[发明专利]一种嵌入式生物电解产氢和甲烷的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于废弃物、废水资源化能源化利用技术领域，具体涉及一种嵌入式生物电解产氢和甲烷装置，及其利用废弃物、废水厌氧氧化产生的能量产生氢气和甲烷的方法。

技术背景

工农业生产以及人民生活过程中，都会排放大量的含各种有机、无机还原性污染物的废弃物和废水。这些废弃物与废水中都蕴藏大量的以还原态物质形式的还原能，如来自自然界的纤维素、糖类、脂类、蛋白质、以及工业加工过程的石油、制药、化工、食品加工等排放的各类有机污染物、还包括氨氮、硫化物等无机污染物。

这些废弃物、废水中的还原能，仅有部分生物质废弃物以及高浓度有机废水通过发酵产甲烷等生物质能源的形式回收其中的还原能。但生物发酵产生的甲烷与CO₂的混合气体—沼气，由于能量密度低，热值一般在21000-28000KJ/m³，只能应用于民用的炊事、取暖、照明以及发电等部分领域。甲烷作为微生物发酵的主要产物，在发酵过程中由于微生物自身的能量需求与平衡，有机碳源中的部分碳以CO₂的形式释放出来。传统的生物发酵依据有机碳源的不同，其产生的沼气甲烷体积分数在50-70％之间，CO₂体积分数在30-50％之间。现有沼气提纯工艺包括加压水洗、变压吸附、化学吸收等，工艺不仅需增加额外的设备、而且费用较高(成本达0.18-0.7美元/m³甲烷)，提纯过程中还有2-10％的甲烷逸散到空气中造成能量损失，并加重温室效应(IEA Bioenergy，2009：1-19)。

除了甲烷发酵获取还原能的成熟技术外，绝大多数废弃物、废水主要通过终端处理手段，即通过好氧氧化为二氧化碳、水或无毒的氧化态物质。这些处理方法需要鼓风曝气、生物转盘等提供大量氧气作为电子受体，氧化废水中的还原性物质，供氧费用占到废水生物处理成本的一大半。

生物电化学系统可以通过微生物催化，分解废弃物、废水将电子传递给电极后， 通过产电、产氢、有机物合成等方式回收其中的还原能。近年来，生物电化学系统已经成为国际生物能源领域研究的热点。目前，在产电微生物、胞外电子传递、电池结构、电极材料等研究领域已获得重大进展，有机碳的电子回收率高达96.8％(AEM，2003，69，1548–1555)。生物电解池已经大量被研究者用来进行电辅助生物产氢研究，在阴极材料研究方面，在外加电势0.6V条件下，不锈钢阴极产氢可以达到1.7m³/m³.d(电流密度188A/m³)(Environ.Sci.Technol.2009,43,2179–2183)。在传统双室MEC产氢基础上，单室无膜MEC产氢研究也取得大的进展，在外加电势0.8V条件下，单室无膜MEC产氢速率达到3.12m³/m³.d(电流密度达到292A/m³)，电子回收率已达到98％(Environ.Sci.Technol.2008,42,3401–3406)。利用钛/钌合金的网板电极用于剩余活性污泥生物电解，在1.4和1.8V的外加电势下，氢和甲烷的产率比未加电势的厌氧发酵分别高出1.7-5.2倍、11.4-13.6倍(International Journal of Hydrogen Energy，2013,38,1342-1347)。目前，有关生物电解产氢的研究大多是在数毫升—数百毫升的规模上进行的。

利用生物阴极的生物电化学系统还原二氧化碳来生产甲烷的研究已有报道(WO2009/155587A2)。该方法使用生物阴极作为催化剂，无需氢气及有机物的添加便可以合成甲烷。在生物阴极混合菌能够通过电极与微生物间的直接和间接电子传递同时合成甲烷、乙酸(AEM，2013,78,8412-8420，International Journal of Hydrogen Energy，2013，38-3497-3502)。至今，这些生物电合成的研究目前还停留在实验室水平。主要原因在于生物电合成系统基于传统的双室生物电解池的基本结构，尽管近年来在电池结构优化、离子交换膜、载铂电极催化等领域取得大的进展，但由于受制于材料成本、反应器结构强度、膜的气体渗透缺陷、能量转化效率等瓶颈。无论是MFC还是以MEC为基础的生物电合成系统难于放大和规模化应用。

发明内容