[发明专利]水生植物与畜禽粪便光暗梯级耦合生物制氢方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于生物能源技术领域，具体涉及一种采用水生植物和畜禽粪便光暗耦合厌氧发酵制备氢气的装置。

本发明还涉及利用上述装置进行制氢的方法。

背景技术

全球不可再生能源的日益枯竭和环境污染问题，对人类的生存和可持续发展构成了严重威胁，开发具有高附加值的清洁能源已成为研究热点。氢气作为高效、清洁、可再生的能源，主要通过电解水制氢、化石燃料制氢，以及生物制氢途径获得。其中，生物制氢可利用微生物在厌氧条件分解有机废弃物等生物质制备氢气，具有治污、环保和产能等多重优越性，引起国内外学者的日益关注，应用前景广阔。

我国是世界上农村有机废弃物产出量最大的国家，每年大约有40多亿t，其中畜禽粪便排放量26.1亿t，农作物秸秆7.0亿t。我国畜禽养殖业发展速度，但相关处理处置技术与配套设施却相对滞后，80％以上的规模化养殖场没有足够配套处理设施消纳其产生的粪便，大量畜禽粪便任意排放，污染物通过农田地表径流、农田排水和地下渗漏进入就近水体，造成水环境污染；另一方面，水生植物作为人工湿地、氧化塘等污水净化系统的重要构筑物，除部分用作饲料、燃料外，大部分在水中腐败，对水环境系统造成二次污染，严重影响了村镇生态环境与人居环境质量。因此，畜禽粪便、水生植物的高值化利用成为村镇有机废弃物减排与生物能源开发过程中亟待解决的关键问题。

生物制氢过程可分为厌氧光合制氢和厌氧暗发酵制氢两大类。其中，前者所利用的微生物为厌氧光合细菌及某些藻类，后者则利用厌氧化能异养菌。与光合制氢相比，暗发酵制氢过程具有比产氢速率高、不受光照时间限制、可利用的有机物范围广、工艺简单等优点，在利用有机废弃物生物制氢研究中更具有发展潜力。然而，研究表明，暗发酵制氢除产生氢气和二氧化碳以外，其末端代谢产物中含有大量低分子有机酸，挥发性有机酸的底物反馈抑制作用是造成暗发酵产氢量低和产氢不稳定的主要原因。光合细菌是最古老的细菌类群之一，可与多种生物组建形成良好的微生态产氢体系，高效利用暗发酵末端代谢产生的挥发性有机酸，将其进一步降解为氢气和二氧化碳，有效解决了暗发酵有机酸的反馈抑制作用，使其在转化可再生生物质资源生产氢能方面具有显著优势。因此，以水生植物和畜禽粪便为底物，利用不同微生物对底物的高度特异性，将暗发酵与光发酵制氢过程相耦合，不仅可以大幅度提高底物有机质氢能转化效率，实现底物的彻底分解处理并制取高品质氢气，还可以减少有机废弃物的排放，降低制氢成本，达到减排产能的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水生植物与畜禽粪便光暗梯级耦合生物制氢装置。

本发明的又一目的在于提供一种利用上述装置进行制氢的方法。

为实现上述目的，本发明提供的水生植物与畜禽粪便光暗梯级耦合生物制氢装置，主要包括：

一暗发酵产氢罐，顶部设有生物气出口，底部设有出料口，中部设有进料口和出液口，暗发酵产氢罐的罐体外部设有控制发酵温度的加热套，罐体内部设有搅拌器和三相分离器；

一光发酵制氢反应器，由光发酵产氢罐和管道式光反应器组成，其中光发酵产氢罐的罐体由透光的有机玻璃制成，罐体外部设有控制发酵的加热套，光发酵产氢罐上部设有布水器，布水器上方为生物气出口，光发酵产氢罐的中部设有进液口，底部设有出料口，该出料口通过循环泵与管道式光反应器的进料口连接，管道式光反应器的出料口与光发酵产氢罐的进料口连接；

暗发酵产氢罐的出液口和光发酵产氢罐的进液口相连接；

暗发酵产氢罐顶部的生物气出口和光发酵产氢罐顶部的生物气出口连接至储氢罐；

管道式光反应器是由透明管固定在支架上构成，支架上安装有黄色光源提供光照。

所述的制氢装置，其中，暗发酵产氢罐的罐体为不锈钢材质，光发酵产氢罐的罐体由双层透光的有机玻璃制成。

所述的制氢装置，其中，暗发酵产氢罐顶部的生物气出口和光发酵产氢罐顶部的生物气出口各通过一气体流量计连接至储氢罐。

所述的制氢装置，其中，管道式光反应器中的透明管是透明硅胶管。

所述的制氢装置，其中，管道式光反应器中的黄色光源为黄色荧光灯。

本发明提供的利用上述装置进行水生植物与畜禽粪便光暗耦合厌氧发酵制备氢气的方法，是将超声波-酸化复合处理后的水生植物和畜禽粪便按质量比为2∶1-10∶1的比例混合后加入暗发酵产氢罐中，接入经烘干与微波预处理的pH为5-7的活性污泥作为菌源，菌源接种的质量比为15-30％，并通入氮气排除制氢装置中的空气，于30-50℃进行连续发酵产氢；