[发明专利]一种负碳性排放的生物氢烷联产发酵系统及方法

说明书

本发明公开一种负碳性排放的生物氢烷联产发酵系统和方法，包括暗‑光联合产氢装置，氢气质量检测系统，氢气提纯装置，集气罐，超微气泡纳米装置，产甲烷装置，甲烷提纯装置，所述暗‑光联合产氢装置为一体化反应器，内部设有暗发酵产氢单元和光合发酵产氢单元。把低质氢通入产甲烷相，在甲烷菌的作用下，还原二氧化碳生成甲烷，此过程不仅降低了氢气提纯的成本，也提高了甲烷生成量，同时把高质氢气和甲烷提纯过程中捕集到的二氧化碳回流到产甲烷反应器，在产甲烷菌的作用下加氢转化成甲烷，这样的组合系统实现了生物质厌氧发酵过程中二氧化碳的负排放目标。

技术领域

本发明属于碳减排及清洁能源高效利用领域，具体涉及一种负碳性排放的生物氢烷联产发酵系统及方法。

背景技术

随着“碳达峰、碳中和”和目标的提出，废弃生物质资源利用正从重视利用规模转向重视利用价值；从重视经济价值转向经济价值、环保价值和社会价值并重。利用量大来源广的废弃生物质为原料来制取氢气是实现废弃生物质高值化利用的有效途径之一，也为降低制氢成本提供了思路。生物发酵制氢具有反应条件温和、过程简单、原料来源广和制氢方式多样化，在生物制氢技术中，暗-光联合产氢具有较高的底物转化率，成为发展制氢技术最有潜力的选择。但是生物制氢过程中，产氢微生物主要利用纤维素水解出来的糖类有机质，而淀粉、蛋白质等物质得不到有效的利用，另外在产氢发酵过程中由于抑制物的累积阻断了产氢代谢造成一定浓度的有机酸残留在发酵尾液中，阻碍了发酵过程底物转化。相对于产氢微生物来说，产甲烷菌拥有着较强的代谢能力，不仅能利用可降解的纤维素，也可以利用秸秆中的淀粉和蛋白质等物质，具有较高降解能力，但是氢气的热值高于甲烷，由此看出单相发酵限制了底物能量的转化，利用两类微生物代谢特性，进行产氢、产甲烷发酵，不仅能获得高热值的可燃气即生物氢烷（20%左右的氢气和80%左右的甲烷），也能实现底物的高效转化。生物氢烷气体相对于甲烷气体来说具有较高的热值，其储存与应用较生物氢气更加安全。从微生物代谢角度分析，生物厌氧制氢相当于生物厌氧产甲烷过程中产酸产氢阶段，产酸产氢阶段和产甲烷阶段分开运行称为两相厌氧发酵，两相厌氧发酵技术可以解除菌种间的拮抗作用，在产气量、有机物去除率和系统的稳定性有着显著的优势。

在生物发酵制氢气的过程，生成气体主要成分为氢气和二氧化碳，当菌种处于对数期时氢气生成速率快、浓度高此阶段氢气称为高质氢，而其它阶段氢气浓度较低，二氧化碳浓度高称为低质氢，低质氢增加了氢气提纯成本和工作难度，同时在甲烷发酵过程中，产生的气体主要为甲烷和二氧化碳，无论是高质氢、低质氢或生物沼气经过提纯后的气体均可作为燃料，而二氧化碳通常直接排放，这不符合低碳和可持续的发展战略。通过分析生物厌氧发酵过程，甲烷的生成可分两中途径，一是有机酸等物质被分解成甲烷和二氧化碳，二是通过氢气还原二氧化碳形成甲烷。基于此，若把低质氢通入产甲烷相，在甲烷菌的作用下，还原二氧化碳生成甲烷，此过程不仅降低了氢气提纯的成本，也提高了甲烷生成量，同时把高质氢气和甲烷提纯过程中捕集到的二氧化碳回流到产甲烷反应器，在产甲烷菌的作用下加氢转化成甲烷，这样的组合系统实现了生物质厌氧发酵过程中二氧化碳的负排放目标。通过生物质多阶段发酵制备氢烷并进行碳捕捉与封存，不仅实现了农作物秸秆高值化利用也实现了生物质的负碳性利用。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种负碳性排放的生物氢烷联产发酵系统和方法。

一种负碳性排放的生物氢烷联产发酵系统，包括暗-光联合产氢装置，氢气质量检测系统，氢气提纯装置，集气罐，超微气泡纳米装置，产甲烷装置，甲烷提纯装置，所述暗-光联合产氢装置为一体化反应器，内部设有暗发酵产氢单元和光合发酵产氢单元，所述暗-光联合产氢装置与氢气质量检测系统通过金属软管连接，所述氢气质量检测系统通过金属软管连接氢气提纯装置，所述氢气质量检测系统和氢气提纯装置之间通过金属软管连接。

优选的，所述暗发酵产氢单元和光合发酵产氢单元之间设有0.2μm醋酸纤维膜。

优选的，所述氢气质量检测系统可包括在线气体分析仪。

优选的，所述氢气质量检测系统通过气体流动泵连接氢气提纯装置。