CN107130002B - 一种电场和微波耦合强化海藻厌氧发酵制取甲烷的方法 - Google Patents

一种电场和微波耦合强化海藻厌氧发酵制取甲烷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电场和微波耦合强化海藻厌氧发酵制取甲烷的方法，包括以下步骤：(1)选取海藻，预处理后，加入水或其他溶液，得海藻混合液；(2)取步骤(1)中的海藻混合液，先进行微波预处理，再进行加热预处理；(3)将经步骤(2)微波预处理和加热预处理的海藻混合液在直流电场和微波的作用下进行厌氧发酵处理，在厌氧发酵过程中产生有甲烷，收集产生的甲烷即可。该方法通过弱电场和微波的耦合作用实现海藻高效厌氧发酵产甲烷，发酵速度快和***运行高效。

Description

一种电场和微波耦合强化海藻厌氧发酵制取甲烷的方法
技术领域
本发明属于海藻资源化处理技术领域，具体涉及一种电场和微波耦合强化海藻厌氧发酵制取甲烷的方法。
背景技术
世界能源需求不断增长，然而石油、煤炭等不可再生燃料的过度开发利用等一列问题导致了能源匮乏和环境污染等全球性问题。在新的能源形式下，世界各国开始将目光聚集到新能源和可再生能源领域，生物质能源是最安全、最稳定的能源，世界各国都针对生物能源产业制定了一系列的鼓励和刺激政策。作为缓解当今我国面临的“粮食、能源、环境”三大危机的有效途径之一，厌氧发酵技术已广受关注。厌氧发酵技术是生物质能源化、资源化利用的一种有效途径。早在几千年前人类已开始对厌氧消化技术加以挖掘利用，在科学飞速发展的今天，从现行市场生物厌氧工艺和技术看，无论小型厌氧工艺设备，还是大型工厂化厌氧工艺设备，都遵循着极力满足和维护生物厌氧工艺环境，及生物生长的要求。例如，生物厌氧需要无氧，在工艺和技术上就设法做到密闭。生物厌氧需要温度，在工艺和技术上就设法加温。生物厌氧需要相互流动，在工艺和技术上就设法搅动。生物厌氧需要增加菌种，在工艺和技术上就设法人工培养菌种添加或活化渣泥回流，留住菌种。厌氧发酵技术是能将生物质资源多层次转化为能源甲烷和优质有机肥的有效方法。
相对陆生能源作物而言，海藻作为厌氧发酵制取甲烷的生物质原料具有三个优势。首先，海藻光合作用效率高、生长迅速且生物质产量高，生物质产量为玉米的9倍。其次，海藻作为水生生物，大规模培养不占用宝贵的耕地面积。此外，海藻成分中很少含有在陆地高等植物中大量存在的木质纤维结构，相对容易水解和发酵产氢气、甲烷。因此，海藻是一种具有大规模能源化应用潜力的生物质原料。
对于海藻这种生物质原料，先进行物理或化学处理是必要的，以使之变为较适合于厌氧生物转化的原料。海藻厌氧发酵之后的尾液中含有大量的小分子有机物，例如乙酸、丁酸和乙醇等，不经过处理直接排放会造成能源损失和环境污染。针对海藻原料厌氧发酵的反应特点，需要研究相应的预处理方法解决海藻降解转化的难题，提高生物甲烷的得率。
电场刺激技术和微生物工程技术之间发生着日益紧密的联系。相关研究已经涉及到电场刺激对细胞生长、代谢、酶活以及细胞膜通透性等诸方面的影响作用，并被广泛应用于环境、生物化工等行业，同时也为生物工程领域提供了新的技术，推动了生物化工及电场技术的发展。在甲烷池中栖息着种类繁多、数量巨大、功能不同的可以将有机物分解产生甲烷的各类微生物。当利用弱电流激发电极反应时可以刺激微生物细胞的生长和代谢，产生促进作用。同时研究结果表明微波处理能够提高可发酵糖的释放量；非热效应对菌体的酶产量有提高作用或对酶的活性有促进作用；微波的振动作用有利于海藻表面新产生气体的释放，间接增加了可发酵的面积。因此微波耦合电场强化厌氧发酵技术具有发酵速度快和***运行高效等优点，如何到达在电场与微波耦合作用下的快速、稳定的甲烷发酵是实现厌氧发酵高效产甲烷的关键。
因而，探索海藻高效可综合利用的发酵制甲烷的方法可实现生物质成分的高效分级利用，大幅度提高产气率和能量转化效率，从工程角度实现其资源化具有重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电场和微波耦合强化海藻厌氧发酵制取甲烷的方法，该方法通过电场和微波的耦合作用可实现海藻高效厌氧发酵产甲烷，发酵速度快，产气率和能量转化效率，***运行高效。
本发明的第一个技术问题是通过如下技术方案来实现的：一种电场和微波耦合强化海藻厌氧发酵制取甲烷的方法，包括以下步骤：
(1)选取海藻，预处理后，加入水或其他溶液，得海藻混合液；
(2)取步骤(1)中的海藻混合液，先进行微波预处理，再进行加热预处理；
(3)将经步骤(2)微波预处理和加热预处理的海藻混合液在直流电场和微波的作用下进行厌氧发酵处理，在厌氧发酵过程中产生有甲烷，收集产生的甲烷即可。
在上述电场和微波耦合强化海藻厌氧发酵制取甲烷的方法中：
步骤(1)中所述的海藻优选为条浒苔、马尾藻、海带、羊栖菜、紫菜和江蓠中的一种或几种。
步骤(1)中所述预处理包括自然晾晒、烘干至恒重、粉碎，其中粉碎后海藻的长度优选为2～40mm。
步骤(1)中所述海藻与所述的水或所述其他溶液的质量份配比优选为1:1～20，所述的其他溶液优选为污泥，所述污泥的含水率优选为75～80％，或所述其他溶液优选为蛋白酶，或所述其他溶液优选为化学溶液，所述化学溶液优选为硫酸、盐酸、磷酸、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸氢钠或尿素，其质量百分含量优选为0.5～98％。
步骤(2)中微波预处理时，微波辐射频率为2450MHz，功率优选为150～850W，处理时间优选为10～200min。
使用微波预处理海藻可以有效增加海藻的附加值，提高海藻开采和利用的经济效益。这是因为微波的非热效应能够对海藻的晶体结构起到松散作用，使可发酵的组分更容易被利用。即本发明微波处理海藻可以有效增加提高可发酵糖的释放量，间接增加了可发酵的面积。
步骤(2)中加热预处理时，温度优选为50～150℃，处理时间优选为40～150min。
步骤(3)中将经步骤(2)微波预处理和加热预处理的海藻混合液在直流电场和微波的作用下以及搅拌条件下进行厌氧发酵处理时，厌氧发酵处理时温度优选为30～150℃，更佳为45～55℃，厌氧发酵时间优选为3～14天。
步骤(3)中将经步骤(2)微波预处理和加热预处理的海藻混合液在直流电场和微波的作用下以及搅拌条件下进行厌氧发酵处理时，在厌氧发酵容器中进行，所述厌氧发酵容器中设有两电极极板和与所述两电极极板通过导线相连接的直流电源，以及微波发生器和与所述微波发生器相连的微波能量输出柱，其中所述直流电源的电压为0.2～2.5V，所述微波发生器的辐射功率优选为0.1～100000W，更佳为0.1～800w，辐射时间优选为0.1～600min。
步骤(3)中将经步骤(2)微波预处理和加热预处理的海藻混合液在直流电场和微波的作用下以及搅拌条件下进行厌氧发酵处理时，在厌氧发酵容器中进行，所述海藻混合液的加入量优选占所述厌氧发酵容器总体积的60％～75％，更佳为75％，进行厌氧发酵处理前先采用氮气吹扫出厌氧发酵容器中的空气。
当利用弱电流激发电极反应时可以刺激微生物细胞的生长和代谢，产生促进作用。即本发明可以通过弱电场对发酵微生物的生长繁殖、新陈代谢、酶活性以及细胞膜通透性产生积极影响，促进发酵反应，从而实现海藻高效厌氧发酵产甲烷。
步骤(1)～(3)需要搅拌，搅拌速度优选为25～450rmp。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明方法所提供的对海藻固体物质进行微波预处理，不仅提高了生物固体物质脱水性能，而且降低了海藻含水率，提高液化物对海藻的脱水效果，活化了藻类内结构使其松散；
(2)本发明方法将电能有效的应用于海藻生物质厌氧发酵中，实现了对厌氧环境中补充能量，激活了微生物，促使微生物菌快速生长，加快了海藻分子快速分解，激发了物质内能，起到了用能量做功效果，同时耦合微波的作用也使得可发酵糖的释放量增加；微波的振动作用也有利于海藻表面气体的释放，间接增加了可发酵的面积；本发明所提供的方法提高了整个***的处理效率，并且提高海藻厌氧发酵产气效率，稳定产气量，且能耗低；
(3)、本发明方法可缩短海藻厌氧启动时间，提高海藻厌氧消化产气总量，促进海藻的资源化利用；
(4)本发明提供的***不仅处理效率高，而且结构紧凑、相互配合运作，运行稳定；
(5)所以，本发明方法将电场强化厌氧发酵、微波辐射强化破壁等技术有机结合起来，实现了物理化学强化处理技术和微生物处理技术结合，真正实现了有机底物的高效利用，提高了整个***的运行稳定性。
附图说明
图1表示本发明的电场和微波耦合强化海藻厌氧发酵制取甲烷的方法流程图，图中各标号表示：1-海藻储罐，2-搅拌棒，3-电机，4-泵，5-微波处理发生器，6-预处理罐，7-厌氧发酵罐，8-感温探头，9-温控仪，10-加热管，11-直流电源，12-阀门，13-排渣口，14-甲烷收集罐，15-甲烷出口，16-电极极板，17-微波发生器，18-微波能量输出柱。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对发明做进一步说明。
实施例1
本实施例提供的电场和微波耦合强化海藻厌氧发酵制取甲烷的方法，包括以下步骤：
(1)将海藻(海带、紫菜)自然晾晒、烘干至恒重，然后粉碎到2mm，加入水，固液比为1:20。
(2)然后对所述的混合海藻液进行预处理是先进行微波预处理，后进行加热预处理。
微波预处理采用微波辐射功率850W、频率2450MHz，处理时间为85min。
微波预处理后加热预处理。热处理温度为150℃，处理时间为150min。
(3)厌氧发酵阶段。将海藻从预处理罐输入到厌氧发酵罐中，厌氧发酵罐7中海藻含量稳定在罐体积的75％。
其中实验前首先用氮气吹扫出厌氧发酵罐中的空气，通过加热管将厌氧发酵罐的温度控制在45℃。厌氧发酵罐中固定有两电极极板和直流电源，还有微波能量输出柱和微波发生器，在海藻厌氧发酵的过程中耦合电场和微波的作用发酵3天，收集产生的甲烷。
直流电源的电压为2V，所述微波发生器的辐射功率为500W，辐射时间为30min。
产生的气体主要有甲烷和二氧化碳，其中甲烷浓度达73.6％，气体中有少量氢气检出。
具体过程为：
如图1所示，将海藻与水或化学溶液的混合物倒入海藻储罐1中，泵4将海藻储罐1中的海藻混合物输送至微波处理发生器5中，对海藻进行微波预处理。微波预处理后经泵4输送到预处理罐6中进行加热预处理。将海藻从预处理罐6经泵4输入到厌氧发酵罐7中。海藻储罐1、预处理罐6、厌氧发酵罐7内均设置有的搅拌棒2，搅拌棒2由电机3控制。厌氧发酵罐7内设置有感温探头8、加热管10和温控仪9。厌氧发酵罐7设置有中固定的两电极极板16通过导线与固定在厌氧发酵罐中的直流电源11的两电极相连，电机3的电流为直流电流。微波能量输出柱18从厌氧发酵罐7的顶部发射微波，微波能量输出柱18由微波发生器17控制。厌氧发酵罐7发酵过程中产生的气体即甲烷从厌氧发酵罐7的上部排气口排出，通入到甲烷收集罐14中。当罐内气体达到一定体积后，打开阀门12，从甲烷出口15处排出、收集。厌氧发酵罐7产生的液体由阀门控制从厌氧发酵罐7的底部通过排渣口13排出。
厌氧发酵罐7中两电极输入电压为0.2-2.5V。
厌氧发酵罐7既可以采用连续进出料，也可以采用间隙进出料，这可以通过阀门人工控制。
厌氧发酵罐7中固定的两电极极板通过导线与固定在厌氧发酵罐中的直流电源的两电极相连，双电极与直流电流输出二端头组成电源闭合回路，两电极极板的面积和相距距离、直流电流由厌氧发酵罐的具体大小来调节。可调直流电流向两个电极输入的电压范围是0.2-2.5V。
海藻储罐、预处理罐、厌氧发酵罐内的搅拌器均为连续运行，通过电机控制***的搅拌速度在300rmp。
实施例2
本实施例提供的电场和微波耦合强化海藻厌氧发酵制取甲烷的方法，包括以下步骤：
(1)将海藻(羊栖菜、条浒苔)自然晾晒、烘干至恒重，然后粉碎到40mm，加入质量百分浓度0.5％的磷酸溶液，混合比为1:15。
(2)对所述的混合海藻液进行预处理先进行微波预处理，后进行加热预处理。
所述微波预处理采用微波辐射功率150W、频率2450MH，处理时间为10min。
微波预处理后加热预处理。热处理温度为50℃，处理时间为100min。
(3)厌氧发酵阶段。将海藻从预处理罐输入到厌氧发酵罐中，发酵罐中海藻含量稳定在罐体积的75％。
其中实验前首先用氮气吹扫出厌氧发酵罐中的空气，通过加热管将厌氧发酵罐的温度控制在30℃。厌氧发酵罐中固定有两电极极板和直流电流，还有微波能量输出柱和微波发生器，在海藻厌氧发酵的过程中耦合电场和微波的作用发酵5天，收集产生的甲烷。
直流电源的电压为1.5V，所述微波发生器的辐射功率为1000W，辐射时间为100min。
步骤(1)～(3)需要搅拌，搅拌速度为250rmp。
产生的气体主要有甲烷和二氧化碳，其中甲烷浓度达46.8％，气体中未有氢气检出。
实施例3
本实施例提供的电场和微波耦合强化海藻厌氧发酵制取甲烷的方法，包括以下步骤：
(1)将海藻(马尾藻)自然晾晒、烘干至恒重，然后粉碎到25mm，加入质量含水率80％的污泥，混合比为1:10。
(2)对所述的混合溶液进行预处理先进行微波预处理，后进行加热预处理。所述微波预处理采用微波辐射功率180W、微波频率为2450MHz，处理时间为100min。
微波预处理后加热预处理。热处理温度为100℃，处理时间为50min。
(3)厌氧发酵阶段。将海藻从预处理罐输入到厌氧发酵罐中，发酵罐中海藻含量稳定在罐体积的75％。
其中实验前首先用氮气吹扫出厌氧发酵罐中的空气，通过加热管将厌氧发酵罐的温度控制在55℃。厌氧发酵罐中固定有两电极极板和直流电流，还有微波能量输出柱和微波发生器，在海藻厌氧发酵的过程中耦合电场和微波的作用发酵8天，收集产生的甲烷。
直流电源的电压为2.5V，所述微波发生器的辐射功率为10000W，辐射时间为10min。
步骤(1)～(3)需要搅拌，搅拌速度为450rmp。
产生的气体主要有甲烷和二氧化碳，其中甲烷浓度达75.1％，气体中有少量氢气检出。
以上实施例仅用于阐述本发明，而本发明的保护范围并非仅仅局限于以上实施例。所述技术领域的普通技术人员依据以上本发明公开的内容和各参数所取范围，均可实现本发明的目的。

Claims (6)

1.一种电场和微波耦合强化海藻厌氧发酵制取甲烷的方法，其特征是包括以下步骤：
（1）选取海藻，预处理后，加入水或其他溶液，得海藻混合液；
（2）取步骤（1）中的海藻混合液，先进行微波预处理，再进行加热预处理；
（3）将经步骤（2）微波预处理和加热预处理的海藻混合液在直流电场和微波的作用下进行厌氧发酵处理， 在厌氧发酵过程中产生有甲烷，收集产生的甲烷即可；
步骤（2）中微波预处理时，微波辐射频率为2450MHz，功率为150~850W、处理时间为10~200min；
步骤（2）中加热预处理时，温度为50~150℃，处理时间为40~150min；
步骤（3）中将经步骤（2）微波预处理和加热预处理的海藻混合液在直流电场和微波的作用下以及搅拌条件下进行厌氧发酵处理时，厌氧发酵处理时温度为30~150℃，厌氧发酵时间为3~14天；
步骤（3）中将经步骤（2）微波预处理和加热预处理的海藻混合液在直流电场和微波的作用下以及搅拌条件下进行厌氧发酵处理时，在厌氧发酵容器中进行，所述厌氧发酵容器中设有两电极极板和与所述两电极极板通过导线相连接的直流电源，以及微波发生器和与所述微波发生器相连的微波能量输出柱，其中所述直流电源的电压为0.2~2.5V，所述微波发生器的辐射功率为 500~10000W，辐射时间为 10~100min。
2.根据权利要求1所述的电场和微波耦合强化海藻厌氧发酵制取甲烷的方法，其特征是：步骤（1）中所述的海藻为条浒苔、马尾藻、海带、羊栖菜、紫菜和江蓠中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的电场和微波耦合强化海藻厌氧发酵制取甲烷的方法，其特征是：步骤（1）中所述预处理包括自然晾晒、烘干至恒重、粉碎，其中粉碎后海藻的长度为2~40mm。
4.根据权利要求1所述的电场和微波耦合强化海藻厌氧发酵制取甲烷的方法，其特征是：步骤（1）中所述海藻与所述的水或所述其他溶液的质量份配比为1:1~20，所述的其他溶液为污泥溶液，所述污泥溶液的含水率为75~80%，或所述其他溶液为蛋白酶溶液，或所述其他溶液为化学溶液，所述化学溶液为硫酸溶液、盐酸溶液、磷酸溶液、氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、碳酸钠溶液、碳酸氢钠溶液或尿素溶液，其质量百分含量为0.5~98%。
5.根据权利要求1所述的电场和微波耦合强化海藻厌氧发酵制取甲烷的方法，其特征是：步骤（3）中将经步骤（2）微波预处理和加热预处理的海藻混合液在直流电场和微波的作用下以及搅拌条件下进行厌氧发酵处理时，在厌氧发酵容器中进行，所述海藻混合液的加入量占所述厌氧发酵容器总体积的60%~75%，进行厌氧发酵处理前先采用氮气吹扫出厌氧发酵容器中的空气。
6.根据权利要求1所述的电场和微波耦合强化海藻厌氧发酵制取甲烷的方法，其特征是：步骤（1）~（3）需要搅拌，搅拌速度为25~450rmp。
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