[发明专利]基于沼气循环式发酵的沼气降碳耦合沼液减污装置及方法

说明书

本发明提供基于沼气循环式发酵的沼气降碳耦合沼液减污装置及方法，属于环境和能源技术领域。该装置包括电发酵单元、固液分离单元、水热碳化单元和产物收集单元，电发酵单元包括电发酵槽、阴极室、阳极室、阳离子交换膜、直流恒压电源；该装置将嗜氢产甲烷菌的生物转化和电化学阴极还原耦合，将沼气循环至厌氧消化室，进行原位沼气生物提纯，在阴极还原CO₂产生甲烷的同时在阳极室去除沼液中的氨氮和COD，合理利用了电子转移和守恒规律；沼液减污后可用于灌溉，也可被沼渣生物炭吸附沼液残留的污染物而得到进一步净化；沼渣可制成水热炭回用于厌氧消化或作为吸附剂，从而实现沼液、沼渣、沼气的综合利用和CO₂减排的目的。

技术领域

本发明涉及环境和能源技术领域，特别是指一种基于沼气循环式发酵的沼气降碳耦合沼液减污装置及方法。

背景技术

CO₂催化还原的相关技术被不断开发，包括光催化、电催化和热化学还原。有机废物厌氧发酵产生的沼气中，甲烷含量占55～65％，CO₂含量占35～45％；厌氧发酵后的沼液属高浓度有机废液，成分复杂，可生化性较差，采用常规的生化处理方法其处理效果差，近年来电化学技术由于条件可控，无二次污染，设备简单，已成为处理难降解、高浓度有机物的研究热点。

由外源供氢的沼气生物提纯方式有原位和异位两种，其中，原位提纯是指沼气产生和提纯在同一厌氧反应器中进行，即直接将H ₂通入厌氧消化系统，使其与沼气中的CO₂反应，从而得到CH₄浓度较高的气体；原位提纯操作简单，无需培养特定菌种与另建反应器，但外源供氢的原位提纯方式，由于氢的溶解度很低，H₂的传质效率低，且沼气中不参与反应的CH₄气体进一步影响H₂的传质效率，因此，要将原位提纯技术真正应用于工业生产还需进一步考察外源H₂不规律通入对微生物结构、甲烷产量和尾气组成的影响和反应器抗冲击能力等问题，特别是H₂气液传质的强化问题。

电催化还原技术反应方向及产物可控，灵活多变，可与其他反应同步，具有良好应用前景。将电解制氢过程中产生的活性氢用于原位生物提纯，可即时生成活性氢并即时消耗，避开了H₂气液传质的难点，原位提纯效率可发挥到最大程度。

基于上述背景，本发明在沼气循环式厌氧发酵过程中，将嗜氢产甲烷菌的生物转化和电化学阴极还原耦合，提高CO₂转化为甲烷的效率，并同步利用阳极氧化降解沼液中的有机物，降低氨氮和COD含量，减污后的沼液可用于灌溉，也可被沼渣生物炭吸附残留的污染物而得到进一步净化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于沼气循环式发酵的沼气降碳耦合沼液减污装置及方法，该装置合理利用电子转移和守恒规律，可在阳极室处理沼液的同时阴极室还原CO₂产生甲烷，从而实现沼液减污脱氮、沼气原位提纯和CO₂减排的目的。

该装置包括电发酵单元、固液分离单元、水热碳化单元和产物收集单元，

其中，电发酵单元包括电发酵槽、阴极室(兼做厌氧消化室)、阳极室、阳离子交换膜、直流恒压电源，固液分离单元中设有机械脱水装置，水热碳化单元中设有水热反应釜，产物收集单元包括水热炭储槽、处理后液体储槽和提纯后沼气储槽；

阴极室设有阴极、液封进料口、沼气进气口、带孔布气管、沼气排气口、发酵残余物排出口；阳极室设有阳极、沼液进液口、带孔布液管、处理后液体排出口；

电发酵槽底部设置带孔支撑板，电发酵槽内设置阴极室和阳极室，阴极室和阳极室由阳离子交换膜分隔；