一种提升电发酵产甲烷速率和纯度的装置及方法

本发明涉及能源环境，具体涉及一种提升电发酵产甲烷速率和纯度的装置及方法。

背景技术：

1、厌氧消化技术可以将废水中的有机物转化为沼气，从而实现废水的资源化利用。然而，面对水体污染中日益严峻的高浓度有机废水问题，传统厌氧消化工艺在处理此类废水时遭遇了诸多挑战，包括中间代谢产物（如挥发性脂肪酸的积累）的抑制效应、反应启动缓慢、低温环境适应性差及系统稳定性波动等，这些问题往往难以通过简单优化传统工艺参数得以根本解决。

2、近年来，厌氧消化与电化学技术的创新性融合衍生出电发酵技术，为处理高浓度有机废水及资源高效回收开辟了新纪元，有望显著缓解传统厌氧消化工艺中的诸多瓶颈。电发酵技术不仅提升了沼气中甲烷的含量，还加速了水解与酸化过程，有效减轻了挥发性脂肪酸积累对产甲烷过程的抑制作用，增强了整体厌氧消化效率，为废水处理与能源回收提供了更为稳定与高效的解决方案。

3、在电发酵技术的研究实践中，通常采用恒电位或恒电流的方式来原位供气，以实现沼气中的co2到甲烷的转化，从而提升沼气的纯度和产量。然而，厌氧消化过程产生的沼气中co2的体积含量是动态变化和逐渐递减的。采用恒电位或恒电流控制，往往存在氢气供应不足或过量问题。氢气供应不足，co2不能够充分转化为甲烷。氢气供应过量，不仅造成能量浪费，过高的氢分压还会

4、抑制水解酸化，从而抑制甲烷的产生。

5、因此，建立厌氧发酵沼气中co2的原位检测，并根据沼气中co2含量的动态变化来动态调整电发酵体系电极的电位或电流，从而实现电解氢气恰到好处的供应，能够更好的实现沼气原位提纯和提升产甲烷产率。然而，目前还缺乏这样的电发酵装置和控制方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种提升电发酵产甲烷速率和纯度的装置及方法，以克服现有技术中采用恒电位或恒电流控制，存在氢气供应不足或过量供应的问题。

2、本发明通过下述技术方案来解决上述技术问题：

3、一种提升电发酵产甲烷速率和纯度的装置，包括生物发酵反应器、搅拌装置、管状电解槽、参比电极、第一气体缓冲瓶、二氧化碳传感器、电化学工作站及气体收集装置；

4、其中，生物发酵反应器包括内腔和顶盖，内腔中设置有穿过顶盖的搅拌装置、管状电解槽及参比电极，管状电解槽由内至外依次包括阳极、阳离子交换膜及阴极；生物发酵反应器的顶盖设置有第一气体出口，第一气体出口依次连接第一气体缓冲瓶、二氧化碳传感器及气体收集装置；二氧化碳传感器还通过计算机连接电化学工作站；

5、电化学工作站包括对电极接线柱、工作电极接线柱和参比电极接线柱，对电极接线柱连接管状电解槽的阳极，工作电极接线柱连接管状电解槽的阴极，参比电极接线柱连接参比电极，用于动态调控生物发酵反应器的输入阴极电位；

6、提升电发酵产甲烷速率和纯度的装置还包括气体循环装置，气体循环装置包括循环气泵、第二气体缓冲瓶和微纳米曝气头，生物发酵反应器的顶盖设置有气体入口和第二气体出口，气体循环装置经第二气体出口依次连接第二气体缓冲瓶、循环气泵、气体入口至微纳米曝气头。

7、进一步地，提升电发酵产甲烷速率和纯度的装置还包括ph电极，设置在生物发酵反应器的内腔，用于监测生物发酵反应器内液体的ph值。

8、进一步地，管状电解槽的阳极为圆柱状钛网，阴极为圆柱状不锈钢网。

9、进一步地，参比电极为ag/agcl电极，参比电极的内置溶液为饱和氯化钾溶液。

10、进一步地，生物发酵反应器为cstr反应器或气升式鼓泡塔。

11、一种提升电发酵产甲烷速率和纯度的方法，采用上述任一装置提升电发酵产甲烷速率和纯度。

12、进一步地，包括以下步骤：

13、步骤一、向装有有机废水的生物发酵反应器内接种厌氧污泥菌种，启动搅拌装置，通过厌氧消化生成沼气，其中，沼气包括甲烷和二氧化碳，且厌氧消化过程中维持生物发酵反应器内ph值为6.5~8；

14、步骤二、通过二氧化碳传感器检测沼气中二氧化碳的体积含量，经计算机将二氧化碳的体积含量转化为电信号传递给电化学工作站，并通过气体收集装置收集沼气；

15、步骤三、根据动态电位调控策略，通过电化学工作站调控输入阴极电位，提升电发酵产甲烷速率和纯度。

16、进一步地，步骤三中，动态电位调控策略为：

17、当二氧化碳的体积含量大于30%，通过电化学工作站将输入阴极电位设置为-1.6v；当二氧化碳的体积含量在20% ~ 30%之间，通过电化学工作站将输入阴极电位设置为-1.5 v；当二氧化碳的体积含量在15% ~ 20%之间，通过电化学工作站将输入阴极电位设置为-1.4 v；当二氧化碳的体积含量在10% ~ 15%之间，通过电化学工作站将输入阴极电位设置为-1.3 v；当二氧化碳的体积含量在5% ~ 10%之间，通过电化学工作站将输入阴极电位设置为-1.2 v；当二氧化碳的体积含量在0 ~ 5%，通过电化学工作站将输入阴极电位设置为-1.0 v。

18、进一步地，有机废水为马铃薯淀粉工业废水。

19、进一步地，厌氧污泥菌种为氢营养型产甲烷菌和乙酸型产甲烷菌，接种厌氧污泥菌种的接种率为15%，氢营养型产甲烷菌与乙酸型产甲烷菌的质量比为1:1。

20、与现有技术相比，本发明的积极进步效果在于：

21、本发明公开的提升电发酵产甲烷速率和纯度的装置，巧妙融合了生物发酵反应器、电化学工作站与管状电解槽的设计，通过实施精准的动态电位调控策略，优化生物发酵反应体系，不仅提高了电发酵产甲烷的速率与纯度，还增强了系统处理高浓度有机废水的能力。本装置将电化学工作站的对电极接线柱和工作电极接线柱分别连接至管状电解槽的阳极与阴极，并通过参比电极实现电位测量的准确性。借助计算机的智能控制，动态调整生物发酵反应器的输入阴极电位，有效提升了系统对有机废水的降解能力，特别是针对高cod（化学需氧量）值废水；同时，加速了甲烷化进程，显著缩短了反应周期。

22、进一步地，本发明公开的提升电发酵产甲烷速率和纯度的装置，采用管状电解槽作为核心组件，其内部结构由圆柱状钛网阳极、阳离子交换膜及圆柱状不锈钢网阴极精心排布而成。不仅有效阻止了生物膜的形成，加速了反应启动速度，还通过选用经济高效的电极材料，降低了运行成本。此外，装置中还集成了气体循环系统，利用微纳米曝气头实现气体的二次发酵，进一步提升了发酵效率与甲烷产量。

23、本发明还公开一种提升电发酵产甲烷速率和纯度的方法，基于实时二氧化碳含量监测的动态电位调控技术。通过电化学工作站智能调节输入阴极电位或电流，实现了对生物发酵反应器外加输入阴极电位的精细控制，避免了传统恒电位模式下可能出现的氢分压过高导致的中间代谢产物抑制问题，同时也解决了低电位下电子供给不足、难以有效固定沼气中二氧化碳的难题。同时，维持生物发酵反应器内的ph值在6.5至8的范围内，既为产甲烷菌提供了理想的生存环境，又促进了产酸过程的正向进行，从而全面提升了甲烷的生成效率与纯度。实验数据表明，采用本方法能够直接处理cod高达12000 mg·l⁻¹的有机废水，同时，甲烷化过程得到显著加速，反应周期大幅缩短，充分验证了本发明在提升电发酵产甲烷速率与纯度方面的卓越性能。