申请日2014.09.22
公开(公告)日2015.02.04
IPC分类号C02F11/04
摘要
本发明涉及一种能够控制氧化还原电位以促进污泥干法厌氧发酵的装置，本发明设计的装置能控制氧化还原电位以促进污泥干法厌氧发酵，主要由发酵罐体、搅拌器、电机、阳极、阴极、低压直流电源、导线、碳素纤维导电材料组成，其特征在于搅拌器水平位于发酵罐体轴心，阳极与轴心搅拌杆套接，阴极位于发酵罐壁，碳素纤维导电材料铺设于发酵罐体内壁，低压直流电源设置在发酵罐体之外，通过两根电线连接阳极和阴极。为了提高污泥干法厌氧发酵的甲烷产率，本发明利用外加的直流电源通过碳素纤维导电材料使发酵罐体内壁的氧化还原电位控制在-400mv，为产甲烷菌提供最适生长的氧化还原环境，达到产甲烷菌富集和甲烷产率提高的目的。本发明涉及的干法发酵的污泥含固率在10~20%。
权利要求书
1.一种能控制氧化还原电位促进污泥干法厌氧发酵的装置，由发酵罐体、搅拌器、电机、阳极、阴极、低压直流电源、导线和导电材料组成，其特征在于：发酵罐体轴心处设有转轴，搅拌器水平位于转轴上，转轴的两端伸出发酵罐体外，所述转轴一端与阳极套接，且阳极材料伸入发酵罐体内，转轴的端部通过联轴器连接变速器，变速器连接电机，发酵罐体的罐壁上设有阴极，导电材料铺设于发酵罐体的内壁上，低压直流电源设置于发酵罐体之外，通过两根电线分别连接阳极和阴极;发酵罐体连接温控装置，发酵罐体的罐壁顶部设有气体取样口、进料口、观察口和热水出口，底部设有出料口、热水入口。
2.根据权利要求1所述的能控制氧化还原电位促进污泥干法厌氧发酵的装置，其特征在于所述的阳极或阴极采用柱状电极。
3.根据权利要求1所述的能控制氧化还原电位促进污泥干法厌氧发酵的装置，其特征在于所述的阳极是石墨、铂金或贵金属氧化物中任一种。
4.根据权利要求1所述的能控制氧化还原电位促进污泥干法厌氧发酵的装置，其特征在于所述的阴极是铜、不锈钢、铝或钛中任一种。
5.根据权利要求1所述的能控制氧化还原电位促进污泥干法厌氧发酵的装置，其特征在于所述的导电材料采用碳素纤维导电材料。
6.根据权利要求1所述的能够控制氧化还原电位促进污泥干法厌氧发酵的装置，其特征在于所述的搅拌器采用双层螺带式搅拌方式。
7.一种如权利要求1所述的能控制氧化还原电位促进污泥干法厌氧发酵的装置使用的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)向发酵罐体加入接种污泥及脱水污泥，接种比依据运行情况设定为脱水污泥与接种污泥的质量比为1:2-1:4，设定的停留时间为20天，控制每天进出料的质量，即脱水污泥的密度以1.0×103kg/m3计算，运行方式为每天进出料各一次，根据产生的气量调整出料质量，产生1L气体消耗1g挥发性有机物，使含固率达到设定水平;控制脱水污泥的含固率为10~20%;
(2)打开低压直流电源，调节外加电压，使发酵罐体内壁碳素纤维导电材料所带电压为-400mv，发酵温度维持在设定的中温35-40℃或高温50-60℃，搅拌器转速为60r/min，搅拌器“搅拌/停止”时间可调，设定比例为1:1，开始发酵产气并检测产气量。
说明书
一种能控制氧化还原电位促进污泥干法厌氧发酵的装置及方法
技术领域
本发明属于固废资源化领域，特别涉及一种能控制氧化还原电位促进污泥干法厌氧发酵产甲烷的装置及方法。
背景技术
目前环境和能源问题已成为影响人类社会可持续发展的重大问题，而厌氧消化技术在能源生产和环境保护上具有突出的优势，利用污泥厌氧发酵回收生物质能源符合可持续发展的路线，充分体现了固废处理的减量化、无害化和资源化的目标。厌氧消化根据所处理物料含固率的不同分为湿式/低含固消化(<10%)和干式/高含固消化(>10%)，与传统湿式消化工艺相比，干法消化工艺具有负荷高、单位体积产能大、加热保温能耗低、后续处理费用低等潜在优势。
目前，对于高含固污泥厌氧消化的研究多集中于预处理技术，而产甲烷菌适宜的生长环境对于提高厌氧消化效率和甲烷产量具有重要的影响，厌氧环境的主要标志是沼气发酵液具有低的氧化还原电位，厌氧消化是极为复杂的生物过程，不同微生物的代谢过程所需的最适氧化还原电位是不同的，对于产甲烷菌而言，最适的氧化还原电位为-400mv，本发明针对高含固污泥，在厌氧发酵罐的轴心处和发酵罐壁上分别安装正负电极，在发酵罐内壁铺设一层碳素纤维导电材料，通过外加直流电压使发酵罐内壁所带电压控制在-400mv，达到将产甲烷菌富集到最适的生长环境进而提高甲烷产率的目的。目前国内外未见利用直流电压直接控制高含固厌氧消化的氧化还原电位以提高甲烷产率的报道。
发明内容
本发明的目的在于利用直流电压控制高含固污泥厌氧消化反应器内壁氧化还原电位，为产甲烷菌提供最适的生长条件，使甲烷产率达到最大化而提供的一种通过控制氧化还原电位提高污泥干法厌氧消化甲烷产量的装置及方法。
为了实现本发明的技术目的，本发明的技术方案如下。
一种能控制氧化还原电位促进污泥干法厌氧发酵的装置，由发酵罐体、搅拌器、电机、阳极、阴极、低压直流电源、导线和导电材料组成，其中：发酵罐体轴心处设有转轴，搅拌器水平位于转轴上，转轴的两端伸出发酵罐体外，所述转轴一端与阳极套接，且阳极材料伸入发酵罐体内，转轴的端部通过联轴器连接变速器，变速器连接电机，发酵罐体的罐壁上设有阴极，导电材料铺设于发酵罐体的内壁上，低压直流电源设置于发酵罐体之外，通过两根电线分别连接阳极和阴极;发酵罐体连接温控装置，发酵罐体的罐壁顶部设有气体取样口、进料口、观察口和热水出口，底部设有出料口、热水入口。
本发明中，所述的阳极或阴极采用柱状电极。所述的阳极应理解为现有技术中任何惰性材料制得的阳极，在本发明中包括但不限于石墨、铂金或贵金属氧化物，所述的阴极应理解为现有技术中任何导电材料制得的阴极，在本发明中包括但不限于铜、不锈钢、铝或钛。
本发明中，所述的导电材料是碳素纤维导电材料，所述的负极电压控制在-400mv。
本发明中，所述的搅拌器采用双层螺带式搅拌方式。
本发明提出的能控制氧化还原电位促进污泥干法厌氧发酵的装置使用的方法，所述的方法是利用能控制氧化还原电位促进污泥干法厌氧发酵的装置提高高含固污泥厌氧发酵产甲烷的方法。具体步骤如下：
(1)向发酵罐体加入接种污泥及脱水污泥，接种比依据运行情况设定为脱水污泥与接种污泥的质量比为1:2-1:4，设定的停留时间为20天，控制每天进出料的质量，即脱水污泥的密度以1.0×103kg/m3计算，运行方式为每天进出料各一次，根据产生的气量调整出料质量，产生1L气体消耗1g挥发性有机物(蛋白质、多糖等类物质)，使含固率达到设定水平;控制脱水污泥的含固率为10~20%;
(2)打开低压直流电源，调节外加电压，使发酵罐体内壁导电材料所带电压为-400mv，发酵温度维持在设定的中温(35-40℃)或高温(50-60℃)范围，搅拌器转速为可调，一般为60r/min，搅拌器“搅拌/停止”时间可调，设定比例为1:1，开始发酵产气并检测产气量。
本发明具有如下优点：
1.本发明采用高含固污泥进行干法厌氧发酵，其相比于湿法发酵具有负荷高、单位体积产能大、加热保温能耗低的优势。
2.本发明的阳极与搅拌器套接共同置于发酵罐体的轴心位置，达到了合理利用空间的目的，利用碳素纤维导电材料铺于整个发酵罐体内壁，扩大了产甲烷菌的适宜生长区域，同时最大程度上减轻了因混合物料所需的机械搅拌对产甲烷菌生物量及活性的影响。
3.本发明利用外加低压直流电源通过阳极、阴极以及碳素纤维导电材料产生氧化还原电位，其特征在于电势由发酵罐体的轴心位置到发酵罐体内壁是依次降低的，达到了有效分离厌氧发酵过程中的生物相的目的，与两段式厌氧发酵产甲烷相比，该装置具有结构简单，运行管理方便的优势，对产甲烷菌在其最适的氧化还原电位环境下的生长富集和甲烷产率具有促进作用。