同時降低對環(huán)境的 污染、改善生態(tài)環(huán)境的應(yīng)用技術(shù)的要求也不斷提高。目前，兩相發(fā)酵工藝在處理畜禽糞便產(chǎn) 沼氣過程中具有更強的應(yīng)用性，通過整個發(fā)酵過程產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相兩階段生物相的分離 可有效提高產(chǎn)氣率和工藝運行的穩(wěn)定性，產(chǎn)酸相是決定整個發(fā)酵過程效率的限速階段，牛 糞等復(fù)雜有機物進(jìn)入產(chǎn)酸發(fā)酵階段反應(yīng)器時首先是通過胞外水解酶作用轉(zhuǎn)化為可溶性有 機物，然后在產(chǎn)酸菌作用下產(chǎn)生揮發(fā)性有機酸。而利用兩相發(fā)酵處理牛糞同時產(chǎn)電卻未見 報道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為牛糞應(yīng)用提供一種新途徑；而提供了提供利用牛糞進(jìn) 行兩相沼氣發(fā)酵的水解酸化相產(chǎn)電的裝置及其產(chǎn)電方法。本發(fā)明在處理牛糞進(jìn)行水解酸化 的同時可進(jìn)行微生物產(chǎn)電，實現(xiàn)了將水解酸化過程同微生物產(chǎn)電作用相耦合，對于整個發(fā) 酵工藝除可獲得CH4清潔能源還可獲得穩(wěn)定的電能輸出。 本發(fā)明中利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵的水解酸化相產(chǎn)電的裝置由陽極、陰極、參
比電極、破殼攪拌器、陽極室、陰極室、隔膜、陽極進(jìn)料n、陽極出液口、陰極進(jìn)口、陰極出口、
排氣孔、氣封和外接電阻構(gòu)成；所述陽極室和陰極室用隔膜分開，陽極室內(nèi)設(shè)置有陽極、參
比電極和破殼攪拌器，破殼攪拌器的上端通過氣封固定于陽極室的頂蓋上，陽極進(jìn)料口位 于陽極室底部，陽極室的側(cè)壁上部開有一個陽極出液口，排氣孔位于陽極室的頂蓋上且排 氣孔的進(jìn)氣口與陽極室的出氣口連通，陰極室內(nèi)設(shè)置有陰極，陽極與陰極通過導(dǎo)線和外接 電阻連接，陰極室的側(cè)壁靠近底壁處有一陰極出口 ，陰極進(jìn)口位于陰極室的頂壁上。 本發(fā)明中利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵的水解酸化相的產(chǎn)電方法是通過下述步驟 實現(xiàn)的一、將采集回來新鮮牛糞于室溫兼厭氧條件避光堆放8 10天，過濾；二、將經(jīng)步驟一處理的牛糞加水調(diào)節(jié)總固量為6% 10% (以重量計)，然后加入穩(wěn)定產(chǎn)沼氣的完全混
合型發(fā)酵的沼氣池中沼液和碳水化合物，再用磷酸緩沖液調(diào)節(jié)ra值在6. 5 7. 0得到混
合物料，其中，所述穩(wěn)定產(chǎn)沼氣的完全混合型發(fā)酵的沼氣池中沼液用量是混合物料重量的 20% 30%，碳水化合物的加入量是混合物料重量的0. 01% 0. 02% ;三、將混合物料通入陽 極室內(nèi)，然后向陽極室內(nèi)通入高純氮氣使陽極室氧化還原電位低于-150mV，同時向陰極室 內(nèi)加入質(zhì)量濃度為0. 5%的高錳酸鉀溶液使陰極室的ra值在3 3. 5 ;四、然后用導(dǎo)線將陰 極、陽極和外接電阻相連，35°C條件下啟動運行，即刻有電流輸出，48h后電流穩(wěn)定輸出，即 實現(xiàn)了利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵的水解酸化產(chǎn)電；其中步驟四中每間隔三個月更換陽極 室內(nèi)混合物料。 本發(fā)明利用牛糞進(jìn)行兩相沼發(fā)酵的水解酸化相在降解牛糞為產(chǎn)甲烷相提供產(chǎn)甲
烷菌能直接利用的揮發(fā)性有機酸的同時能夠穩(wěn)定產(chǎn)電，實現(xiàn)了牛糞厭氧消化產(chǎn)沼氣過程同
微生物燃料電池(MFC)的耦合。牛糞中所含的纖維等難降解物質(zhì)在陽極反應(yīng)室內(nèi)得到有效
降解，且整個發(fā)酵過程不會產(chǎn)生任何臭味的氣體，其研究結(jié)果可為將來新型、高效兩相厭氧
發(fā)酵工藝提供有價值的理論參考；本發(fā)明反應(yīng)裝置設(shè)計符合牛糞特有發(fā)酵性質(zhì)，結(jié)構(gòu)簡單，
便于操作，并可獲得穩(wěn)定電能的轉(zhuǎn)化，具有很好的開發(fā)應(yīng)用前景。本發(fā)明裝置和方法為牛糞
應(yīng)用提供一種新途徑。本發(fā)明方法的最大輸出功率可達(dá)264mW/m 其輸出電壓穩(wěn)定在416
456mV之間。


圖1為利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵的水解酸化相產(chǎn)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是利用牛 糞兩相發(fā)酵產(chǎn)沼氣水解酸化相MFC極化曲線圖，圖中A表示電壓，O表示功率密度；圖3是 960h電壓輸出變化圖；圖4是960h連續(xù)運行產(chǎn)電及反應(yīng)體系Wl值變化情況圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一 結(jié)合圖1進(jìn)行說明，本實施方式中利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵 的水解酸化相產(chǎn)電的裝置，它由陽極1 、陰極2 、參比電極3 、破殼攪拌器4、陽極室5 、陰極室 6、隔膜7、陽極進(jìn)料口 8、陽極出液口 9、陰極進(jìn)口 10、陰極出口 11、排氣孔12、氣封13和外 接電阻14構(gòu)成；其特征在于所述陽極室5和陰極室6通過隔膜7分開，陽極室5內(nèi)設(shè)置有 陽極1、參比電極3和破殼攪拌器4，破殼攪拌器4的上端通過氣封13固定陽極室5的頂蓋 上，陽極進(jìn)料口 8位于陽極室5底部，陽極室5的側(cè)壁上部開有一個陽極出液口 9，排氣孔 12位于陽極室5的頂蓋上且排氣孔12的進(jìn)氣口與陽極室5的出氣口連通，陰極室6內(nèi)設(shè)置 有陰極2，陽極1與陰極2通過導(dǎo)線與外接電阻14連接，陰極室6的側(cè)壁靠近底壁處有一陰 極出口 ll，陰極進(jìn)口 10位于陰極室6的頂壁上。
本實施方式所述裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于操作。在陽極室5內(nèi)還設(shè)置有ra酸度計15、
取樣口 16。本實施方式所述裝置可安裝2個陽極1，這兩個陽極1安裝破殼攪拌器4兩邊， 呈軸對稱放置，以獲得更多的電量。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是所述陽極1材料為
碳?xì)只蚴及?。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是所述陰極2材料 為碳?xì)只蚴及?。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是所述參比電 極3為氯化銀電極。其它與具體實施方式
一至三之一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是隔膜7為 Nafionl17陽離子交換膜。其它與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是破殼攪拌器 4的攪拌槳是雙層結(jié)構(gòu)。其它與具體實施方式
一至五之一相同。 本實施方式所述破殼攪拌器分為上、下雙層攪拌，具有將體系發(fā)酵菌群與物料接 觸均勻作用，同時可將牛糞發(fā)酵過程沉降的纖維素分散及打破浮在液面上的牛糞發(fā)酵形成 的浮殼層。在后期穩(wěn)定產(chǎn)電過程中，根據(jù)陽極反應(yīng)室內(nèi)牛糞發(fā)酵狀況適時使用破殼攪拌器 進(jìn)行破殼攪拌。
具體實施方式
七本實施方式中利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵的水解酸化相的產(chǎn)電 方法是通過下述步驟實現(xiàn)的一、將采集回來新鮮牛糞于室溫兼厭氧條件避光堆放8 10 天，過濾(目的是為了去除沙粒及大顆粒雜質(zhì))；二、將經(jīng)步驟一處理的牛糞加水調(diào)節(jié)總固量 (TS90為6% 10%(以重量計)，然后加入穩(wěn)定產(chǎn)沼氣的完全混合型發(fā)酵的沼氣池中沼液(經(jīng) 檢測富含產(chǎn)甲烷菌群和產(chǎn)電菌群)和碳水化合物，再用磷酸緩沖液調(diào)節(jié)Kl值在6. 5 7. 0得 到混合物料，其中，所述穩(wěn)定產(chǎn)沼氣的完全混合型發(fā)酵的沼氣池中沼液用量是混合物料重 量的20% 30%，碳水化合物的加入量是混合物料重量的0. 01% 0. 02% ;三、將混合物料通 入陽極室5內(nèi)，然后向陽極室5內(nèi)通入高純氮氣使陽極室氧化還原電位(0RP)低于-150mV (至少通入高純氮氣20min)，同時向陰極室6內(nèi)加入質(zhì)量濃度為0. 5%的高錳酸鉀溶液使陰 極室的ra值在3 3. 5 ;四、然后用導(dǎo)線將陰極2、陽極1和外接電阻14相連，35t:條件下 啟動運行，即刻有電流輸出，48h后電流穩(wěn)定輸出，即實現(xiàn)了利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵的 水解酸化產(chǎn)電；其中步驟四中每間隔三個月更換陽極室內(nèi)混合物料。
本實施方式中所用的高純氮氣中氧氣的體積濃度《2ppm。 待穩(wěn)定產(chǎn)電，將陽、陰極與外接電阻連接斷開，和外電路連接，輸出的電能可以用 作反應(yīng)器運行，或輸入電網(wǎng)。 本實施方式方法的最大輸出功率可達(dá)264mW/m 其輸出電壓一直穩(wěn)定在416 456mV之間，pH值變化在6. 35 7. 16。 具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
七不同的是步驟一所述新鮮牛糞 為含纖維素類物質(zhì)且未經(jīng)任何處理的新鮮牛糞便(即農(nóng)村或養(yǎng)殖場飼養(yǎng)的，以秸稈為食或 含一定纖維素類物質(zhì)為食的牛的排泄物)。其它步驟和參數(shù)與具體實施方式
七相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
七或八不同的是步驟二所述的碳 水化合物為葡萄糖或蔗糖。其它步驟和參數(shù)與具體實施方式
七或八相同。
所述的碳水化合物可用富含糖類的其他剌激底物替代，如酵母膏、乳酸鈉等。
具體實施方式
十本實施方式宇具體實施方式
七至九之一不同的是步驟二中將 經(jīng)步驟一處理的牛糞加水調(diào)節(jié)總固量(TS90為896 (以重量計)。其它步驟和參數(shù)與具體實 施方式七至九之一相同。 具體實施方式
十一 本實施方式中利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵的水解酸化相的產(chǎn)
5電方法是通過下述步驟實現(xiàn)的一、將采集回來新鮮牛糞于室溫兼厭氧條件避光堆放8
IO天，過濾；二、將經(jīng)步驟一處理的牛糞加水調(diào)節(jié)總固量(TS90為6% 10% (以重量計)，
然后加入穩(wěn)定產(chǎn)沼氣的完全混合型發(fā)酵的沼氣池中沼液(經(jīng)檢測富含產(chǎn)甲烷菌群和產(chǎn)電菌
群)和葡萄糖，再用磷酸緩沖液調(diào)節(jié)ra值在6. 5 7. 0得到混合物料，其中，所述穩(wěn)定產(chǎn)沼 氣的完全混合型發(fā)酵的沼氣池中沼液用量是混合物料重量的25%，葡萄糖的加入量是混合 物料重量的2 0. 02% ;三、將混合物料通入陽極室5內(nèi)，然后向陽極室5內(nèi)通入高純氮氣 使陽極室氧化還原電位(ORP)低于_150mV (至少通入高純氮氣20min)，同時向陰極室6內(nèi) 加入質(zhì)量濃度為0. 5%的高錳酸鉀溶液使陰極室的ra值在3 3. 5 ;四、然后用導(dǎo)線將陰極 2、陽極1和外接電阻14相連，35t:條件下啟動運行，即刻有電流輸出，48h后電流穩(wěn)定輸出， 即實現(xiàn)了利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵的水解酸化產(chǎn)電；其中步驟四中每間隔三個月更換陽 極室內(nèi)混合物料。 本實施方式產(chǎn)電作用和牛糞酸化程度分析應(yīng)用電壓在線數(shù)據(jù)采集器、發(fā)酵周期pH 值變化、脂肪酸分析等手段進(jìn)行驗證，結(jié)構(gòu)如圖2-4所示；由圖2可知，本實施方式方法的最 大輸出功率可達(dá)264mW/m3 ;由圖3可知，輸出電壓一直穩(wěn)定在416 456mV之間，由圖4可 知，pH值變化在6. 35 7. 16。
權(quán)利要求
一種利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵的水解酸化相產(chǎn)電的裝置，它由陽極(1)、陰極(2)、參比電極(3)、破殼攪拌器(4)、陽極室(5)、陰極室(6)、隔膜(7)、陽極進(jìn)料口(8)、陽極出液口(9)、陰極進(jìn)口(10)、陰極出口(11)、排氣孔(12)、氣封(13)和外接電阻(14)構(gòu)成；其特征在于所述陽極室(5)和陰極室(6)用隔膜(7)分開，陽極室(5)內(nèi)設(shè)置有陽極(1)、參比電極(3)和破殼攪拌器(4)，破殼攪拌器(4)的上端通過氣封(13)固定于陽極室(5)的頂蓋上，陽極進(jìn)料口(8)位于陽極室(5)底部，陽極室(5)的側(cè)壁上部開有一個陽極出液口(9)，排氣孔(12)位于陽極室(5)的頂蓋上且排氣孔(12)的進(jìn)氣口與陽極室(5)的出氣口連通，陰極室(6)內(nèi)設(shè)置有陰極(2)，陽極(1)與陰極(2)通過導(dǎo)線和外接電阻(14)連接，陰極室(6)的側(cè)壁靠近底壁處有一陰極出口(11)，陰極進(jìn)口(10)位于陰極室(6)的頂壁上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵的水解酸化相產(chǎn)電的裝置，其特 征在于所述陽極(l)材料為碳?xì)只蚴及簟?br> 3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵的水解酸化相產(chǎn)電的裝置， 其特征在于所述陰極(2)材料為碳?xì)只蚴及簟?br> 4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵的水解酸化相產(chǎn)電的裝置，其特 征在于所述參比電極(3)為氯化銀電極。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵的水解酸化相產(chǎn)電的裝 置，其特征在于所述隔膜(7)為Nafion117陽離子交換膜。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵的水解酸化相產(chǎn)電的裝置，其特 征在于破殼攪拌器(4)的攪拌槳是雙層結(jié)構(gòu)。
7. 采用權(quán)利要求1所述利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵的水解酸化相產(chǎn)電的裝置的產(chǎn)電 方法，其特征在于利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵的水解酸化相產(chǎn)電的裝置的產(chǎn)電方法是通過 下述步驟實現(xiàn)的一、將采集回來新鮮牛糞于室溫兼厭氧條件避光堆放8 10天，過濾； 二、將經(jīng)步驟一處理的牛糞加水調(diào)節(jié)總固量為6% 10% (以重量計)，然后加入穩(wěn)定產(chǎn)沼氣 的完全混合型發(fā)酵的沼氣池中沼液和碳水化合物，再用磷酸緩沖液調(diào)節(jié)PH值在6. 5 7. 0 得到混合物料，其中，所述穩(wěn)定產(chǎn)沼氣的完全混合型發(fā)酵的沼氣池中沼液用量是混合物料 重量的20% 30%，碳水化合物的加入量是混合物料重量的0. 01% 0. 02% ;三、將混合物料 通入陽極室(5)內(nèi)，然后向陽極室(5)內(nèi)通入高純氮氣使陽極室氧化還原電位低于-150mV， 同時向陰極室(6)內(nèi)加入質(zhì)量濃度為0. 5%的高錳酸鉀溶液使陰極室的ra值在3 3. 5 ; 四、然后用導(dǎo)線將陰極(2)、陽極(l)和外接電阻(14)相連，35t:條件下啟動運行，即刻有電 流輸出，48h后電流穩(wěn)定輸出，即實現(xiàn)了利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵的水解酸化產(chǎn)電；其中 步驟四中每間隔三個月更換陽極室內(nèi)混合物料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵的水解酸化相的產(chǎn)電方法，其特征 在于步驟一所述新鮮牛糞為含纖維素類物質(zhì)且未經(jīng)任何處理的新鮮牛糞便。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵的水解酸化相的產(chǎn)電方法，其 特征在于步驟二所述的碳水化合物為葡萄糖或蔗糖。
全文摘要
利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵的水解酸化相產(chǎn)電的裝置及其產(chǎn)電方法，它屬于微生物產(chǎn)電領(lǐng)域。本發(fā)明為牛糞應(yīng)用提供一種新途徑。本發(fā)明裝置的陽極室和陰極室通過隔膜分開。本發(fā)明方法如下一、新鮮牛糞于室溫兼厭氧條件避光堆放，過濾；二、配制混合物料；三、裝料；四、啟動運行，48h后電流穩(wěn)定輸出，即實現(xiàn)了利用牛糞進(jìn)行兩相沼氣發(fā)酵的水解酸化產(chǎn)電。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，方法獲得電能穩(wěn)定，最大輸出功率可達(dá)264mW/M3，輸出電壓穩(wěn)定在416～456mV；為牛糞應(yīng)用提供一種新途徑。
文檔編號H01M8/16GK101786781SQ201010127970
公開日2010年7月28日 申請日期2010年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月19日
發(fā)明者呂曉磊, 張國棟, 楊基先, 王哲, 趙光, 馬放, 魏利 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)