复合式生物产能系统技术方案

本发明专利技术要求保护一种复合式生物产能系统，应用于该系统的反应工艺包括以下步骤：a)将底物注入产电池；b)由厌氧呼吸菌群和产电菌群放出的电子传递到阳极；c)被初步处理的底物通过出水管(4)通入产甲烷池；d)由专性厌氧菌生成甲烷；e)沼气通过出气管(9)通入提纯系统(11)脱硫后分离CO2和CH4；f)CO2通过供气管(12)通入产电池来养藻；g)沼液通过出水管(10)通入产电池来养藻和养菌；h)在阴极上挂有的付着性藻类和硝酸还原菌分别通过光合作用生成氧和促进阴极反应；i)阴极和阳极通过由导线和电阻构成的外电路串联形成闭回路(8)，同步产电能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无需依赖燃料和动力机理，只使用在自然环境下普遍存在的自然资源，使微生物将它们之间蕴含的热力学的潜力转化为能量的领域，更具体涉及一种利用藻菌协同生态系统偶联完成同步产电和产甲烷的生物反应器装置与其工艺。
技术介绍
甲烷发酵系统已经广泛实用于处理各种有机废物，其优点在于：a.适于处理具有高含水率的物料；b.无论有机物是何种类的，都能够将其降解并转化为以CH4和CO2为主要成分的气体；c.是一种能量净产出过程，可产出热值较高的CH4的纯燃气替代常规天然气，特别适于分散型利用；d.沼渣所含有的磷和氮等肥料成分可用于农地。现有的甲烷发酵技术所面临的课题在于：a.需要氧化分解的高分子的化学需氧量(COD)的分解率约为40-50％，比生化需氧量(BOD)的生物降解率80-90％明显要低；b.CO2占总沼气量的35-50％，在化学燃烧的过程当中排放到大气里，会引起温室效应；c.在来自含氮化合物降解的自由态氨(NH3)和铵离子(NH4+)过多的情况下，会对发酵起抑制作用；d.未分解的COD和含氮化合物均需要另行处理。一般而言，利用沼气作为燃料产电时，必然依靠卡诺定律，但其热损失不少，发电效率为30-33％。另外，由于沼气中所含有的CO2占总沼气的35-50％，沼气的燃烧需要使用专业的机器，因而使造价变高。无需使用发电机，从甲烷发酵系统直接产电的优点可分为两点：第一点是可任意选择能源载体，第二点是减少热损失。与燃料的热化学的利用相比电能的质量很高(燃料的燃烧对电能＝((3/2)RT＝3.7kJmol－1对1V＝96.5kJmol－1)，合适于长距离输送。除此以外，从废物处理的观点来看，如果为我国普遍存在的出现水体污染的湖泊太湖、滇池等提供净水处理业务，要移送大量的只含有低浓度有机物的污水需要消耗高能量，不适合实际应用。但是如果可以在原来的位置进行处理，一方面产能，另一方面得到净水效果，从而可大幅度降低项目成本。生物质能是指利用生物代谢作用，使得在自然界散乱的能量转换为熵量高且人们可利用的形式。在这一过程当中两类流程应该值得关注；一类是随着碳循环的进行而出现的氮循环流，另一类是按照热力学定律出现的电子流。甲烷发酵采用的基本工作原理就是一种不同生理类菌群之间形成的种间电子传递系统。为了产甲烷，产甲烷菌所要求的还原力起源于由其他厌氧微生物在降解有机物的过程中放出的电子，是由质子作为载体接受的。虽然多种电子源通过各种微生物群代谢作用转换为CH4和CO2看起来复杂，该生物过程的特征在于只有产甲烷菌利用具标准氧化还原电位(ORP)较低的CO2作为终端电子受体，能够使物料所携带的能量更多地保存。该连锁反应根据热力学定律进行，在厌氧环境下，具ORP较高的电子受体被还原得更快，即与产电作用有密切关系的Fe3+，NO3－，SO4－的还原比CO2的还原先进行。另一方面，有些微生物在厌氧环境下将纤维素进行氧化来水解，在这一呼吸链过程放出的电子可传递到电极，只有通过不断排出电子才能驱动三羧酸循环(TCA)回路。但是这些微生物排出的电子，结合质子形成氢，提高氢分压抑制其生理代谢，反之，使在水解过程中排出的电子传递到电极，起加快驱动TCA回路的作用。现有的厌氧发酵过程后排放的沼液还含有约3000-5000mg/L以上的COD，说明该生物反应的COD除去率(平均为55％)明显低于BOD除去率(平均为90％)。这些难生物降解的有机物实际上意味着相对于理论需氧量(ThOD)来说BOD的比例较低的有机物，例如上述纤维素相对于ThOD的比为7％，这一过程成为整个反应上的限速步骤。现有厌氧发酵从根本上在工艺工程方面存在的课题为：虽然厌氧菌呼吸链的电子找到受体的反应速度很快，可在短短時间内完成，但是通过CO2的6电子还原生成CH4的速度很慢。另外，只有在还原其他ORP较高的电子受体后，才能够开始进行甲烷生成反应。两相反应本来应该被各自独立划分，由于其反应時间有显著差距，但是现有的单用厌氧发酵装置通过增长水力滞留期(HRT)，使反应器容积确保冗长性来覆盖这一差距。对于微生物燃料电池(MFC)，一般而论，现有MFC的电输出率远低于理论上的库仑值。这主要原因之一是由于产电微生物群将电子可直接传递的受体限定为具一定ORP的铁，很多还原力被其他微生物群本身或在其代谢过程中出现的多种电子受体无效消耗。对于参与阳极反应的产电微生物而论，其基因表达机理或传递电子机理等已得到不少的认知。但是在污水或垃圾处理领域，进入的基质没有被限制，无论是筛选培养有益微生物，还是由人工培养不同微生物群协同的组织，都不可能。仅为了追求提高电输率，需要将阳极，阴极和隔膜相结合形成三层结构，并且缩短各部分之间的距离，但是这一工艺成本较高，不适合将其大型化。另一方面，在阴极上进行的还原反应比阳极反应更容易得到工艺工学上的改善效果，因为阴极反应往往是电输出的限速步骤。在阴极上反应的主要电子受体大致区分为两类：一类是氧，另一类是其他受体，其中包括HCO3－和SO42－。利用氧作为电子受体时，反应产物只有水，具有能排放到环境中等优点。其反应机理以4H++O2+4e－→2H2O为表示，就意味着该反应的限速因素为H+和O2的供给以及传递到阴极的移动速度。现有的MFC需要面对随着阴极反应的进行而引起pH上升的问题，不管有没有隔膜，基于浓度梯度机理H+的自然移动会受到限制。本专利技术从热力学的角度来看，将现有的厌氧发酵反应独立划分为前后相连的两个阶段；第一个阶段包括由厌氧呼吸菌将聚合物的共价键断开且还原ORP较高的电子受体，第二个阶段由专性厌氧菌生成甲烷。两种微生物群对环境条件如氧分压等要求不同，但是现有的厌氧发酵装置的设计要件只满足专性厌氧菌的生长要求，如维持消化罐内的ORP－律为-330mV以下。除此以外，在现有消化罐内，地杆菌(Geobacter)属或希瓦氏菌(Shewanella)属菌等铁还原菌及肠杆菌(Enterobacter)属菌等纤维素降解菌产生的除氢以外的还原力都被无效消耗。本专利技术着眼于开发有效地利用这些微生物产生能量，并同时寻求处理难降解的有机物的途径。
技术实现思路
本专利技术属于无需依赖燃料和动力机理，只使用普遍存在的自然资源，使微生物将它们之间蕴含的热力学的潜力转化为能量的领域，更具体涉及一种利用藻菌协同生态系统偶联完成同步产电和产甲烷的生物反应器装置及其工艺。所述构筑物主要由开放式单室产电池和(2)和密封式产甲烷池(3)两个部分构成并相连接，产电池垂直区分为在水面透光的好氧区与在底面不可透光的缺氧区，分别设置阴极(6)和阳极(7)。步骤是：a)将底物注入产电池；b)由厌氧呼吸菌群和产电菌群放出的电子传递到阳极；c)被初步处理的底物通过出水管(4)通入产甲烷池；d)由专性厌氧菌生成甲烷；e)沼气通过出气管(9)通入提纯系统(11)脱硫后分离CO2和CH4；f)CO2通过供气管(12)通入产电池来养藻；g)沼液通过出水管(10)通入产电池来养藻和养菌；h)在阴极上挂有的付着性藻类和硝酸还原菌分别通过光合作用生成氧和促进阴极反应；i)阴极和阳极通过由导线和电阻构成的外电路串联形成闭回路(8)，同步产电能。本专利技术的一种生物反应器(1)，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物反应器(1)，其特征在于，由开放式单室产电池(2)和密封式产甲烷池(3)两个部分构成，所述产电池和产甲烷池通过由产电池将底物通入产甲烷池的底物出水管(4)相连结。

【技术特征摘要】
1.一种生物反应器(1)，其特征在于，由开放式单室产电池(2)和密封式产甲烷池(3)两个部分构成，所述产电池和产甲烷池通过由产电池将底物通入产甲烷池的底物出水管(4)相连结。2.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述产电池和产甲烷池还通过由产甲烷池将沼液通入产电池的沼液出水管(10)相连接。3.根据权利要求1或2所述的生物反应器，其特征在于，所述产电池具有可分为在水面(5)的透光且好氧区和在底部的不可透光且缺氧区的垂直深度；所述产电池在水面和底部分别设置阴极(6)和阳极(7)；所述阴极和阳极由导线和电阻构成的外电路串联。4.根据权利要求1-3中任一项所述的生物反应器，其特征在于，所述产电池和产甲烷池通过沼气供气管(9)、甲烷提纯系统(11)和CO2供气管(12)串联。5.根据权利要求1－4中任一项所述的生物反应器，其特征在于，所述阳极上挂有厌氧呼吸菌群和产电菌群；所述阴极上挂有付着性藻类和硝酸还原菌群。6.根据权利要求1—5中任一项所述的生物反应器，其特征在于，所述产电池的外壁具绝缘性；所述产电池接受含有可生物降解的底物的液体；所述产电池的上方设置具透光性的覆盖物；所述阴极上部一部分暴露在空气中一部分暴露在水中，所述阴极下部暴露在水中并被绝缘体覆盖；所述不被绝缘体覆盖的阴...

【专利技术属性】
技术研发人员：野田寿一郎，岸本直之，
申请(专利权)人：律禾能源科技上海有限公司，绿合能源有限公司，株日本绿合能源，
类型：发明
国别省市：上海;31