專利名稱：水生植物與畜禽糞便光暗梯級耦合生物制氫方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用水生植物和畜禽糞便光暗耦合厭氧發(fā)酵制備氫氣的裝置。本發(fā)明還涉及利用上述裝置進(jìn)行制氫的方法。
背景技術(shù)：
全球不可再生能源的日益枯竭和環(huán)境污染問題，對人類的生存和可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，開發(fā)具有高附加值的清潔能源已成為研究熱點(diǎn)。氫氣作為高效、清潔、可再生的能源，主要通過電解水制氫、化石燃料制氫，以及生物制氫途徑獲得。其中，生物制氫可利用微生物在厭氧條件分解有機(jī)廢棄物等生物質(zhì)制備氫氣，具有治污、環(huán)保和產(chǎn)能等多重優(yōu)越性，引起國內(nèi)外學(xué)者的日益關(guān)注，應(yīng)用前景廣闊。我國是世界上農(nóng)村有機(jī)廢棄物產(chǎn)出量最大的國家，每年大約有40多億t，其中畜禽糞便排放量26. I億t，農(nóng)作物秸桿7. 0億t。我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展速度，但相關(guān)處理處置技術(shù)與配套設(shè)施卻相對滯后，80%以上的規(guī)?；B(yǎng)殖場沒有足夠配套處理設(shè)施消納其產(chǎn)生的糞便，大量畜禽糞便任意排放，污染物通過農(nóng)田地表徑流、農(nóng)田排水和地下滲漏進(jìn)入就近水體，造成水環(huán)境污染；另一方面，水生植物作為人工濕地、氧化塘等污水凈化系統(tǒng)的重要構(gòu)筑物，除部分用作飼料、燃料外，大部分在水中腐敗，對水環(huán)境系統(tǒng)造成二次污染，嚴(yán)重影響了村鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境與人居環(huán)境質(zhì)量。因此，畜禽糞便、水生植物的高值化利用成為村鎮(zhèn)有機(jī)廢棄物減排與生物能源開發(fā)過程中亟待解決的關(guān)鍵問題。生物制氫過程可分為厭氧光合制氫和厭氧暗發(fā)酵制氫兩大類。其中，前者所利用的微生物為厭氧光合細(xì)菌及某些藻類，后者則利用厭氧化能異養(yǎng)菌。與光合制氫相比，暗發(fā)酵制氫過程具有比產(chǎn)氫速率高、不受光照時(shí)間限制、可利用的有機(jī)物范圍廣、工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，在利用有機(jī)廢棄物生物制氫研究中更具有發(fā)展?jié)摿?。然而，研究表明，暗發(fā)酵制氫除產(chǎn)生氫氣和二氧化碳以外，其末端代謝產(chǎn)物中含有大量低分子有機(jī)酸，揮發(fā)性有機(jī)酸的底物反饋抑制作用是造成暗發(fā)酵產(chǎn)氫量低和產(chǎn)氫不穩(wěn)定的主要原因。光合細(xì)菌是最古老的細(xì)菌類群之一，可與多種生物組建形成良好的微生態(tài)產(chǎn)氫體系，高效利用暗發(fā)酵末端代謝產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)酸，將其進(jìn)一步降解為氫氣和二氧化碳，有效解決了暗發(fā)酵有機(jī)酸的反饋抑制作用，使其在轉(zhuǎn)化可再生生物質(zhì)資源生產(chǎn)氫能方面具有顯著優(yōu)勢。因此，以水生植物和畜禽糞便為底物，利用不同微生物對底物的高度特異性，將暗發(fā)酵與光發(fā)酵制氫過程相耦合，不僅可以大幅度提聞底物有機(jī)質(zhì)氫!能轉(zhuǎn)化效率，實(shí)現(xiàn)底物的徹底分解處理并制取聞品質(zhì)氧氣，還可以減少有機(jī)廢棄物的排放，降低制氫成本，達(dá)到減排產(chǎn)能的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種水生植物與畜禽糞便光暗梯級耦合生物制氫裝置。本發(fā)明的又一目的在于提供一種利用上述裝置進(jìn)行制氫的方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的水生植物與畜禽糞便光暗梯級耦合生物制氫裝置，主要包括一暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐，頂部設(shè)有生物氣出口，底部設(shè)有出料口，中部設(shè)有進(jìn)料口和出液口，暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐的罐體外部設(shè)有控制發(fā)酵溫度的加熱套，罐體內(nèi)部設(shè)有攪拌器和三相分離器；一光發(fā)酵制氫反應(yīng)器，由光發(fā)酵產(chǎn)氫罐和管道式光反應(yīng)器組成，其中光發(fā)酵產(chǎn)氫罐的罐體由透光的有機(jī)玻璃制成，罐體外部設(shè)有控制發(fā)酵的加熱套，光發(fā)酵產(chǎn)氫罐上部設(shè)有布水器，布水器上方為生物氣出口，光發(fā)酵產(chǎn)氫罐的中部設(shè)有進(jìn)液口，底部設(shè)有出料口，該出料口通過循環(huán)泵與管道式光反應(yīng)器的進(jìn)料口連接，管道式光反應(yīng)器的出料口與光發(fā)酵產(chǎn)氫罐的進(jìn)料口連接；
暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐的出液口和光發(fā)酵產(chǎn)氫罐的進(jìn)液口相連接；暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐頂部的生物氣出口和光發(fā)酵產(chǎn)氫罐頂部的生物氣出口連接至儲氫te ；管道式光反應(yīng)器是由透明管固定在支架上構(gòu)成，支架上安裝有黃色光源提供光照。所述的制氫裝置，其中，暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐的罐體為不銹鋼材質(zhì)，光發(fā)酵產(chǎn)氫罐的罐體由雙層透光的有機(jī)玻璃制成。所述的制氫裝置，其中，暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐頂部的生物氣出口和光發(fā)酵產(chǎn)氫罐頂部的生物氣出口各通過一氣體流量計(jì)連接至儲氫罐。所述的制氫裝置，其中，管道式光反應(yīng)器中的透明管是透明硅膠管。所述的制氫裝置，其中，管道式光反應(yīng)器中的黃色光源為黃色熒光燈。本發(fā)明提供的利用上述裝置進(jìn)行水生植物與畜禽糞便光暗耦合厭氧發(fā)酵制備氫氣的方法，是將超聲波-酸化復(fù)合處理后的水生植物和畜禽糞便按質(zhì)量比為2 1-10 I的比例混合后加入暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐中，接入經(jīng)烘干與微波預(yù)處理的PH為5-7的活性污泥作為菌源，菌源接種的質(zhì)量比為15-30%，并通入氮?dú)馀懦茪溲b置中的空氣，于30-50°C進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵產(chǎn)氫；暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐的發(fā)酵液進(jìn)入光發(fā)酵制氫反應(yīng)器，并在光發(fā)酵產(chǎn)氫罐中接種光合細(xì)菌，光合細(xì)菌接種質(zhì)量比為5-15%，發(fā)酵液pH為7. 0-8. 0，黃光燈提供光照，30-45 °C下進(jìn)行光發(fā)酵產(chǎn)氫。所述的方法，其中，水生植物和畜禽糞便預(yù)先進(jìn)行破碎，于室溫加入無機(jī)酸調(diào)節(jié)pH至2-5進(jìn)行酸化處理后，洗滌至pH值為6-7烘干使用；無機(jī)酸為鹽酸、硫酸和磷酸中的一種或幾種。所述的方法，其中，活性污泥的烘干與微波預(yù)處理是將活性污泥在60-100°C加熱至未炭化狀態(tài)，或于500-1000W的微波中處理至未炭化狀態(tài)，或?qū)⒒钚晕勰嘣?0-100°C加熱后于500-1000w的微波中處理至未炭化狀態(tài)。所述的方法，其中，活性污泥用鹽酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH為5-7。所述的方法，其中，光合細(xì)菌為紅假單胞菌、深紅紅螺菌、液胞外硫紅螺菌和類球紅細(xì)菌的一種或幾種。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(I)本發(fā)明利用超聲波與酸化復(fù)合預(yù)處理發(fā)酵底物，可以有效破壞水生植物的纖維素結(jié)構(gòu)，釋放畜禽糞便中有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)，從而提高氫氣產(chǎn)量，縮短產(chǎn)氫反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間。(2)本發(fā)明采用烘干與微波處理厭氧活性污泥，與傳統(tǒng)酸、堿、加熱法相比進(jìn)一步提高了產(chǎn)氫菌群活性，增加了生物氣中氫氣含量，增大氫氣產(chǎn)量。(3)本發(fā)明以水生植物和畜禽養(yǎng)殖排放的糞便作為發(fā)酵底物，使兩者優(yōu)勢互補(bǔ)，從而保證厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行。通過該發(fā)明方法的應(yīng)用，能夠?qū)⒖稍偕Y源利用、污染治理和制氫聯(lián)合進(jìn)行，在有機(jī)廢棄物高值化利用的同時(shí)實(shí)現(xiàn)減排產(chǎn)能的目標(biāo)。(4)本發(fā)明的制氫裝置，首先通過暗發(fā)酵處理 有機(jī)廢棄物制取氫氣，再利用暗發(fā)酵代謝產(chǎn)物進(jìn)行光合細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫，通過管道式光反應(yīng)器和光發(fā)酵產(chǎn)氫罐串聯(lián)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氫效率的顯著提高和有機(jī)廢棄物的充分降解。氫氣生物能源不會(huì)對環(huán)境造成二次污染，可以替代化石能源，緩解能源危機(jī)。(5)本發(fā)明的制氫裝置構(gòu)造簡單，易于操作及控制，反應(yīng)條件溫和，產(chǎn)生的氫氣可以用于發(fā)酵罐的溫度控制，動(dòng)力能耗少，且光發(fā)酵階段光照充分，保證了產(chǎn)氫反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行。


圖I為水生植物與畜禽糞便光暗梯級耦合生物制氫工藝流程圖； 圖2為光-暗梯級耦合厭氧發(fā)酵制氫裝置圖。附圖中標(biāo)記說明I暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐；2光發(fā)酵產(chǎn)氫罐；3管道式光反應(yīng)器；4進(jìn)料口 ；5出料口 ；6加熱套；7攪拌器；8三相分離器；9流加罐；10出氣口 ；11氣體流量計(jì)；12儲氫罐；13布水器；14循環(huán)泵；15光源。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明采用畜禽養(yǎng)殖排放的糞便與水生植物有機(jī)質(zhì)多底物聯(lián)合發(fā)酵制氫，利用光暗梯級發(fā)酵制氫反應(yīng)裝置提供了一種耦合生物制氫的方法，有效解決了暗發(fā)酵產(chǎn)氫效率低、產(chǎn)氫不穩(wěn)定，光發(fā)酵制氫成本高、工藝復(fù)雜等問題，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)廢棄物高值化利用。不僅能夠減輕畜禽糞便、水生植物導(dǎo)致的環(huán)境污染，解決農(nóng)業(yè)廢棄物的處置問題，還可通過有機(jī)廢棄物的高值化生產(chǎn)綠色生物能源，在一定程度上減少對化石燃料的依賴，優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善。本發(fā)明利用水生植物有效補(bǔ)充畜禽糞便厭氧暗發(fā)酵過程中的碳素?fù)p失，平衡發(fā)酵體系碳氮比，同時(shí)光合細(xì)菌能夠?qū)蛋l(fā)酵液相代謝產(chǎn)物中的低分子有機(jī)酸徹底降解為氫氣和二氧化碳，有效提高氫氣產(chǎn)量。本發(fā)明通過光發(fā)酵制氫與暗發(fā)酵制氫的優(yōu)勢互補(bǔ)，構(gòu)建了光暗梯級耦合制氫反應(yīng)裝置。利用該裝置進(jìn)行制氫的方法反應(yīng)條件溫和，運(yùn)行能耗低，可以在降解有機(jī)物的同時(shí)產(chǎn)生氫氣，保證厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過程的微生物代謝平衡，有效解決了厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效率低，產(chǎn)氫過程不穩(wěn)定等問題。請參閱圖1，本發(fā)明提出的多底物光暗梯級耦合厭氧發(fā)酵制備氫氣的主要技術(shù)路線，其特征在于I)超聲波與酸化復(fù)合預(yù)處理首先將一定量的水生植物、畜禽糞便置于超聲波破碎儀中處理，頻率20-45kHz，破碎時(shí)間5-15s，間歇5-20s，處理時(shí)間10_30min，取出于室溫加入無機(jī)酸(包括鹽酸、硫酸和磷酸中的一種或幾種)調(diào)節(jié)PH至2-5，酸化處理4-24h，洗滌至pH值為6-7，烘干備用。2)暗發(fā)酵制氫的方法將超聲波-酸化復(fù)合處理后的水生植物和畜禽糞便按比例混合后加入產(chǎn)氫反應(yīng)器中，質(zhì)量比為2 1-10 I。接入取自厭氧沼氣池的活性污泥作為菌源，一般接種量為15 30% (質(zhì)量比)，厭氧活性污泥經(jīng)烘干-微波復(fù)合預(yù)處理后去除大多數(shù)產(chǎn)甲烷菌，采用鹽酸或氫氧化鈉將污泥PH調(diào)制5-7，外部加熱套控制發(fā)酵溫度為30-50°C，通入氮?dú)鈒_5min以排除培養(yǎng)體系中的空氣，并添加去離子水或沼液進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氫，連續(xù)產(chǎn)氫6-20天后，終止反應(yīng)，采用氣相-質(zhì)譜聯(lián)用色譜儀測定氣相和液相產(chǎn)物組成，濕式氣體流量計(jì)測定產(chǎn)氣量。 進(jìn)一步的，本發(fā)明所述的活性污泥產(chǎn)氫菌群篩選方法可以是烘干，也可以是微波處理，或者先烘干然后再用微波處理。其中，烘干法是將污泥在60-100°C加熱6-24h ;微波法是將污泥置于微波發(fā)生器中處理20-60min后冷卻，微波發(fā)生器功率為500-1000 ，或者將污泥在60-100°C加熱6 24h,然后置于微波發(fā)生器中處理20_60min后冷卻，微波發(fā)生器功率為500-1000 ?；钚晕勰喈a(chǎn)氫菌群篩選方法中需要控制活性污泥不能被炭化。本發(fā)明所述的厭氧發(fā)酵制氫方法可以運(yùn)用到多種新鮮或干燥的水生植物，包括挺水植物(蘆葦、香蒲、菖蒲、水芹、水蔥、再力花等)，浮水植物(水葫蘆、綠浮萍等)，沉水植物(黑藻等)，微藻(小球藻、柵藻、杜氏藻等)。進(jìn)一步的，本發(fā)明厭氧發(fā)酵制氫所用畜禽糞便可以運(yùn)用到多種動(dòng)物糞便，包括豬糞、牛糞、羊糞、馬糞、雞糞、鴨糞、鵝糞等。3)光發(fā)酵制氫的方法利用光合細(xì)菌對步驟2所產(chǎn)生的小分子有機(jī)酸和醇類發(fā)酵代謝液進(jìn)行光厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫。按照質(zhì)量比5-15%的接種量向步驟2產(chǎn)生的液相產(chǎn)物中接種光合細(xì)菌，控制溫度為30-45°C，pH為7. 0-8. 0，光源為黃光，光照強(qiáng)度2500-55001uX條件下進(jìn)行光發(fā)酵產(chǎn)氫。進(jìn)一步的，本發(fā)明所述光厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫持續(xù)時(shí)間為3-10天。進(jìn)一步的，本發(fā)明所述光合細(xì)菌包括，但不局限于紅假單胞菌、深紅紅螺菌、液胞外硫紅螺菌、類球紅細(xì)菌。本發(fā)明的用于上述方法的光-暗梯級耦合制氫裝置，包括依次連接的暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐、光發(fā)酵產(chǎn)氫罐和管道式光反應(yīng)器，管道式光反應(yīng)器的進(jìn)料口和出料口與光發(fā)酵產(chǎn)氫罐相連。進(jìn)一步的，本發(fā)明裝置中暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐罐體為不銹鋼材質(zhì)，頂部設(shè)有生物氣出口，底部設(shè)有出料口，罐體中部設(shè)有進(jìn)料口，罐體外部加熱套控制發(fā)酵溫度，發(fā)酵罐內(nèi)部設(shè)有攪拌器和三相分離器，可以實(shí)現(xiàn)固、液、氣的分離。所述光發(fā)酵制氫反應(yīng)器與暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐串聯(lián)連接，光發(fā)酵制氫反應(yīng)器由光發(fā)酵產(chǎn)氫罐與管道式光反應(yīng)器組成，光發(fā)酵產(chǎn)氫罐罐體由雙層有機(jī)玻璃制成，透光性能良好，通過該加熱套控制發(fā)酵溫度，發(fā)酵罐頂部設(shè)有布水器和生物氣出口，底部設(shè)有出料口，經(jīng)循環(huán)泵與管道式光反應(yīng)器串聯(lián)連接。儲氫罐通過管道與光發(fā)酵、暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐頂部出氣口相連，實(shí)現(xiàn)生物氣的回收利用。進(jìn)一步的，所述管道式光反應(yīng)器由透明硅膠管緊密纏繞在柱狀支架上，硅膠管內(nèi)徑為L 5-3. 0cm，柱狀支架內(nèi)徑為15. 0-30. 0cm，高度0. 5-1. 5m，內(nèi)部由四只40w黃色熒光燈提供光照。進(jìn)一步的，所述儲氫裝置由生物氣收集，除濕，除二氧化碳，以及氫氣壓縮儲存等工藝組成。與現(xiàn)有厭氧發(fā)酵反應(yīng)器相比，本發(fā)明在厭氧暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐中同時(shí)設(shè)置了攪拌器和三項(xiàng)分離器，為便于工藝操作改進(jìn)了進(jìn)料口和出水口位置，并設(shè)置了多個(gè)出水口。利用四通閥將暗發(fā)酵罐的出水口與光發(fā)酵罐進(jìn)料口相連，簡化了操作方式，降低了構(gòu)建成本。本發(fā)明所述的光發(fā)酵制氫反應(yīng)器，與現(xiàn)有發(fā)酵罐具有顯著的差異性和優(yōu)越性。首先它不只是將光發(fā)酵產(chǎn)氫罐與管道式光生物反應(yīng)器簡單連接， 而是綜合了管道式光生物反應(yīng)器光照面積大，光發(fā)酵罐溫度、PH等發(fā)酵條件易于控制等優(yōu)點(diǎn)，將管道式光生物反應(yīng)器的進(jìn)水和出水口與光發(fā)酵罐巧妙連接，并在光發(fā)酵罐內(nèi)部設(shè)置布水器，實(shí)現(xiàn)了培養(yǎng)液的無動(dòng)力充分混合。利用該光發(fā)酵裝置不僅能夠?qū)崿F(xiàn)光合細(xì)菌高效降解暗發(fā)酵代謝產(chǎn)物和制取高品質(zhì)氫氣的目的，還可降低運(yùn)行成本、簡化操作步驟，提高產(chǎn)氫效率。本發(fā)明的原理在于畜禽糞便富含有粗蛋白和脂肪，高濃度有機(jī)氮的分解產(chǎn)物具有較強(qiáng)的緩沖能力，可以緩和厭氧發(fā)酵過程中揮發(fā)性脂肪酸所造成的PH波動(dòng)。水生植物富含有機(jī)碳，能夠有效補(bǔ)充畜禽糞便暗發(fā)酵過程中的碳源損失，平衡發(fā)酵體系碳氮比，保證暗發(fā)酵厭氧產(chǎn)氫過程的穩(wěn)進(jìn)行。光合細(xì)菌能夠?qū)蛋l(fā)酵液相代謝產(chǎn)物中的低分子有機(jī)酸徹底降解為氫氣和二氧化碳，從而實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物的高效降解產(chǎn)氫。光-暗梯級耦合產(chǎn)氫反應(yīng)裝置將發(fā)酵罐和管道式光反應(yīng)器的優(yōu)勢集于一身，通過光發(fā)酵產(chǎn)氫罐和暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐外部加熱套控制發(fā)酵溫度，其中暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐內(nèi)部配有攪拌器使發(fā)酵底物與產(chǎn)氫菌群充分混合，并促進(jìn)氫氣溢出，頂部配有三相分離器，實(shí)現(xiàn)底物、發(fā)酵液和生物氣的有效分離。光發(fā)酵產(chǎn)氫罐頂部設(shè)有布水器，通過進(jìn)水和出水實(shí)現(xiàn)光合細(xì)菌與有機(jī)質(zhì)的無動(dòng)力混合。光發(fā)酵產(chǎn)氫罐與管道式光反應(yīng)器連接，使光合細(xì)菌不僅獲得充分的光照還可控制培養(yǎng)條件，實(shí)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)的高效產(chǎn)氫。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做更詳細(xì)地說明。實(shí)施例I本發(fā)明實(shí)施裝置如圖2所示，該反應(yīng)裝置包括暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐I、光發(fā)酵產(chǎn)氫罐2、管道式光反應(yīng)器3。暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐I的罐體為不銹鋼材質(zhì)，罐體頂部設(shè)有生物氣出口 10，中部設(shè)有進(jìn)料口 4，底部設(shè)有出料口 5，通過罐體外部加熱套6控制溫度，暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐內(nèi)部設(shè)有攪拌器7和三相分離器8，實(shí)現(xiàn)固、液、氣的分離。光發(fā)酵制氫反應(yīng)器與暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐串聯(lián)連接，光發(fā)酵制氫反應(yīng)器由光發(fā)酵產(chǎn)氫罐2與管道式光反應(yīng)器3組成，光發(fā)酵產(chǎn)氫罐2的罐體由雙層有機(jī)玻璃制成，通過該加熱套6控制溫度，頂部設(shè)有布水器13和生物氣出口 10，底部設(shè)有出料口 5，經(jīng)循環(huán)泵14與管道式光反應(yīng)器3串聯(lián)連接。儲氫裝置12通過管道與光發(fā)酵產(chǎn)氫罐2、暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐I頂部出氣口 10相連，管道式光反應(yīng)器3由透明硅膠管緊密纏繞在柱狀支架上，內(nèi)部由四只黃色熒光燈15提供光照。本實(shí)施例中發(fā)明方法及裝置的實(shí)際運(yùn)行方式如下取新鮮的水葫蘆經(jīng)破碎機(jī)破碎后，按質(zhì)量比5 I的比例與豬糞混合，置于超聲波破碎儀中處理15min，頻率40kHz，破碎時(shí)間10s，間歇10s。取出于室溫加入鹽酸調(diào)節(jié)pH至3，酸化處理24h，洗滌至pH值為6. 5。將超聲波-酸化復(fù)合處理后的發(fā)酵底物加入暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐I中，接入取自豬糞厭氧沼氣池的活性污泥作為菌源，污泥經(jīng)烘干-微波復(fù)合預(yù)處理后去除大多數(shù)產(chǎn)甲烷菌，污泥接種量為15% (質(zhì)量比)，并補(bǔ)充去離子水使培養(yǎng)體積為發(fā)酵罐有效容積的50%，通過流加罐9調(diào)節(jié)pH為6. 5，外部加熱套6控制發(fā)酵溫度為35°C，攪拌器7速度為150rpm，通入氮?dú)?min以排除發(fā)酵罐中空氣進(jìn)行連續(xù)暗發(fā)酵產(chǎn)氫。暗發(fā)酵產(chǎn)氫后的液相代謝產(chǎn)物經(jīng)出液口進(jìn)入光發(fā)酵產(chǎn)氫罐2,并與管道式光反應(yīng)器3相連，通過進(jìn)水和出水布水器13實(shí)現(xiàn)發(fā)酵液的充分混合。高濃度的沼澤紅假單胞菌菌液經(jīng)進(jìn)料口 4加入光發(fā)酵產(chǎn)氫罐2，添加量為培養(yǎng)體積的10%，通過有機(jī)玻璃加熱套控制光發(fā)酵產(chǎn)氫罐2的發(fā)酵溫度為40°C，調(diào)節(jié)pH為7. 5 ;管道式光反應(yīng)器3由四只40w黃色熒光燈12提供光照，進(jìn)行光發(fā)酵產(chǎn)氫，連續(xù)產(chǎn)氫6天。暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐I和光發(fā)酵產(chǎn)氫罐2產(chǎn)生的生物氣經(jīng)氣體流量計(jì)10測定產(chǎn)氣量，并由外部儲氫裝置11收集。產(chǎn)出的氫氣可以先進(jìn)行純化，經(jīng)過氫氧 化鈉溶液、無水硫酸鎂干燥劑、以及氫氣壓縮機(jī)，獲得干燥純凈的氫氣，并儲存至氫氣罐中。光發(fā)酵產(chǎn)氫后的排水可回收再利用于暗發(fā)酵產(chǎn)氫和預(yù)處理階段。
權(quán)利要求
1.一種水生植物與畜禽糞便光暗梯級耦合生物制氫裝置，主要包括 一暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐，頂部設(shè)有生物氣出口，底部設(shè)有出料口，中部設(shè)有進(jìn)料口和出液口，暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐的罐體外部設(shè)有控制發(fā)酵溫度的加熱套，罐體內(nèi)部設(shè)有攪拌器和三相分離器； 一光發(fā)酵制氫反應(yīng)器，由光發(fā)酵產(chǎn)氫罐和管道式光反應(yīng)器組成，其中光發(fā)酵產(chǎn)氫罐的罐體由透光的有機(jī)玻璃制成，罐體外部設(shè)有控制發(fā)酵的加熱套，光發(fā)酵產(chǎn)氫罐上部設(shè)有布水器，布水器上方為生物氣出口，光發(fā)酵產(chǎn)氫罐的中部設(shè)有進(jìn)液口，底部設(shè)有出料口，該出料口通過循環(huán)泵與管道式光反應(yīng)器的進(jìn)料口連接，管道式光反應(yīng)器的出料口與光發(fā)酵產(chǎn)氫罐的進(jìn)料口連接； 暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐的出液口和光發(fā)酵產(chǎn)氫罐的進(jìn)液口相連接； 暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐頂部的生物氣出口和光發(fā)酵產(chǎn)氫罐頂部的生物氣出口連接至儲氫罐； 管道式光反應(yīng)器是由透明管固定在支架上構(gòu)成，支架上安裝有黃色光源提供光照。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制氫裝置，其中，暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐的罐體為不銹鋼材質(zhì)，光發(fā)酵產(chǎn)氫罐的罐體由雙層透光的有機(jī)玻璃制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制氫裝置，其中，暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐頂部的生物氣出口和光發(fā)酵產(chǎn)氫罐頂部的生物氣出口各通過一氣體流量計(jì)連接至儲氫罐。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制氫裝置，其中，管道式光反應(yīng)器中的透明管是透明硅膠管。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制氫裝置，其中，管道式光反應(yīng)器中的黃色光源為黃色熒光燈。
6.—種水生植物與畜禽糞便光暗稱合厭氧發(fā)酵制備氫氣的方法,將超聲波-酸化復(fù)合處理后的水生植物和畜禽糞便按質(zhì)量比為2 1-10 I的比例混合后加入暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐中，接入經(jīng)烘干與微波預(yù)處理的PH為5-7的活性污泥作為菌源，菌源接種的質(zhì)量比為15-30%，并通入氮?dú)馀懦茪溲b置中的空氣，于30-50°C進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵產(chǎn)氫； 暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐的發(fā)酵液進(jìn)入光發(fā)酵制氫反應(yīng)器，并在光發(fā)酵產(chǎn)氫罐中接種光合細(xì)菌，光合細(xì)菌接種質(zhì)量比為5-15%，發(fā)酵液pH為7. 0-8.0，黃光燈提供光照，30-451下進(jìn)行光發(fā)酵產(chǎn)氫。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，水生植物和畜禽糞便預(yù)先進(jìn)行破碎，于室溫加入無機(jī)酸調(diào)節(jié)PH至2-5進(jìn)行酸化處理后，洗滌至pH值為6-7，烘干使用；所述的無機(jī)酸為鹽酸、硫酸和磷酸中的一種或幾種。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，活性污泥的烘干與微波預(yù)處理是將活性污泥在60-100°C加熱至未炭化狀態(tài)，或于500-1000w的微波中處理至未炭化狀態(tài)，或?qū)⒒钚晕勰嘣?0-100°C加熱后于500-1000W的微波中處理至未炭化狀態(tài)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或8所述的方法，其中，活性污泥用鹽酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH為5-7。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，光合細(xì)菌為紅假單胞菌、深紅紅螺菌、液胞外硫紅螺菌和類球紅細(xì)菌的一種或幾種。
全文摘要
一種水生植物與畜禽糞便光暗耦合厭氧發(fā)酵制備氫氣的方法，將超聲波-酸化復(fù)合處理后的水生植物和畜禽糞便按質(zhì)量比為2∶1-10∶1的比例混合后加入暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐中，接入經(jīng)烘干與微波預(yù)處理的pH為5-7的活性污泥作為菌源，菌源接種的質(zhì)量比為15-30％，并通入氮?dú)馀懦茪溲b置中的空氣，于30-50℃進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵產(chǎn)氫；暗發(fā)酵產(chǎn)氫罐的發(fā)酵液進(jìn)入光發(fā)酵制氫反應(yīng)器，并在光發(fā)酵產(chǎn)氫罐中接種光合細(xì)菌，光合細(xì)菌接種質(zhì)量比為5-15％，發(fā)酵液pH為7.0-8.0，黃光燈提供光照，30-45℃下進(jìn)行光發(fā)酵產(chǎn)氫。本發(fā)明還公開了用于實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置。本發(fā)明的方法有效提高了有機(jī)廢棄物產(chǎn)氫量。
文檔編號C12P3/00GK102766571SQ201210230788
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月4日
發(fā)明者夏訓(xùn)峰, 席北斗, 張列宇, 李曉光, 賈璇, 趙穎, 郭麗崗 申請人:中國環(huán)境科學(xué)研究院