一种用于强化厌氧消化的MEC反应系统

摘要

本发明涉及一种用于强化厌氧消化的MEC反应系统，包括反应器模组以及设于反应器模组中的多层生物阳极板与多层生物阴极板；还包括自动化控制电源，其正负极分别连接设有阳极区导线和阴极区导线，阳极区导线与生物阳极板电连接，阴极区导线与生物阴极板电连接；生物阳极板和生物阴极板分别在生物阳极板驯化区、生物阴极板驯化区完成挂膜驯化；厌氧消化反应区中基于置入完成挂膜驯化的生物阳极板和生物阴极板实现厌氧消化的强化。与现有技术相比，本发明满足了MEC反应器智能化、高效化、扩大化的需求，可有效提升MEC反应器强化厌氧消化的能力和效率，并可用于高浓度、复杂有机废弃物厌氧消化性能的提升。

权利要求

1.一种用于强化厌氧消化的MEC反应系统，其特征在于，包括反应器模组以及设于所述反应器模组中的多层生物阳极板（2）与多层生物阴极板（3）；

还包括自动化控制电源（1），所述自动化控制电源（1）的正负极分别连接设有阳极区导线和阴极区导线，所述阳极区导线与生物阳极板（2）电连接，所述阴极区导线与生物阴极板（3）电连接；

所述反应器模组包括生物阳极板驯化区、生物阴极板驯化区和厌氧消化反应区；

所述生物阳极板和生物阴极板分别在生物阳极板驯化区、生物阴极板驯化区完成挂膜驯化；

所述厌氧消化反应区中基于置入完成挂膜驯化的生物阳极板和生物阴极板实现厌氧消化的强化；

所述自动化控制电源（1）包括电流传感器和可编程直流电源，所述电流传感器实时获取可编程直流电源的输出电流值，并将电流值实时反馈至可编程直流电源；

所述强化厌氧消化的MEC反应系统在运行过程中：先将驯化好的生物阳极板（2）和生物阴极板（3）根据不同个数配比在垂向上按顺序布置在厌氧消化反应区内，再对应连接阳极区导线和阴极区导线，接入自动化控制电源（1）；

所述强化厌氧消化的MEC反应系统在运行过程中，系统进料后，自动化控制电源（1）开启，电流传感器监控系统电流变化，待系统电流稳定且处于1 mA   200 mA 范围内，视为系~统稳定运行；

所述生物阳极板（2）与生物阴极板（3）均为中空环状板；

所述中空环状板环宽度与环的外径比为（0.1   0.6）：1，中空环状板环厚度为1 cm   ~ ~

10 cm。

2.根据权利要求1所述的一种用于强化厌氧消化的MEC反应系统，其特征在于，所述生物阳极板（2）和生物阴极板（3）的设置数量均大于或等于两个，所述生物阳极板（2）与生物阴极板（3）的设置数量之比为（0.2   5）：1。

~

3.根据权利要求1所述的一种用于强化厌氧消化的MEC反应系统，其特征在于，所述生物阳极板（2）在生物阳极板驯化区进行挂膜驯化时，阳极电势为0.1 V   1.0 V，驯化时间~

10 d   30 d；

~

所述生物阴极板（3）在生物阴极板驯化区进行挂膜驯化，阴极电势为 ‑0.1 V   ‑0.8 ~V，驯化时间15 d   40 d。

~

4.根据权利要求1所述的一种用于强化厌氧消化的MEC反应系统，其特征在于，所述阳极区导线和阴极区导线均设有多个分接线，分别为阳极区分接线和阴极区分接线；

多个生物阳极板（2）分别与阳极区分接线，每个生物阳极板（2）连接一根阳极区分接线，或对称连接两根阳极区分接线，或在生物阳极板（2）四周均匀分布式连接四根阳极区分接线；

每个生物阴极板（3）分别与阴极区分接线，每个生物阴极板（3）连接一根阴极区分接线，或对称连接两根阴极区分接线，或在生物阴极板（3）四周均匀分布式连接四根阴极区分接线。

5.根据权利要求1所述的一种用于强化厌氧消化的MEC反应系统，其特征在于，所述系统进料方式为批次进料、半连续、连续式进料中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种用于强化厌氧消化的MEC反应系统，其特征在于，所述厌氧消化反应区温度为25 ℃   65 ℃，搅拌速度为60 rpm   150 rpm，停留时间为5 d   30 ~ ~ ~d。

说明书

一种用于强化厌氧消化的MEC反应系统

技术领域

[0001] 本发明涉及环境保护与资源回收领域，尤其是涉及一种用于强化厌氧消化的MEC反应系统。

背景技术

[0002] 在污水和有机废弃物处理领域，减污降碳协同增效、加强资源能源回收是实现碳减排乃至负碳排放的关键环节。厌氧消化技术是污水、污泥及多种有机废弃物处理中广泛应用的生物处理绿色技术，能在完成污染物无害化处理的同时实现生物质资源能源的回收，产生的沼气作为可再生能源可有效替代石油等化石能源，是支撑生态文明建设与社会可持续发展的重要技术保障。

[0003] 厌氧消化技术作为一项成熟的技术，其应用在有机废弃物处理中也存在着处理周期长、产沼气效率低、沼气中甲烷比例低等一系列问题。为进一步提升厌氧消化性能，科研工作者作了许多不同的尝试，微生物电解池(Microbial Electrolysis Cell,MEC)技术便是其中一种。MEC与厌氧消化耦合也被称为MEC‑AD技术，具有强化有机物水解和提升产甲烷效率等一系列技术优点。专利“微生物电介导促进污泥厌氧消化的方法”(CN103922554A)、专利“用于废水处理的工艺和系统”(CN109952275A)等均是从这个思路出发采用MEC技术强化厌氧消化。然而，现有的MEC反应器系统绝大部分关注其与厌氧消化的组合以及预处理、电极材料、电压、系统电子传递等运行环节的优化，而忽视了实际工程应用时，对于MEC反应器系统智能化控制、高效化启动以及规模化生产的需求，脱离了实际工艺的需要。

[0004] 因此为了推动MEC反应器系统在厌氧消化领域的发展应用，急需一种新型的智能化、高效化、扩大化的MEC反应器系统。

发明内容

[0005] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于强化厌氧消化的MEC反应系统，解决了现有MEC反应器系统应用在厌氧消化中的存在的智能化水平低、实际启动效率低、规模化应用困难等技术问题。

[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0007] 本发明的目的是保护一种用于强化厌氧消化的MEC反应系统，包括反应器模组以及设于所述反应器模组中的多层生物阳极板与多层生物阴极板；

[0008] 还包括自动化控制电源，所述自动化控制电源的正负极分别连接设有阳极区导线和阴极区导线，所述阳极区导线与生物阳极板电连接，所述阴极区导线与生物阴极板电连接；

[0009] 所述反应器模组包括生物阳极板驯化区、生物阴极板驯化区和厌氧消化反应区；

[0010] 所述生物阳极板和生物阴极板分别在生物阳极板驯化区、生物阴极板驯化区完成挂膜驯化；

[0011] 所述厌氧消化反应区中基于置入完成挂膜驯化的生物阳极板和生物阴极板实现厌氧消化的强化。

[0012] 进一步地，所述自动化控制电源包括电流传感器和可编程直流电源，所述电流传感器实时获取可编程直流电源的输出电流值，并将电流值实时反馈至可编程直流电源。

[0013] 进一步地，所述生物阳极板和生物阴极板的设置数量均大于或等于两个，所述生物阳极板与生物阴极板的设置数量之比为(0.2～5)：1。通过多层生物阳极板和生物阴极板的设计，提升MEC反应器系统的整体性和运行效率，可有效提升MEC反应器系统的规模化水平；通过生物阳极板和生物阴极板个数比的改变，可适应不同性质的有机废弃物的厌氧消化过程，针对性的强化厌氧消化不同环节，进而实现MEC反应器系统的高效运行。

[0014] 进一步地，所述生物阳极板与生物阴极板均为中空环状板；

[0015] 所述中空环状板环宽度与环的外径比为(0.1～0.6)：1，中空环状板环厚度为1cm～10cm。通过中空环状板的设计和不同环宽度与环的外径比的选择，优化MEC反应器系统的内部空间，在不影响反应器搅拌的同时还可以多层铺设，尽可能增大生物电极板的有效工作面积，优化系统的传质反应性能。

[0016] 进一步地，所述生物阳极板在生物阳极板驯化区进行挂膜驯化时，阳极电势为0.1V～1.0V，驯化时间10d～30d；

[0017] 所述生物阴极板在生物阴极板驯化区进行挂膜驯化，阴极电势为‑0.1V～‑0.8V，驯化时间15d～40d。通过创造性的设置生物阳极板驯化区和生物阴极板驯化区，根据厌氧消化过程中阳极生物膜和阴极生物膜的生长条件和规模，进行专门的挂膜驯化操作，可根据厌氧消化的需求调整驯化区的基质、电势、驯化时间，从而快速生长成具有高度反应活性的阳极生物膜和阴极生物膜，形成高效的生物阳极板和生物阴极板，提高MEC反应器用于厌氧消化时的启动效率和运行效果。

[0018] 进一步地，所述阳极区导线和阴极区导线均设有多个分接线，分别为阳极区分接线和阴极区分接线；

[0019] 多个生物阳极板分别与阳极区分接线，每个生物阳极板连接一根阳极区分接线，或对称连接两根阳极区分接线，或在生物阳极板四周均匀分布式连接四根阳极区分接线；

[0020] 每个生物阴极板分别与阴极区分接线，每个生物阴极板连接一根阴极区分接线，或对称连接两根阴极区分接线，或在生物阴极板四周均匀分布式连接四根阴极区分接线。

[0021] 通过对阳极区导线和阴极区导线的设计，可在保证MEC反应器形成良好电流通路的同时，依靠多接入点的方式减少导线数量，避免线路冗余复杂，简化系统电路；通过对电极板与导线连接方式的设计，可采用多种形式进行连接，更大程度的保证电极板上电势的分布均匀性，优化反应器性能。

[0022] 进一步地，所述强化厌氧消化的MEC反应系统在运行过程中：先将驯化好的生物阳极板和生物阴极板根据不同个数配比在垂向上按顺序布置在厌氧消化反应区内，再对应连接阳极区导线和阴极区导线，接入自动化控制电源。视为系统布置完成。采用经挂膜驯化后的多层生物阳极板和生物阴极板与厌氧消化反应区结合的方式，可有效提升MEC反应器系统的启动效率和规模化水平，稳定的挂膜电极板可以更快适应复杂有机废弃物的厌氧消化过程，具备更优的电化学性能和厌氧消化性能。

[0023] 进一步地，所述强化厌氧消化的MEC反应系统在运行过程中，系统进料后，自动化控制电源开启，电流传感器监控系统电流变化，待系统电流稳定且处于1mA～200mA范围内，视为系统稳定运行。利用电流传感器实时对系统电流进行监控，并反馈至可编程直流电源处，根据输入的电流大小设定直流电源输出的电压，从而智能化对MEC反应器系统微电压进行实时精准优化，从而达到MEC反应器系统的高效低耗运行。

[0024] 进一步地，所述系统进料方式为批次进料、半连续、连续式进料中的一种。MEC反应器系统具有广泛的适应性，可在不同进料方式、不同进料底物、不同进料浓度下有效完成有机物的处理与资源化过程。

[0025] 进一步地，所述厌氧消化反应区温度为25℃～65℃，搅拌速度为60rpm～150rpm，停留时间为5d～30d。本技术方案中MEC反应器系统可有效的结合低温、中温、高温厌氧消化过程，在同等停留时间下可承受更高的有机负荷。

[0026] 进一步地，自动化控制电源中，电流传感器感应范围为1mA～1A，可编程直流电源电压范围为0V～5V。采用高灵敏度电流传感器与可编程直流电源组合的方式，电流传感器采集到的电流作为可编程直流电源的输入值，根据编程算法实时改变直流电压的输出电压值，从而保证系统电流不随厌氧消化过程的波动而变化，保持MEC反应器的稳定运行，实现MEC反应器系统的精准调控。

[0027] 与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

[0028] (1)智能化：利用电流传感器实时对系统电流进行监控，并反馈至可编程直流电源处，可编程直流电源中的内置MCU根据输入的电流大小设定直流电源输出的电压，从而智能化对MEC反应器系统微电压进行实时精准优化，从而达到MEC反应器系统的高效低耗运行。

[0029] (2)高效化：通过创造性的设置生物阳极板驯化区和生物阴极板驯化区，根据厌氧消化过程中阳极生物膜和阴极生物膜的生长条件和规模，进行专门的挂膜驯化操作，可根据厌氧消化的需求调整驯化区的基质、电势、驯化时间，从而快速生长成具有高度反应活性的阳极生物膜和阴极生物膜，形成高效的生物阳极板和生物阴极板，提高MEC反应器用于厌氧消化时的启动效率和运行效果。

[0030] (3)扩大化：通过中空环状板的设计和不同环宽度与环的外径比的选择，以及多层生物阳极板和生物阴极板的设计，优化MEC反应器系统的内部空间，在不影响反应器搅拌的同时还可以多层铺设，尽可能增大生物电极板的有效工作面积，优化系统的传质反应性能，提升MEC反应器系统的整体性和运行效率，可有效提升MEC反应器系统的规模化水平；通过生物阳极板和生物阴极板个数比的改变，可适应不同性质的有机废弃物的厌氧消化过程，针对性的强化厌氧消化不同环节，进而实现MEC反应器系统的高效运行。

附图说明

[0031] 图1为本发明中MEC反应器系统的组成和运行示意图。

[0032] 图2为采用本系统构造的一种MEC反应器装置示意图。

[0033] 图3为采用本系统构造的一种MEC反应器中生物阳极板、生物阴极板、导线连接示意图。

[0034] 图中：0、反应器壳体，1、自动化控制电源，2、生物阳极板，3、生物阴极板。

具体实施方式

[0035] 本技术方案中强化厌氧消化的MEC反应器系统通过电源的自动化控制、生物阳极板和生物阴极板的挂膜驯化、多层生物阳极板与生物阴极板的设计与布置，实现了MEC反应器智能化、高效化、扩大化的需求，可有效提升MEC反应器强化厌氧消化的能力和效率，并可用于高浓度、复杂有机废弃物厌氧消化性能的提升，具备良好的工程应用前景。

[0036] 本技术方案中的自动化控制电源1的正负极分别连接设有阳极区导线和阴极区导线，所述阳极区导线与生物阳极板2电连接，所述阴极区导线与生物阴极板3电连接。

[0037] 反应器模组包括生物阳极板驯化区、生物阴极板驯化区和厌氧消化反应区；生物阳极板和生物阴极板分别在生物阳极板驯化区、生物阴极板驯化区完成挂膜驯化；厌氧消化反应区中基于置入完成挂膜驯化的生物阳极板和生物阴极板实现厌氧消化的强化。

[0038] 自动化控制电源1包括电流传感器和可编程直流电源，所述电流传感器实时获取可编程直流电源的输出电流值，并将电流值实时反馈至可编程直流电源。

[0039] 生物阳极板2和生物阴极板3的设置数量均大于或等于两个，所述生物阳极板3与生物阴极板3的设置数量之比为(0.2～5)：1。生物阳极板2与生物阴极板3均为中空环状板；中空环状板环宽度与环的外径比为(0.1～0.6)：1，中空环状板环厚度为1cm～10cm。

[0040] 生物阳极板2在生物阳极板驯化区进行挂膜驯化时，阳极电势为0.1V～1.0V，驯化时间10d～30d；生物阴极板3在生物阴极板驯化区进行挂膜驯化，阴极电势为‑0.1V～‑0.8V，驯化时间15d～40d。

[0041] 阳极区导线和阴极区导线均设有多个分接线，分别为阳极区分接线和阴极区分接线；多个生物阳极板2分别与阳极区分接线，每个生物阳极板2连接一根阳极区分接线，或对称连接两根阳极区分接线，或在生物阳极板2四周均匀分布式连接四根阳极区分接线；每个生物阴极板3分别与阴极区分接线，每个生物阴极板3连接一根阴极区分接线，或对称连接两根阴极区分接线，或在生物阴极板3四周均匀分布式连接四根阴极区分接线。

[0042] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

[0043] 实施例1

[0044] 在本实施案例中，如图2所示，MEC反应器主体为圆柱形构造，采取了5层生物阳极板2与5层生物阴极板3组合的方式，生物阳极板2与生物阴极板3依次交错排列，阳极区导线和阴极区导线各有4根，分别与阳极板和阴极板相连，其连接方式如图3所示。

[0045] 在本反应器中，生物阳极板2与生物阴极板3个数比为1：1，本实施例中，生物阳极板2与生物阴极板3采用的中空环状板环宽度与环的外径比为0.3：1，中空环状板环厚度为3cm，该反应器可有效进行污水、污泥、餐厨垃圾等有机废弃物厌氧消化，能在实际应用中规模化生产。

[0046] 具体实施过程中，本反应系统运行方法包括电极板驯化、生物阳极板与生物阴极板和导线布置、系统进料和电流控制、厌氧消化。应用本技术方案中MEC反应系统强化污泥厌氧消化，在生物阳极驯化区，以“二沉池污泥+阳极微生物培养液”为基质，阳极电势为0.6V，进行阳极板的挂膜驯化，驯化时间为20d，经驯化后，阳极生物膜中电活性细菌相对丰度达到50％以上；在生物阴极驯化区，以“牛血清蛋白+接种污泥+阴极微生物培养液”为基质，阴极电势为‑0.4V，进行阴极板的挂膜驯化，驯化时间为30d，经驯化后，阴极生物膜中甲烷菌相对丰度达到60％以上。

[0047] 完成挂膜驯化后的生物阳极板2和生物阴极板3以个数比2:1的比例铺设进厌氧消化反应区，对应连接好阳极区导线和阴极区导线，接入处于关闭状态的自动化控制电源，作为处理对象的废活性污泥，以半连续方式进料至厌氧消化反应区，温度设置为37℃，搅拌速度为100rpm，停留时间20d。系统进料后，自动化控制电源开启，可编程直流电源初始输出电压为0.6V，电流传感器监控系统电流变化，并反馈至可编程直流电源处，根据输入的电流大小设定直流电源输出的电压，从而智能化对MEC反应系统微电压进行实时精准优化，使系统电流稳定保持在5mA±2mA范围，实现了系统的智能化稳定运行。

[0048] 应用本技术方案中MEC反应系统强化餐厨垃圾厌氧消化，餐厨垃圾含固率21.08％，挥发性固体占总固体比例为91.02％。将完成挂膜驯化后的生物阳极板和生物阴极板以个数比1:4的比例铺设进厌氧消化反应区，对应连接好阳极区导线和阴极区导线，接入处于关闭状态的自动化控制电源，作为处理对象的餐厨垃圾，以批次方式进料至厌氧消化反应区，温度设置为55℃，搅拌速度为150rpm，停留时间为30d。系统进料后，自动化控制电源开启，可编程直流电源初始输出电压为0.8V，电流传感器监控系统电流变化，并反馈至可编程直流电源处，自动化控制电源使系统电流稳定保持在10mA±2mA范围，进行厌氧消化，监测过程中的产甲烷停滞期、甲烷产量、甲烷在沼气中比例。

[0049] 对比例1

[0050] 采用常规MEC反应器，即由直流电源、导线、阳极板、阴极板组成的单室MEC反应器，与实施例3保持相同电极材料，相同进料基质和进料方式，相同厌氧消化温度、搅拌速度、时间，并加以0.8V的直流电压，进行厌氧消化，监测过程中的产甲烷停滞期，甲烷产量，甲烷在沼气中比例。

[0051] 实验结果表明，实施例1中的产甲烷停滞期为0.4d，较对比例1的1.8d缩短77.8％；产甲烷量为550mL/g VS，较对比例1的390mL/g VS增加41.0％，甲烷在沼气中比例为
90.5％，较对比例1的75.2％提高20.3％。这些结果充分说明了本技术方案中的MEC反应系统相比常规MEC反应器在强化厌氧消化上的优越性能和技术效果。

[0052] 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。