一种厌氧消化和微生物燃料电池的耦合装置的制作方法

本实用新型属于厌氧消化产甲烷与微生物燃料电池研究领域，具体涉及在厌氧消化反应器中耦合构建微生物燃料电池系统。

背景技术：

沼气工程厌氧消化技术是通过人工构建的严格厌氧条件及其他适宜发酵浓度、pH等环境下，通过沼气发酵微生物种群的分解代谢，发酵产生甲烷（CH₄）、二氧化碳（CO₂）等混合气体燃料及沼液、沼渣等残留物资源的过程。具备有机废弃物无害化处理、清洁可再生能源开发与综合利用的多重效益。据我国农业部统计，到2015 年，全国户用沼气已达4193.3 万户，建成各类型沼气工程110975 处，全国沼气年生产能力达到158 亿立方米，约为全国天然气消费量的5%。沼气厌氧消化技术已在优化国家能源结构、增强国家能源安全保障能力、合理处置农业有机废弃物、推进生态农业产业发展等方面发挥了积极作用。

微生物燃料电池（MFC）技术是将有机物质中的化学能通过微生物的新陈代谢作用转化为电能的新兴技术，由于其在产生电能的同时可实现有机污染物的降解，因此具有清洁能源生产和环境污染治理的双重优点。在反应过程中，有机底物在阳极被微生物氧化并产生电子和质子，电子通过外电路转移到阴极，质子透过质子交换膜。电子和质子在阴极与电子受体反应，在外电路获得电流。其作用原理见图1。过程包括5个步骤：（1）底物生物氧化，产生电子、质子及代谢产物；（2）阳极还原，产生的电子从微生物细胞传递至阳极表面，使电极还原；（3）外电路电子传输，电子经由外电路到达阴极；（4）质子迁移，产生的质子从阳极室迁移至阴极室，到达阴极表面；（5）阴极反应，在阴极室中的氧化态物质即电子受体(如氧气等)与阳极传递来的质子和电子于阴极表面发生还原反应，氧化态物质被还原。电子不断产生、传递、流动形成电流，完成产电过程。空气-生物阴极型微生物燃料电池利用好氧微生物催化阴极反应，氧作为电子受体。与非生物阴极相比，具有低成本、可持续运行、具有脱氮效果等诸多优点。已有研究结果证实，将厌氧消化技术与微生物燃料电池技术相结合，可以达到促进甲烷产生、提高产电能力、提高底物降解效率的效果。

技术实现要素：

为了在传统户用水压式沼气池的基础上实现既能产甲烷，又能产电的技术效果，本实用新型提供一种厌氧消化和微生物燃料电池的耦合装置。

一种厌氧消化和微生物燃料电池的耦合装置包括水压式的沼气发酵主池，所述沼气发酵主池的一侧通过进料管连通着进料口，另一侧通过出料管连通着出料间；所述出料间位于水压式沼气池的另一侧上部；

所述沼气发酵主池的厌氧活性污泥层内设有阳极板，所述出料间的出料间液面上设有阴极板；所述阳极板通过导线引出阳极，所述阴极板通过导线引出阴极；所述阳极和阴极之间串联用电器；

所述沼气发酵主池的出料管下口位于厌氧活性污泥层以上10-15cm处；

所述出料间的体积为沼气发酵主池容积的1/4-1/3；开始产气状态时，出料间内的液面和沼气发酵主池内的液面的压差为0mm水柱，同时，阳极和阴极之间串联的用电器得电工作。

进一步限定的技术方案如下：

所述阳极板通过支架固定设于沼气发酵主池的厌氧活性污泥层内，阳极板的面积为水压式沼气池的横截面的1/2-2/3。

所述阴极板通过浮子浮动设于出料间内，阴极板的面积和阳极板的面积相同。

最大产气状态时，出料间内的液面和沼气发酵主池内的液面的压差不大于800mm水柱。

本实用新型的工作原理说明如下：

将有机物质中的化学能通过微生物的新陈代谢作用转化为电能的新兴技术，由于其在产生电能的同时可实现有机污染物的降解，因此具有清洁能源生产和环境污染治理的双重优点。在反应过程中，有机底物在阳极被微生物氧化并产生电子和质子，电子通过外电路转移到阴极，质子透过质子交换膜。电子和质子在阴极与电子受体反应，在外电路获得电流。其作用原理见图1。过程包括5个步骤：（1）底物生物氧化，产生电子、质子及代谢产物；（2）阳极还原，产生的电子从微生物细胞传递至阳极表面，使电极还原；（3）外电路电子传输，电子经由外电路到达阴极；（4）质子迁移，产生的质子从阳极室迁移至阴极室，到达阴极表面；（5）阴极反应，在阴极室中的氧化态物质即电子受体(如氧气等)与阳极传递来的质子和电子于阴极表面发生还原反应，氧化态物质被还原。电子不断产生、传递、流动形成电流，完成产电过程。本实用新型利用好氧微生物催化阴极反应，氧作为电子受体。

本实用新型的有益技术效果体现在以下方面：

1.本实用新型将厌氧消化产沼气技术与微生物燃料电池技术相结合，在传统沼气厌氧反应器内实现同步产甲烷和微生物产电；有利于提高厌氧消化过程对原料的降解率，以及发酵产气效果；同时易与现有农村户用沼气池相结合，实用性强。

2.本实用新型将厌氧消化技术与微生物燃料电池技术相结合，可以达到促进甲烷产生、提高产电能力、提高底物降解效率的效果。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为本实用新型反应原理图。

上图中序号：进料口1、进料管2、阳极板3、厌氧活性污泥层4、阳极支架5、出料管6、出料间7、浮子8、阴极板9、用电设备10、液位刻度11、导线12、沼气发酵主池13、导气管14。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步地描述。

参见图1，一种厌氧消化和微生物燃料电池的耦合装置包括水压式的沼气发酵主池13。沼气发酵主池13的一侧通过进料管2连通着进料口1，另一侧通过出料管6连通着出料间7；出料间7位于沼气发酵主池13的另一侧上部。

沼气发酵主池13的厌氧活性污泥层内通过支架5安装阳极板3，阳极板的面积为沼气发酵主池的横截面的1/2-2/3。出料间11的出料液面上通过浮子8安装有阴极板9，阴极板的面积和阳极板的面积相同。阳极板3通过导线12引出阳极，阴极板9通过导线引出阴极；阳极和阴极之间串联用电设备10。

沼气发酵主池13的出料管6的下口位于厌氧活性污泥层4以上12cm处。

出料间11的体积为水压式沼气池沼气发酵主池13体积的1/4-1/3。

工作时，有机物原料从进料口1沿进料管2送入水压式沼气池13，厌氧活性污泥层4内的厌氧消化微生物和阳极板3表面的微生物充分接触，一方面被水解、产酸、产甲烷等微生物分解代谢，最终产生甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）等混合可燃气，产气通过户用沼气池水压式原理实现收集，并通过导气管15利用。另一方面通过微生物催化的电化学反应实现生物氧化和阳极还原，通过生物膜或电子穿梭等机制实现产电；空气-生物阴极利用空气中氧气（O₂）作为电子受体，在阴极产电微生物的催化作用下实现电子传递。开始产气状态时，出料间11内的液面和沼气发酵主池13内的液面的压差为0mm水柱，同时，阳极和阴极之间串联的用电器得电工作。经消化降解的原料沿出料管6进入出料间7，进入后续处理或综合利用环节。

最大产气状态时，出料间内的液面和沼气发酵主池内的液面的压差不大于800mm水柱。