專利名稱：一種有機廢棄物聯(lián)產(chǎn)氫氣和電的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于有機廢棄物處理和清潔能源開發(fā)領域，具體涉及一種有機廢棄物聯(lián)產(chǎn)氫氣和電的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
石化燃料的過渡開發(fā)和利用造成全球氣候變暖、酸雨和生態(tài)環(huán)境破壞和退化已經(jīng)是不爭的事實，而且石化燃料也正面臨耗竭的處境，因此基于環(huán)境和能源考慮，人類迫切需要一種沒有污染的可再生能源。氫能是一種理想的清潔可再生替代燃料，它燃燒后只生成水，沒有其它溫室氣體，可以通過燃料電池直接高效地轉(zhuǎn)化為電能。結(jié)合環(huán)境問題來考慮， 利用各種有機廢棄物(有機廢水和固體有機廢棄物)進行生物制氫是近幾年的一大研究熱點，并被認為是最有可能率先實現(xiàn)商業(yè)化應用生物制氫技術(shù)。與光合發(fā)酵制氫相比，暗發(fā)酵制氫具有以下幾個方面的優(yōu)越性(1)具有較高的產(chǎn)氫速率，為光合產(chǎn)氫速率的100倍；(2) 不需要光源，對原料的透明度沒有要求；(3)可以實現(xiàn)晝夜持續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氫，且反應器設計、 操作及運行管理簡便。然而，生化機理決定了有機廢棄物厭氧發(fā)酵制氫的能源回收效率和有機質(zhì)利用率較低，因為有機質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的同時，伴隨乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等有機酸副產(chǎn)物的生成，且上述副產(chǎn)物在同樣條件下不能進一步轉(zhuǎn)化為氫氣，而是積累在有機廢水中，一方面不能完全回收蘊藏在有機質(zhì)中的能量，且有機酸的積累會對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫造成反饋抑制，另外，有機酸的存在會形成二次污染，無法實現(xiàn)有機廢棄物的深度處理。中國專利200910011663. 2公開了一種利用生物燃料電池反應器產(chǎn)氫并發(fā)電轉(zhuǎn)換的方法，但是其方法產(chǎn)氫或發(fā)電在同一個生物燃料電池反應器中進行，產(chǎn)氫、發(fā)電不能同時進行，兩者只能二選其一。并需要通過通過質(zhì)子形成微生物或酶、微量電源的加載、進料參數(shù)和PH的控制來實現(xiàn)體系產(chǎn)氫和發(fā)電的轉(zhuǎn)換。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種有機廢棄物聯(lián)產(chǎn)氫氣和電的方法及其裝置，提高有機廢棄物的能源回收率，并實現(xiàn)有機廢棄物的深度處理。本發(fā)明中有機廢棄物聯(lián)產(chǎn)氫氣和電的方法，包括以下步驟(1)菌種準備和原料預處理從來自于沼氣池、池塘、污水處理廠的厭氧活性污泥中篩選富集得到本發(fā)明方法中所需要的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫菌和厭氧產(chǎn)電菌；對有機廢棄物進行除雜、破碎；(2)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫將預處理后的原料與厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫菌混合后放置于厭氧產(chǎn)氫反應器內(nèi)，控制反應器PH為4. 5 6. 5，水力停留時間為12 72小時，在厭氧條件下，有機廢棄物在厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫菌的代謝作用下生成有機酸、H2和C02，H2和(X)2混合氣經(jīng)氣體分離后獲得較純氫，含有機酸的廢水或滲濾液從厭氧產(chǎn)氫反應器中排出；(3)微生物燃料電池產(chǎn)電從厭氧產(chǎn)氫反應器中排出的含有機酸的廢水或滲濾液與厭氧產(chǎn)電菌混合后通入微生物燃料電池的陽極室內(nèi)，在厭氧條件下，有機酸在厭氧產(chǎn)電菌的代謝作用下形成CO2、質(zhì)子和電子，質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜進入微生物燃料電池的陰極室，電子經(jīng)陽極電極、外電路和負載傳遞到陰極室的陰極電極上，質(zhì)子、電子以及外界的O2 在陰極電極的催化作用下生成水，至此形成回路，產(chǎn)生持續(xù)電流，從而實現(xiàn)有機酸產(chǎn)電；(4)清水回用或排放有機酸消耗殆盡的清水從微生物燃料電池的陽極室排出， 其中一部分作為工藝用水返回至原料預處理或厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫工段，其余清水向外排放或進行達標處理。所述的有機廢棄物包括有機廢水和固體有機廢棄物，有機廢水優(yōu)選為含糖類、淀粉類有機廢水，固體有機廢棄物優(yōu)選為含糖類、淀粉類和纖維素類固體有機廢棄物。本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于，將厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫工藝和微生物燃料電池產(chǎn)電工藝結(jié)合， 實現(xiàn)有機廢棄物更為徹底的能源化利用。本發(fā)明能夠同時提供氫能和電能，無需改變系統(tǒng)條件。產(chǎn)氫和產(chǎn)電能夠順序同時進行，但分別在兩個反應器中進行，由厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫菌催化產(chǎn)氫，厭氧產(chǎn)電菌催化產(chǎn)電。從原料利用的角度來講，是對原料進行梯級利用，原料首先在厭氧產(chǎn)氫反應器中被厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫菌催化產(chǎn)氫，并伴隨有機酸生成，含有機酸的廢水隨后進入微生物燃料電池，有機酸在厭氧產(chǎn)電菌的催化作用下產(chǎn)電。本發(fā)明的另一個優(yōu)勢還在于，當處理固體有機廢棄物時，無需酵母源微生物參與的液化步驟。本發(fā)明還提出了實現(xiàn)上述方法的裝置，其結(jié)構(gòu)為包括依次連通的進料裝置、厭氧產(chǎn)氫反應器和微生物燃料電池，厭氧產(chǎn)氫反應器的出水口與微生物燃料電池陽極室的進水 □連通。針對有機廢水和固體有機廢棄物，兩者的裝置在具體設計上略有不同，進一步說明如下(1)針對有機廢水的本發(fā)明裝置，包括依次連通的進料泵、厭氧產(chǎn)氫反應器和微生物燃料電池，厭氧產(chǎn)氫反應器設置有進水口、出水口、出氣口和排泥口，厭氧產(chǎn)氫反應器的出氣口與氣體分離器連通，厭氧產(chǎn)氫反應器的出水口與微生物燃料電池陽極室的進水口連通；微生物燃料電池通過質(zhì)子交換膜分隔為陽極室和陰極室，陽極室設置有進水口、出水口、出氣口，陰極室設置有進氣口和出水口，陽極室和陰極室內(nèi)分別設置有陽極電極和陰極電極，陽極電極、負載和陰極電極依次通過外電路連接。(2)針對固體有機廢棄物的本發(fā)明裝置，包括依次連通的進料斗、厭氧產(chǎn)氫反應器和微生物燃料電池，厭氧產(chǎn)氫反應器設置有進料口、出料口、頂部布水器、孔板、滲濾填料、 出氣口和排泥口，頂部布水器可與儲水池及增壓泵連通，厭氧產(chǎn)氫反應器的出氣口與氣體分離器連通，厭氧產(chǎn)氫反應器的出水口與微生物燃料電池陽極室的進水口連通；微生物燃料電池通過質(zhì)子交換膜分隔為陽極室和陰極室，陽極室設置有進水口、出水口、出氣口，陰極室設置有進氣口和出水口；陽極室和陰極室內(nèi)分別設置有陽極電極和陰極電極，陽極電極、負載和陰極電極依次通過外電路連接。作為本發(fā)明的一種改進，為便于工藝操作，各進水口、出水口、進氣口、出氣口、排泥口、進料口、出料口與厭氧產(chǎn)氫反應器、微生物燃料電池和氣體分離器之間設置閥門。所述的厭氧產(chǎn)氫反應器為現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)厭氧反應器。對于處理有機廢水，可選用如下之一塞流式反應器、完全混合式反應器、升流式厭氧污泥床、升流式固體反應器、膨脹顆粒污泥床、內(nèi)循環(huán)厭氧反應器、折流式反應器、厭氧濾器、纖維填料床；對于處理固體有機廢棄物，選用固體滲濾床厭氧反應器。所述的微生物燃料電池為現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)微生物燃料電池，優(yōu)選為空氣陰極微生物燃料電池。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過聯(lián)用厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫和微生物燃料電池技術(shù)，提高能源回收率，擴大原料利用范圍。與單純厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫技術(shù)相比，提高了有機質(zhì)利用率和能源回收率，實現(xiàn)有機質(zhì)更為徹底的能源化利用和有機廢棄物的深度處理；與單純微生物燃料電池技術(shù)相比，擴大了原料利用范圍，不僅能夠利用含有機酸、糖類和淀粉廢水，還可以利用含糖類、淀粉、纖維素類固體有機廢棄物。 本發(fā)明方法和裝置適合處理各種類型的有機廢水和固體有機廢棄物，包括但不局限于有機酸廢水、制糖廢水、淀粉廢水、釀酒廢水、食品加工廢水廢渣、餐廚垃圾、果蔬垃圾、 農(nóng)作物秸稈，通過本發(fā)明的應用，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境治理和清潔可再生能源開發(fā)的有效結(jié)合。


圖1是本發(fā)明方法的工藝流程示意2是實施例中針對有機廢水的實施裝置示意3是實施例中針對固體有機廢棄物的實施裝置示意圖附圖標記說明1-進料泵，2-升流式厭氧反應器，21-進水口，22-出水口，23-出氣口，24-排泥口，3-氣體分離器，4-微生物燃料電池，5-陽極室，51-陽極室進水口，52-陽極室出水口，53-陽極室出氣口，54-陽極電極，6-陰極室，61-陰極室進氣口，62-陰極室出水口，63-陰極電極，7-質(zhì)子交換膜，8-進料斗，9-固體滲濾床厭氧反應器，91-進料口， 92-出料口，93-進水口，94-頂部布水器，95-出水口，96-排泥口，97-出氣口，10-儲水池， 11-增壓泵
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。實施例1 以有機廢水為原料的本發(fā)明實施裝置如圖2所示，其中系統(tǒng)構(gòu)成包括依次連接的進料泵1、升流式厭氧反應器2和微生物燃料電池4，升流式厭氧反應器設置有進水口 21、 出水口 22、出氣口 23和排泥口 24，升流式厭氧反應器的出氣口 23與氣體分離器3相連，升流式厭氧反應器的出水口 22與陽極室進水口 51相通。微生物燃料電池4為現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)微生物燃料電池，優(yōu)選為空氣陰極微生物燃料電池。微生物燃料電池4通過質(zhì)子交換膜 7分隔為陽極室5和陰極室6，陽極室5和陰極室6內(nèi)分別設置有陽極電極M和陰極電極 63，陽極電極M、額定功率為一瓦的小燈泡、陰極電極63依次通過外電路連接，陽極室設置有進水口 51、出水口 52、出氣口 53，陰極室設置有進氣口 61和出水口 62。上述各進水口、出水口、進氣口、出氣口、排泥口與升流式厭氧反應器、微生物燃料電池和氣體分離器之間設置閥門。本實施例中，厭氧產(chǎn)氫反應器亦可選用塞流式反應器、完全混合式反應器、升流式厭氧污泥床、升流式固體反應器、膨脹顆粒污泥床、內(nèi)循環(huán)厭氧反應器、折流式反應器、厭氧濾器、纖維填料床，均可取得同樣技術(shù)效果。
本實施例中發(fā)明裝置的運行方法如下首先，從沼氣池的厭氧活性污泥中分別篩選富集出厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫菌和厭氧產(chǎn)電菌，并分別置于升流式厭氧反應器2和陽極室5內(nèi)，分別向升流式厭氧反應器2和陽極室5 內(nèi)充隊以驅(qū)除A ；將葡萄糖濃度為0. lmol/L的有機廢水通過進料泵1輸送到升流式厭氧反應器2內(nèi)與厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫菌混合，控制反應器內(nèi)的pH值在4. 5 6. 5范圍內(nèi)，水力停留時間為12 72小時；葡萄糖在厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫菌的代謝作用下產(chǎn)生H2、⑶2和乙酸、丙酸、丁酸等有機酸，其中吐和(X)2從反應器頂部的出氣口 23排出，經(jīng)過氣體分離器3分離后獲得純氫，H2的產(chǎn)率為0. 25mol/L ；完成厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的含有機酸廢水從升流式厭氧反應器出水口 22排出并通過陽極室進水口 51進入陽極室5，有機酸在厭氧產(chǎn)電菌的代謝作用下降解形成CO2、質(zhì)子和電子，質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜7進入陰極室6，電子經(jīng)陽極電極M、外電路和小燈泡傳遞到陰極電極63上，質(zhì)子、電子以及來自于陰極室進氣口 61的外界O2在陰極電極 63的催化作用下生成水，至此形成回路，產(chǎn)生持續(xù)電流，小燈泡發(fā)光；有機酸降解過程產(chǎn)生的CO2從陽極室出氣口 53排出，有機酸消耗殆盡的廢水從陽極室出水口 52排出；陰極室6 積累的水定期從陰極室排水口 62排出；為避免減少升流式厭氧反應器2的有效體積，定期從反應器底部的排泥口 M清除污泥。實施例2以固體有機廢棄物為原料的本發(fā)明實施裝置如圖3所示，其中系統(tǒng)構(gòu)成包括依次連接的進料斗8、固體滲濾床厭氧反應器9、微生物燃料電池4，固體滲濾床厭氧反應器設置有進料口 91、出料口 92、進水口 93、頂部布水器94、出水口 95、排泥口 96和出氣口 97，其中頂部布水器94經(jīng)進水口 93和增壓泵11、儲水池10連通。固體滲濾床厭氧反應器底部有滲濾填料，其出氣口 97與氣體分離器3相連，出水口 95與微生物燃料電池4的陽極室進水口 51相通。微生物燃料電池4為現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)微生物燃料電池，優(yōu)選為空氣陰極微生物燃料電池。微生物燃料電池4通過質(zhì)子交換膜7分隔為陽極室5和陰極室6，陽極室5和陰極室6內(nèi)分別設置有陽極電極M和陰極電極63，陽極電極M、額定功率為一瓦的小燈泡、 陰極電極63依次通過外電路連接，陽極室設置有進水口 51、出水口 52、出氣口 53，陰極室設置有進氣口 61和出水口 62。上述各進水口、出水口、進氣口、出氣口、進料口、除料口、排泥口與固體滲濾床厭氧反應器、微生物燃料電池和氣體分離器之間設置閥門。本實施例中發(fā)明裝置的運行方法如下首先，從沼氣池的厭氧活性污泥中分別篩選富集出厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫菌和厭氧產(chǎn)電菌，將干物質(zhì)含量為10%的果蔬垃圾破碎至粒徑Icm以下與厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫菌混合后置于固體滲濾床厭氧反應器9的滲濾填料之上，將厭氧產(chǎn)電菌置于陽極室5內(nèi)，分別向固體滲濾床厭氧反應器9和陽極室5內(nèi)充N2以驅(qū)除& ；控制固體滲濾床厭氧反應器9的pH值在4. 5 6. 5范圍內(nèi)；果蔬垃圾在厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫菌的代謝作用下產(chǎn)生H2、CO2和乙酸、丙酸、丁酸等有機酸，其中H2和(X)2從反應器頂部的出氣口 97排出，經(jīng)過氣體分離器3分離后獲得純氫， H2的產(chǎn)率為15L/kg果蔬垃圾；儲水池10中的水在增壓泵11的作用下從進水口 93進入固體滲濾床厭氧反應器9，并通過頂部布水器94對果蔬垃圾和厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫菌的混合物進行噴淋，此時有機酸溶于水中并在重力作用下穿過滲濾填料和孔板形成滲濾液進入反應器下部，含有機酸的滲濾液從固體滲濾床厭氧反應器出水口 95排出并在進料泵1的輸送作用下從陽極室進水口 51進入陽極室5，有機酸在厭氧產(chǎn)電菌的代謝作用下降解形成CO2、質(zhì)子和電子，質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜7進入陰極室6，電子經(jīng)陽極電極M、外電路和小燈泡傳遞到陰極電極63上，質(zhì)子、電子以及來自于陰極室進氣口 61的外界&在陰極電極63的催化作用下生成水，至此形成回路，產(chǎn)生持續(xù)電流，小燈泡發(fā)光；有機酸降解過程產(chǎn)生的CO2從陽極室排氣口 53排出，有機酸消耗殆盡的廢水從陽極室出水口 52排出至儲水池10貯存；陰極室 6積累的水定期從陰極室排水口 62排出；為避免減少固體滲濾床厭氧反應器9下部的有效體積，定期從反應器底部的排泥口 96清除污泥。 最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導出或聯(lián)想到的所有變形，均應認為是本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種有機廢棄物聯(lián)產(chǎn)氫氣和電的方法，其特征在于包括以下步驟(1)菌種準備和原料預處理從來自于沼氣池、池塘、污水處理廠的厭氧活性污泥中篩選富集得到厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫菌和厭氧產(chǎn)電菌；對有機廢棄物進行除雜、破碎；(2)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫將預處理后的原料與厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫菌混合后放置于厭氧產(chǎn)氫反應器內(nèi)，控制反應器PH為4. 5 6. 5，水力停留時間為12 72小時，在厭氧條件下，有機廢棄物在厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫菌的代謝作用下生成有機酸、H2和C02，H2和(X)2混合氣經(jīng)氣體分離后獲得較純氫，含有機酸的廢水或滲濾液從厭氧產(chǎn)氫反應器中排出；(3)微生物燃料電池產(chǎn)電從厭氧產(chǎn)氫反應器中排出的含有機酸的廢水或滲濾液與厭氧產(chǎn)電菌混合后通入微生物燃料電池的陽極室內(nèi)，在厭氧條件下，有機酸在厭氧產(chǎn)電菌的代謝作用下形成CO2、質(zhì)子和電子，質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜進入微生物燃料電池的陰極室，電子經(jīng)陽極電極、外電路和負載傳遞到陰極室的陰極電極上，質(zhì)子、電子以及外界的O2在陰極電極的催化作用下生成水，至此形成回路，產(chǎn)生持續(xù)電流，從而實現(xiàn)有機酸產(chǎn)電；(4)清水回用或排放。
2.如權(quán)利要求1所述的有機廢棄物聯(lián)產(chǎn)氫氣和電的方法，其特征在于所述微生物燃料電池為空氣陰極微生物燃料電池。
3.一種有機廢棄物聯(lián)產(chǎn)氫氣和電的裝置，其特征在于包括依次連通的進料裝置、厭氧產(chǎn)氫反應器和微生物燃料電池，厭氧產(chǎn)氫反應器的出水口與微生物燃料電池陽極室的進水 □連通。
4.如權(quán)利要求3所述的有機廢棄物聯(lián)產(chǎn)氫氣和電的裝置，其特征在于厭氧產(chǎn)氫反應器設置有進水口、出水口、出氣口和排泥口，厭氧產(chǎn)氫反應器的出氣口與氣體分離器連通；微生物燃料電池通過質(zhì)子交換膜分隔為陽極室和陰極室，陽極室設置有進水口、出水口、出氣口，陰極室設置有進氣口和出水口，陽極室和陰極室內(nèi)分別設置有陽極電極和陰極電極，陽極電極、負載和陰極電極依次通過外電路連接。
5.如權(quán)利要求3所述的有機廢棄物聯(lián)產(chǎn)氫氣和電的裝置，其特征在于，厭氧產(chǎn)氫反應器設置有進料口、出料口、頂部布水器、孔板、滲濾填料、出氣口和排泥口，厭氧產(chǎn)氫反應器的出氣口與氣體分離器連通；微生物燃料電池通過質(zhì)子交換膜分隔為陽極室和陰極室，陽極室設置有進水口、出水口、出氣口，陰極室設置有進氣口和出水口 ；陽極室和陰極室內(nèi)分別設置有陽極電極和陰極電極，陽極電極、負載和陰極電極依次通過外電路連接。
6.如權(quán)利要求5所述的有機廢棄物聯(lián)產(chǎn)氫氣和電的裝置，其特征在于，所述頂部布水器與儲水池及增壓泵連通。
7.如權(quán)利要求3或4或5所述的有機廢棄物聯(lián)產(chǎn)氫氣和電的裝置，其特征在于，所述的微生物燃料電池為空氣陰極微生物燃料電池。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種有機廢棄物聯(lián)產(chǎn)氫氣和電的方法及其裝置。本發(fā)明方法包括以下步驟(1)菌種準備和原料預處理；(2)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫；(3)微生物燃料電池產(chǎn)電；(4)清水回用或排放。本發(fā)明裝置包括依次連通的進料裝置、厭氧產(chǎn)氫反應器和微生物燃料電池，厭氧產(chǎn)氫反應器的出水口與微生物燃料電池陽極室的進水口連通。本發(fā)明可提高有機廢棄物的能源回收率，并實現(xiàn)有機廢棄物的深度處理。本發(fā)明方法和裝置適合處理各種類型的有機廢水和固體有機廢棄物，包括但不局限于有機酸廢水、制糖廢水、淀粉廢水、釀酒廢水、食品加工廢水廢渣、餐廚垃圾、果蔬垃圾、農(nóng)作物秸稈，通過本發(fā)明的應用，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境治理和清潔可再生能源開發(fā)的有效結(jié)合。
文檔編號C12M1/107GK102277388SQ201110166598
公開日2011年12月14日 申請日期2011年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月20日
發(fā)明者孔曉英, 孫永明, 李 東, 李連華, 袁振宏 申請人:中國科學院廣州能源研究所