專利名稱：一種控溫好-厭氧耦合生物制氫裝置和制氫方法
技術領域：
本發明屬于生物能源技術領域，具體涉及一種無動力控溫好-厭氧耦合生物制氫
>J-U裝直。本發明還涉及利用上述制氫裝置進行生物制氫的方法。
背景技術：
全球不可再生能源的日益枯竭和環境污染問題，對人類的生存和可持續發展構成了嚴重威脅，開發具有高附加值的清潔能源已成為研究熱點。氫氣作為高效、清潔、可再生 的能源，受到人們的日益關注。隨著社會主義新農村建設的推進，村民生活水平提高的同時，帶來了村鎮環境污染問題和資源浪費。據報道，我國是世界上農村有機廢棄物產出量最大的國家，每年大約有40多億t，其中畜禽糞便排放量26. I億t，農作物秸桿7. 0億t，廢棄農膜等塑料2. 5萬t，蔬菜廢棄物1-1. 5億t。其中，我國村鎮生活源有機廢棄物、人糞便、以及村鎮服務業帶來的有機垃圾量所占份額較大，造成村鎮垃圾隨意傾倒、糞土亂堆、柴草亂垛等現象，嚴重影響村容村貌和危害居民身體健康。固體廢棄物處理的目標是無害化、減量化和資源化。多種制氫方法中，生物制氫具有環境友好、底物范圍廣和工藝簡單，能夠產生具有高附加值的生物氣能源等多重優越性。但是，現有生物制氫反應器存在預處理要求高、啟動緩慢、運行不穩定、產氣率低、能耗大和占地面積大等問題。因此，研發適合我國經濟發展狀況和村鎮有機廢棄物特征，具有“小型化、低成本、易操作”的厭氧反應裝置不僅是研究熱點，也是亟待解決的難點問題。

發明內容
本發明的目的在于提供一種控溫好-厭氧分室耦合生物制氫裝置。本發明的又一目的在于提供一種利用上述制氫裝置進行生物制氫的方法。為實現上述目的，本發明提供的控溫好-厭氧耦合生物制氫裝置，主要結構為一發酵罐，安裝在底座上，該底座安裝有360度可旋轉萬向輪和輪鎖；發酵罐的罐體一側設有進料口，另一側設有出料口 ；發酵罐內部為好氧預處理室和發酵產氫室組成的雙反應區結構，好氧預處理室和發酵產氫室中部設有單向可開啟閥門；發酵罐的內壁安裝有擋板；發酵罐的罐體為雙層結構，分別為包覆好氧預處理室和包覆發酵產氫室的兩個獨立夾層，夾層中充填有換熱液體；兩個夾層均各設有進液閥和放液閥，并通過管道連接形成控溫層；罐體中心貫穿有一納米陶瓷膜滾軸，該納米陶瓷膜滾軸的出氣口連接氣體收集裝置；所述的制氫裝置，其中，好氧預處理室和厭氧產氫室內部安裝有溫度、pH值、溶解氧復合電極，對發酵過程中的指標進行實時測定，并將數據同步傳輸至控制面板進行顯示；好氧預處理室和厭氧產氫室均設有采樣口和視窗，方便采樣和觀察發酵罐體內部情況。所述的制氫裝置，其中，底座的支架上安裝有太陽能電池板和儲能供電裝置，通過太陽能電池驅動發酵罐整體旋轉實現物料攪拌，由變頻器控制電機并調整發酵罐的轉速。所述的制氫裝置，其中，底座與好氧預處理室之間通過止動環安裝有可改變傾斜度的重力升降裝置，好養預處理結束后，升高好氧預處理室一端的重力升降裝置使物料通過單向可開啟閥門進入厭氧產氫室。所述的制氫裝置，其中，發酵罐的一側設有快開門結構的進料口，發酵罐相對應有另一側設有快速出料口。所述的制氫裝置，其中，包覆好氧預處理室或包覆厭氧產氫室的夾層中設置有換熱液體混合槽，進行換熱液體的補充、流速控制和溫度調節。
所述的制氫裝置，其中，納米陶瓷膜滾軸為不銹鋼材質的中空網狀滾軸，外層鍍有納米陶瓷膜用于生物氣的收集和曝氣；滾軸中部隔斷，好氧預處理室一端與曝氣裝置連接，通過鍍有納米陶瓷膜的滾軸對好氧預處理室進行微納米曝氣，使物料和菌體均勻充氧；厭氧產氫室一端與氣體組分分析系統和氣體收集設備相連。所述的制氫裝置，其中，納米陶瓷鍍膜滾軸可通過反沖洗曝氣以預防發酵罐堵塞，同時可作為好氧預處理室的曝氣系統，實現有機廢棄物的好-厭氧發酵耦合高效處理與資源化利用。本發明提供的利用上述制氫裝置進行生物制氫的方法將有機物破碎后裝填入好氧預處理室于15-80°C進行腐解預處理，腐解后將物料經單向可開啟閥門轉移至發酵產氫室并加入產氫菌劑，于25-35°C進行發酵產氫；制備得到的氫氣通過納米陶瓷膜滾軸收集到氣體組分分析系統和氣體收集設備，對生物氣品質進行實時監控，并可將檢測數據同步傳輸至控制系統。所述的方法，其中，發酵產氫室的加熱是利用好氧預處理室內的腐解預處理過程中產生的熱量加熱控溫系統中的換熱液體，加熱后的換熱液體進入包覆厭氧產氫室的夾層中對厭氧發酵過程進行加熱控溫；冷卻后的換熱液體重新循環至包覆好氧預處理室的夾層，實現內部熱量的循環利用。本發明的優點在于(I)好-厭氧分室耦合設計本發明罐體內部為雙反應區結構，中部由單向可開啟隔板分為好氧預處理室和發酵產氫室，物料首先在好氧預處理室進行好氧腐解再進入厭氧室進行發酵產氫，實現了厭氧反應器的快速啟動和穩定運行。(2)無動力消耗控溫設計本發明設計了兩個反應區，使廢棄物預處理和厭氧發酵產氫過程分室串聯進行，并通過換熱介質將兩室熱量進行交換，實現無動力控溫和能源循環利用，提高了難降解廢棄物的處理能力，減少裝置占地面積，節約運行成本。非常合適村鎮小規模廢棄物的無害化處理和高值化利用。(3)太陽能供電設計設置于底座和支架上的太陽能電池為反應器運行提供動力，太陽能電池的安裝位置既美觀又能夠有效接受光照。(4)三棱柱形擋板設計滾筒反應器內壁設有4-8組三棱柱形擋板，使反應器內部無死角，避免發酵不均和雜菌生成，通過摔打和旋轉作用實現物料的充分混合，減少對菌絲體的破壞，保證發酵過程的微生物活性，有效提高發酵產氣量和能量轉化效率。
(5)納米陶瓷鍍膜滾軸設計滾筒中心貫穿的滾軸通過納米陶瓷膜進行微納米曝氣和生物氣收集，實現了好氧和厭氧發酵交替進行。納米陶瓷鍍膜特有的孔徑特征和選擇性過濾特性，保證了氫氣的高效收集、熱量擴散和均勻曝氣，且不易堵塞，無需清理。(6)可移動和升降設計裝置底座下面安裝有360度可旋轉萬向輪和輪鎖，便于裝置的自有移動和安放，實現廢棄物的就地及時處理。反應裝置預處理室端底座上安裝有一個可升降設備，能夠實現物料倉傾斜度的改變，從而使預處理后的物料在重力作用下通過單向閥門進入厭氧發酵室產氫。(7)發酵罐結構簡單，具有安裝靈活和操作簡單等特點；內部不存在機械運動部件，增加了設備的整體可靠性。一罐多用，既可以用于生物制氫，又可以用于好氧堆肥或厭
氧產沼。(8)本發明裝置啟動迅速、動力消耗少、產氣量高，生物氣的收集和輸送便捷，保證了厭氧發酵產氫過程的高效穩定運行。通過該發明方法的應用，能夠將可再生資源利用、污 染治理和制氫聯合進行，在有機廢棄物高值化利用的同時實現減排產能的目標。


圖I為本發明的結構示意圖；圖2為圖I的左側視圖。附圖中標記說明I單向閥門；2好氧預處理室；3厭氧產氫室；4控溫層；5擋板；6進料口 ；7太陽能電池；8發動機；9納米陶瓷鍍膜滾軸；10法蘭；11裝置底座；12重力升降裝置；13氣體收集分析系統；14復合電極；15采樣口； 16視窗；17進液閥；18放液閥；19出料口 ；20支架；21萬向輪；22.閥門；23氣體流量計。
具體實施例方式本發明的制氫裝置為兩個反應區，使廢棄物好氧腐解預處理和厭氧發酵產氫串聯進行并有機結合在同一反應裝置內，采用納米陶瓷鍍膜進行氣體輸送和運輸。通過運行方式的控制和能源循環利用，實現反應器的無動力控溫和穩定運行，有效降低運行成本，處理難降解廢物、大幅度提高生物發酵產氣量、產品質量和能源轉化效率，實現了有機廢棄物高值化利用，達到減排產能的目的。本發明的制氫裝置布局緊湊合理，既可以處理難降解有機廢棄物，保證反應器快速啟動、穩定運行，又占地面積小、生物氣產量高、無動力消耗即可實現溫度控制的好-厭氧分室稱合生物制氫反應器。本發明所述有機廢棄物是指高纖維素廢棄物(如水生植物、花卉、果蔬垃圾、秸桿等)和有機質成分較高(如畜禽糞便、動物殘體等)的難降解廢棄物。具體地，本發明的無動力控溫好-厭氧耦合生物制氫裝置，其主要結構包括本發明裝置由發酵罐體、動力驅動裝置、太陽能電池、納米陶瓷膜滾軸、氣體收集輸送組件和發酵運行控制組件等組成。發酵罐基本結構為一個圓柱體，高徑比為I 0.5-1 5。罐體為雙層結構，外層罐體由不銹鋼或碳鋼加工制造，內層為不銹鋼材質，內壁安裝有4-8組三棱柱型擋板，廢棄物在罐體旋轉過程中經擋板摔打使物料與發酵菌體充分混合，并及時排除多余熱量。罐體內部為雙反應區結構，中部由單向可開啟閥門分為預處理室和發酵產氫室，兩室有效容積比為I : 1-1 5。納米陶瓷鍍膜滾軸從罐體中心貫穿，軸兩端通過法蘭固定于裝置支架上。為方便進出料，罐體一側設計為快開門結構的進料口，另一側設計為快速出料口。所述的制氫裝置，其中，罐體的雙層結構控溫層中充填有液體換熱液體，利用好養腐解預處理過程中產生的熱量加熱換熱液體，升溫后的換熱液體繼續進入厭氧產氫室的控溫層對厭氧發酵過程進行加熱控溫，最后冷卻后的換熱液體再重新循環至預處理室控溫層，實現體系內部熱量的循環利用。在無動力消耗條件下可使厭氧發酵室的溫度保持在20-500C，好氧腐解預處理室溫度控制在15-80°C。所述的制氫裝置，其中，無動力循環控溫裝置將兩室串聯連接，中間設置換熱液混合槽，進行換熱液的補充、流速控制和溫度調節。所述的制氫裝置，其中，好氧預處理室和厭氧產氫室內部安裝有溫度、pH值、溶解氧復合電極，對發酵過程中的指標進行實時測定，并將數據同步傳輸至控制面板進行顯示。 各室罐體中部均設有采樣口和視窗，方便采樣和觀察發酵罐體內部情況。所述的制氫裝置，其中，納米陶瓷鍍膜滾軸為不銹鋼材質的中空網狀滾軸，外層鍍有納米陶瓷膜用于生物氣的收集和曝氣。滾軸中部隔斷，好氧預處理室一端與曝氣裝置連接，通過鍍有納米陶瓷膜的滾軸對好氧預處理室進行微納米曝氣，使物料和菌體均勻充氧；厭氧產氫室一端與氣體組分分析系統和氣體收集設備相連，對生物氣品質進行實時監控，并可將檢測數據同步傳輸至控制系統。所述的制氫裝置，其中，納米陶瓷鍍膜滾軸一方面可通過反沖洗曝氣預防反應器堵塞，另一方面可作為好氧預處理階段的曝氣系統，實現有機廢棄物的好-厭氧發酵耦合高效處理與資源化利用。所述的制氫裝置，其中，發酵裝置底座和支架上安裝有太陽能電池板和儲能供電裝置。通過太陽能電池驅動罐體整體旋轉實現物料攪拌，變頻器控制電機并調整發酵罐轉速。所述的制氫裝置，其中，發酵裝置底座與預處理室之間通過止動環安裝有可改變傾斜度的重力升降裝置。當好養腐解預處理結束后，升高好氧預處理室一端的重力升降裝置使物料通過單向閥門進入厭氧發酵室進行產氫。進一步的，裝置底座安裝有360度可旋轉萬向輪和輪鎖，便于裝置的自有移動和穩定安放，實現廢棄物的就地及時處理。下面結合附圖和實施例對本發明做更詳細地說明。本發明罐體為雙反應區結構，中部由單向可開啟閥門I分為好氧預處理室2和厭氧產氫室3，罐體外部為雙層控溫層4，控溫層內填充換熱液體。罐內壁安裝有4-8組三棱柱型擋板5，廢棄物破碎后經進料口 6裝填入底物預處理室2，由太陽能電池7驅動發動機8帶動罐體旋轉，廢棄物在罐體旋轉過程中經擋板摔打使物料與發酵菌體充分混合，并及時排除多余熱量。納米陶瓷鍍膜滾軸9從罐體中心貫穿，軸兩端通過法蘭10固定于裝置支架20。裝置底座安裝有360度可旋轉萬向輪21，便于裝置的自有移動和穩定安放。好氧預處理室一端的納米陶瓷鍍膜滾軸與氣泵連接，通過好氧預處理室內的納米陶瓷鍍膜滾軸9對好氧預處理進行微納米曝氣，使物料和菌體均勻充氧。
底物經好氧腐解預處理后，通過調整裝置底座11的重力升降裝置12使物料從預處理室2經過單向可開啟閥門I進入厭氧發酵室3產氫。厭氧發酵室產生的生物氣經納米陶瓷鍍膜滾軸進行收集，出氣口通過閥門22和氣體流量計23連接至有氣體收集和組分分析系統13，對生物氣品質進行實時監控，并可將檢測數據同步傳輸至控制系統。通過好氧預處理室和發酵產氫室內部復合電極14對發酵過程中的溫度、pH值、溶解氧等指標進行實時測定，并將數據同步傳輸至控制面板進行顯示。好氧預處理室2和厭氧發酵室3均設有采樣口 15和視窗16，方便采樣和觀察發酵罐體內部情況。厭氧產氫室運行的同時，好氧預處理室繼續進行下一批次的好氧腐解，好氧腐解過程中產生的熱量通過罐體雙層結構控溫層4進行熱量交換。本發明的雙層結構控溫層4為兩個獨立的夾層，夾層中充填有液體換熱介質。兩個夾層的其中一個是好氧預處理室的外殼，另一個夾層是發酵產氫室的外殼。兩個夾層各設有一進液閥和一放液閥，用管道將兩個夾層連接為一體，并通過一個泵使兩個夾層內的液體換熱介質進行流動，從而形成控溫系統。升溫后的換熱液體經進液閥17注入放液閥18流入厭氧產氫室的控溫層對厭氧發酵過程進行加熱控溫，最后冷卻后的換熱液再重新循環至好氧預處理室控溫層，實現體系內部熱量的循環利用。厭氧發酵后的代謝產物經出料口 19排出，進行資源化利用。 一個具體實施例如下無動力控溫好-厭氧耦合生物制氫裝置的設計參數為罐體高徑比為2 1，外形尺寸2mX Im,總容積I. 5m3，其中預處理室有效容積0. 5m3，厭氧產氫室有效容積I. Om3。將秸桿和豬糞按5 I質量比混合破碎后裝填入好氧室進行好氧腐解預處理，裝填量為有效容積的50%。腐解10天后將物料經單向可開啟閥門轉移至厭氧產氫室，通過取樣口補加高效產氫菌劑以強化產氫，同時啟動無動力控溫系統，使厭氧發酵室溫度保持在25-35°C，厭氧發酵周期為5天，生物氣中氫氣含量大于60%，廢棄物資源轉化效率達到85%。反應過程中好氧預處理室和厭氧發酵室內物料發酵情況通過數據傳輸系統同步至控面板進行顯示，包括發酵溫度、pH、氧氣和氫氣含量等指標，便于運行控制，保證了反應裝置的穩定運行。本發明裝置占地面積小，僅為2平米，并且移動和安裝方便，產氫速度快，厭氧室裝料后24小時內即可產氫。
權利要求
1.一種控溫好-厭氧耦合生物制氫裝置，主要結構為 一發酵罐，安裝在底座上，該底座安裝有360度可旋轉萬向輪和輪鎖； 發酵罐的罐體一側設有進料口，另一側設有出料口 ； 發酵罐內部為好氧預處理室和發酵產氫室組成的雙反應區結構，好氧預處理室和發酵產氫室中部設有單向可開啟閥門；發酵罐的內壁安裝有擋板； 發酵罐的罐體為雙層結構，分別為包覆好氧預處理室和包覆發酵產氫室的兩個獨立夾層，夾層中充填有換熱液體；兩個夾層均各設有進液閥和放液閥，并通過管道連接形成的控溫層； 罐體中心貫穿有一納米陶瓷膜滾軸，該納米陶瓷膜滾軸的出氣口連接氣體收集裝置。
2.根據權利要求I所述的制氫裝置，其中，好氧預處理室和厭氧產氫室內部安裝有溫度、PH值、溶解氧復合電極，對發酵過程中的指標進行實時測定，并將數據同步傳輸至控制面板進行顯示；好氧預處理室和厭氧產氫室均設有采樣口和視窗，方便采樣和觀察發酵罐體內部情況。
3.根據權利要求I所述的制氫裝置，其中，底座的支架上安裝有太陽能電池板和儲能供電裝置，通過太陽能電池驅動發酵罐整體旋轉實現物料攪拌，由變頻器控制電機并調整發酵罐的轉速。
4.根據權利要求I所述的制氫裝置，其中，底座與好氧預處理室之間通過止動環安裝有可改變傾斜度的重力升降裝置，好養預處理結束后，升高好氧預處理室一端的重力升降裝置使物料通過單向可開啟閥門進入厭氧產氫室。
5.根據權利要求I所述的制氫裝置，其中，發酵罐的一側設有快開門結構的進料口，發酵罐相對應有另一側設有快速出料口。
6.根據權利要求I所述的制氫裝置，其中，包覆好氧預處理室或包覆厭氧產氫室的夾層中設置有換熱液體混合槽，進行換熱液體的補充、流速控制和溫度調節。
7.根據權利要求I所述的制氫裝置，其中，納米陶瓷膜滾軸為不銹鋼材質的中空網狀滾軸，外層鍍有納米陶瓷膜用于生物氣的收集和曝氣；滾軸中部隔斷，好氧預處理室一端與曝氣裝置連接，通過鍍有納米陶瓷膜的滾軸對好氧預處理室進行微納米曝氣，使物料和菌體均勻充氧；厭氧產氫室一端與氣體組分分析系統和氣體收集設備相連。
8.根據權利要求7所述的制氫裝置，其中，納米陶瓷鍍膜滾軸可通過反沖洗曝氣以預防發酵罐堵塞，同時可作為好氧預處理室的曝氣系統，實現有機廢棄物的好-厭氧發酵耦合高效處理與資源化利用。
9.一種利用權利要求I所述制氫裝置進行生物制氫的方法 將有機物破碎后裝填入好氧預處理室于15-80°C進行腐解預處理，腐解后將物料經單向可開啟閥門轉移至發酵產氫室并加入產氫菌劑，于25-35°C進行發酵產氫； 制備得到的氫氣通過納米陶瓷膜滾軸收集到氣體組分分析系統和氣體收集設備，對生物氣品質進行實時監控，并可將檢測數據同步傳輸至控制系統。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，發酵產氫室的加熱是利用好氧預處理室內的腐解預處理過程中產生的熱量加熱控溫層中的換熱液體，加熱后的換熱液體進入包覆厭氧產氫室的夾層中對厭氧發酵過程進行加熱控溫；冷卻后的換熱液體重新循環至包覆好氧預處理室的夾層，實現內部熱量的循環利用。
全文摘要
一種控溫好-厭氧耦合生物制氫裝置一發酵罐，安裝在底座上，該底座安裝有360度可旋轉萬向輪和輪鎖；發酵罐的罐體一側設有進料口，另一側設有出料口；發酵罐內部為好氧預處理室和發酵產氫室組成的雙反應區結構，好氧預處理室和發酵產氫室中部設有單向可開啟閥門；發酵罐的內壁安裝有擋板；發酵罐的罐體為雙層結構，分別為包覆好氧預處理室和包覆發酵產氫室的兩個獨立夾層，夾層中充填有換熱液體；兩個夾層均各設有進液閥和放液閥，并通過管道連接形成控溫層；罐體中心貫穿有一納米陶瓷膜滾軸，該納米陶瓷膜滾軸的出氣口連接氣體收集裝置。本發明還公開了利用上述制氫裝置進行生物制氫的方法。
文檔編號C12P3/00GK102827760SQ20121035661
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月21日 優先權日2012年9月21日
發明者席北斗, 賈璇, 祝超偉, 李鳴曉, 夏訓峰, 張列宇, 趙穎 申請人:中國環境科學研究院