CN102286537A - 一种有机废弃物两步生物制氢的方法及其装置 - Google Patents
一种有机废弃物两步生物制氢的方法及其装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102286537A CN102286537A CN201110166607.3A CN201110166607A CN102286537A CN 102286537 A CN102286537 A CN 102286537A CN 201110166607 A CN201110166607 A CN 201110166607A CN 102286537 A CN102286537 A CN 102286537A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- hydrogen
- anaerobic
- water
- electrolytic cell
- hydrogen production
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 82
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 82
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 77
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 46
- 239000010815 organic waste Substances 0.000 title claims abstract description 45
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 66
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 22
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 11
- 244000005700 microbiome Species 0.000 claims description 52
- 150000007524 organic acids Chemical class 0.000 claims description 28
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 claims description 24
- 238000011026 diafiltration Methods 0.000 claims description 17
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 16
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 15
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 claims description 13
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 11
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 claims description 8
- 239000010802 sludge Substances 0.000 claims description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 5
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims description 4
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000013467 fragmentation Methods 0.000 claims description 2
- 238000006062 fragmentation reaction Methods 0.000 claims description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 2
- 238000012216 screening Methods 0.000 claims description 2
- 239000010865 sewage Substances 0.000 claims description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 abstract description 29
- 238000011084 recovery Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 abstract 4
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 abstract 4
- 238000004064 recycling Methods 0.000 abstract 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract 1
- FERIUCNNQQJTOY-UHFFFAOYSA-N Butyric acid Chemical compound CCCC(O)=O FERIUCNNQQJTOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- XBDQKXXYIPTUBI-UHFFFAOYSA-N dimethylselenoniopropionate Natural products CCC(O)=O XBDQKXXYIPTUBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 235000012055 fruits and vegetables Nutrition 0.000 description 6
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 5
- 239000010813 municipal solid waste Substances 0.000 description 5
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 5
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 5
- 150000001720 carbohydrates Chemical class 0.000 description 4
- 235000014633 carbohydrates Nutrition 0.000 description 4
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M Acetate Chemical compound CC([O-])=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 235000019260 propionic acid Nutrition 0.000 description 3
- IUVKMZGDUIUOCP-BTNSXGMBSA-N quinbolone Chemical compound O([C@H]1CC[C@H]2[C@H]3[C@@H]([C@]4(C=CC(=O)C=C4CC3)C)CC[C@@]21C)C1=CCCC1 IUVKMZGDUIUOCP-BTNSXGMBSA-N 0.000 description 3
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 2
- 240000000233 Melia azedarach Species 0.000 description 2
- 240000004808 Saccharomyces cerevisiae Species 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002551 biofuel Substances 0.000 description 2
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 2
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 2
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 235000005985 organic acids Nutrition 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000243 photosynthetic effect Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- NQPDZGIKBAWPEJ-UHFFFAOYSA-N valeric acid Chemical compound CCCCC(O)=O NQPDZGIKBAWPEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 1
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 1
- 238000003916 acid precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 235000010980 cellulose Nutrition 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000007850 degeneration Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 239000010794 food waste Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 239000010902 straw Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 229940005605 valeric acid Drugs 0.000 description 1
- 238000013022 venting Methods 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 239000003643 water by type Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
- C12M21/04—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
- C12M41/26—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of pH
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M43/00—Combinations of bioreactors or fermenters with other apparatus
- C12M43/08—Bioreactors or fermenters combined with devices or plants for production of electricity
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M47/00—Means for after-treatment of the produced biomass or of the fermentation or metabolic products, e.g. storage of biomass
- C12M47/18—Gas cleaning, e.g. scrubbers; Separation of different gases
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
- Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
- Y02P20/59—Biological synthesis; Biological purification
Abstract
本发明提供了一种有机废弃物两步生物制氢的方法及其装置，提高有机废弃物的氢气产率，并实现有机废弃物的深度处理。该方法包括的步骤为：(1)菌种准备和原料预处理；(2)厌氧发酵产氢；(3)微生物电解电池产氢；(4)清水回用或排放。本发明装置包括依次连接的进料装置、厌氧产氢反应器和微生物电解电池，厌氧产氢反应器的出水口与微生物电解电池阳极室的进水口连通。本发明通过联用厌氧发酵产氢和微生物电解电池技术，提高氢气产率，扩大原料利用范围，提高了有机质氢气产率和能源回收率，实现有机质更为彻底的能源化利用和有机废弃物的深度处理。本发明方法和装置适合处理各种类型的有机废水和固体有机废弃物。
Description
技术领域
本发明属于有机废弃物处理和清洁能源开发领域，具体涉及一种有机废弃物两步生物制氢的方法及其装置。
技术背景
石化燃料的过渡开发和利用造成全球气候变暖、酸雨和生态环境破坏和退化已经是不争的事实，而且石化燃料也正面临耗竭的处境，因此基于环境和能源考虑，人类迫切需要一种没有污染的可再生能源。氢能是一种理想的清洁可再生替代燃料，它燃烧后只生成水，没有其它温室气体，可以通过燃料电池直接高效地转化为电能。结合环境问题来考虑，利用各种有机废弃物(有机废水和固体有机废弃物)进行生物制氢是近几年的一大研究热点，并被认为是最有可能率先实现商业化应用生物制氢技术。与光合发酵制氢相比，暗发酵制氢具有以下几个方面的优越性：(1)具有较高的产氢速率，为光合产氢速率的100倍；(2)不需要光源，对原料的透明度没有要求；(3)可以实现昼夜持续稳定产氢，且反应器设计、操作及运行管理简便。
然而，生化机理决定了有机废水厌氧发酵制氢的氢气产率和有机质利用率较低，因为有机质厌氧发酵产氢的同时，伴随乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等有机酸副产物的生成，且上述副产物在同样条件下不能进一步转化为氢气，而是积累在有机废水中，一方面不能完全回收蕴藏在有机质中的能量，且有机酸的积累会对厌氧发酵产氢造成反馈抑制，另外，有机酸的存在会形成二次污染，无法实现有机废弃物的深度处理。
中国专利200910011663.2公开了一种利用生物燃料电池反应器产氢并发电转换的方法，但是其方法产氢或发电在同一个生物燃料电池反应器中进行，产氢、发电不能同时进行，两者只能二选其一。并需要通过质子形成微生物或酶、微量电源的加载、进料参数和pH的控制来实现体系产氢和发电的转换。该方法的缺点是产氢速率慢、需要外界电源。此外，该方法处理固体有机废物时，需要增加酵母源微生物参与的液化步骤。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种有机废弃物两步生物制氢的方法及其装置，提高有机废弃物的氢气产率，并实现有机废弃物的深度处理。
如图1所示，本发明中有机废弃物联产氢气和电的方法，包括以下步骤：
(1)菌种准备和原料预处理：从来自于沼气池、池塘、污水处理厂的厌氧活性污泥中筛选富集得到厌氧发酵产氢菌和厌氧产电菌；对有机废弃物进行除杂、破碎；
(2)厌氧发酵产氢：将预处理后的原料与厌氧发酵产氢菌混合后放置于厌氧产氢反应器内，控制反应器pH为4.5～6.5，水力停留时间为12～72小时，在厌氧条件下，有机废弃物在厌氧发酵产氢菌的代谢作用下生成有机酸、H2和CO2，H2和CO2混合气经气体分离后获得较纯氢，含有机酸的废水或渗滤液从厌氧产氢反应器中排出；
(3)微生物电解电池产氢：从厌氧产氢反应器中排出的含有机酸的废水或渗滤液与厌氧产电菌混合后通入微生物电解电池的阳极室内，在厌氧条件下，有机酸在厌氧产电菌的代谢作用下形成CO2、质子和电子，质子穿过质子交换膜进入微生物电解电池的阴极室，电子在外界电源的辅助下从阳极电极经过外电路传递到阴极室的阴极电极上，在厌氧条件下，质子和电子在阴极电极的催化作用下生成H2，从而实现有机酸产氢；
(4)清水回用或排放：有机酸消耗殆尽的清水从微生物电解电池的阳极室排出，其中一部分作为工艺用水返回至原料预处理或厌氧发酵产氢工段，其余清水向外排放或进行达标处理。
所述的有机废弃物包括有机废水和固体有机废弃物，有机废水优选为含糖类、淀粉类有机废水，固体有机废弃物优选为含糖类、淀粉类和纤维素类固体有机废弃物。本发明的创新之处在于，将厌氧发酵产氢工艺和微生物电解电池产氢工艺结合，提高原料产氢率，实现有机质废弃物更为彻底的能源化利用。为克服现有技术产氢速率慢、需要外界电源的缺点，本发明将厌氧发酵产氢和微生物电解电池产氢联用，首先在厌氧发酵产氢反应器中实现有机废水或固体有机废弃物的快速产氢，对于伴随厌氧发酵产氢生成的有机酸，再进行微生物电解电池产氢利用。本发明另一个优势还在于，当处理固体有机废弃物时，无需酵母源微生物参与的液化步骤。
本发明还提供了上述方法的装置。
本发明装置包括依次连接的进料装置、厌氧产氢反应器和微生物电解电池，厌氧产氢反应器的出水口与微生物电解电池阳极室的进水口连通。
针对有机废水和固体有机废弃物，分别对该装置作进一步的说明如下：
(1)针对有机废水的本发明装置，包括依次连接的进料泵、厌氧产氢反应器和微生物电解电池，厌氧产氢反应器设置有进水口、出水口、出气口和排泥口，厌氧产氢反应器的出气口与气体分离器连通，厌氧产氢反应器的出水口与微生物电解电池阳极室的进水口连通；微生物电解电池通过质子交换膜分隔为阳极室和阴极室，阳极室设置有进水口、出水口、出气口，阴极室设置有出气口，阳极室和阴极室内分别设置有阳极电极和阴极电极，阳极电极、外界电源和阴极电极依次通过外电路连接，外界电源为电压≥0.2V的直流电源，其正极与微生物电解电池的阳极相连，负极与微生物电解电池的阴极相连。
(2)针对固体有机废弃物的本发明装置，包括依次连通的进料斗、厌氧产氢反应器和微生物电解电池，厌氧产氢反应器设置有进料口、出料口、顶部布水器、孔板、渗滤填料、出气口和排泥口，顶部布水器可与储水池及增压泵连通，厌氧产氢反应器的出气口与气体分离器连通，厌氧产氢反应器的出水口与微生物电解电池阳极室的进水口连通；微生物电解电池通过质子交换膜分隔为阳极室和阴极室，阳极室设置有进水口、出水口、出气口，阴极室设置有出气口，阳极室和阴极室内分别设置有阳极电极和阴极电极，阳极电极、外界电源和阴极电极依次通过外电路连接，外界电源为电压≥0.2V的直流电源，其正极与微生物电解电池的阳极相连，负极与微生物电解电池的阴极相连。
作为本发明的一种改进，为便于工艺操作，各进水口、出水口、进气口、出气口、排泥口、进料口、出料口与厌氧产氢反应器、微生物电解电池和气体分离器之间设置阀门。
所述的厌氧产氢反应器为现有技术的常规厌氧反应器，对于处理有机废水，选用塞流式反应器、完全混合式反应器、升流式厌氧污泥床、升流式固体反应器、膨胀颗粒污泥床、内循环厌氧反应器、折流式反应器、厌氧滤器、纤维填料床，对于处理固体有机废弃物，选用固体渗滤床厌氧反应器。
所述的微生物电解电池为现有技术的常规微生物电解电池。
与现有技术相比，本发明通过联用厌氧发酵产氢和微生物电解电池技术，提高氢气产率，扩大原料利用范围。与单纯厌氧发酵产氢技术相比，提高了有机质氢气产率和能源回收率，实现有机质更为彻底的能源化利用和有机废弃物的深度处理；与单纯微生物电解电池产氢技术相比，扩大了原料利用范围，不仅能够利用含有机酸、糖类和淀粉废水，还可以利用含糖类、淀粉、纤维素类固体有机废弃物。
本发明方法和装置适合处理各种类型的有机废水和固体有机废弃物，包括但不局限于有机酸废水、制糖废水、淀粉废水、酿酒废水、食品加工废水废渣、餐厨垃圾、果蔬垃圾、农作物秸秆，通过该发明方法的应用，能够实现环境治理和清洁可再生能源开发的有效结合。
附图说明
图1是本发明方法的工艺流程示意图
图2是实施例中针对有机废水的施装置流程示意图
图3是实施例中针对固体有机废弃物的装置流程示意图
附图标记说明：1-进料泵，2-升流式厌氧反应器，21-进水口，22-出水口，23-出气口，24-排泥口，3-气体分离器，4-微生物电解电池，5-阳极室，51-阳极室进水口，52-阳极室出水口，53-阳极室出气口，54-阳极电极，6-阴极室，61-阴极室出气口，62-阴极电极，7-质子交换膜，8-进料斗，9-固体渗滤床厌氧反应器，91-进料口，92-出料口，93-进水口，94-顶部布水器，95-出水口，96-排泥口，97-出气口，10-储水池，11-增压泵
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1：
以有机废水为原料的本发明装置如图2所示，其中系统构成包括：依次连通的进料泵1、升流式厌氧反应器2和微生物电解电池4。升流式厌氧反应器设置有进水口21、出水口22、出气口23和排泥口24，升流式厌氧反应器的出水口22与阳极室进水口51相通，升流式厌氧反应器的出气口23与气体分离器3相连。微生物电解电池4通过质子交换膜7分隔为阳极室5和阴极室6，阳极室5和阴极室6内分别设置有阳极电极54和阴极电极62，阳极电极54、外界电源、阴极电极62依次通过外电路连接，外界电源为0.3V的直流电源，其正极与微生物电解电池的阳极相连，负极与微生物电解电池的阴极相连，阳极室设置有进水口51、出水口52、出气口53，阴极室设置有出气口61。各进水口、出水口、进气口、出气口、排泥口与升流式厌氧反应器、微生物电解电池和气体分离器之间设置阀门。
本实施例中发明装置的运行方法如下：
首先，从沼气池的厌氧活性污泥中分别筛选富集出厌氧发酵产氢菌和厌氧产电菌，并分别置于升流式厌氧反应器2和阳极室5内，分别向升流式厌氧反应器2和阳极室5内充N2以驱除O2；将葡萄糖浓度为0.1mol/L的有机废水通过进料泵1输送到升流式厌氧反应器2内与厌氧发酵产氢菌混合，控制反应器内的pH值在4.5～6.5范围内，水力停留时间为12～72小时；葡萄糖在厌氧发酵产氢菌的代谢作用下产生H2、CO2和乙酸、丙酸、丁酸等有机酸，其中H2和CO2从反应器顶部的出气口23排出，经过气体分离器3分离后获得较纯氢，H2的产率为0.25mol/L；完成厌氧发酵产氢的含有机酸废水从升流式厌氧反应器出水口22排出并通过阳极室进水口51进入阳极室5，有机酸在厌氧产电菌的代谢作用下降解形成CO2、质子和电子，质子穿过质子交换膜7进入阴极室6，电子在外界电源的辅助下从阳极电极54经过外电路传递到阴极电极62上，在没有外界氧存在的条件下，质子、电子在阴极电极62的催化作用下生成H2并从阴极室出气口61排出，加上厌氧发酵产的氢，总产氢率为0.75mol/L；有机酸降解过程产生的CO2从阳极室出气口53排出，有机酸消耗殆尽的废水从阳极室出水口52排出；阴极室6积累的水定期从阴极室排水口62排出；为避免减少升流式厌氧反应器2的有效体积，定期从反应器底部的排泥口24清除污泥。
实施例2
以固体有机废弃物为原料的本发明实施装置如图3所示，其中系统构成包括：依次连通的进料斗8、固体渗滤床厌氧反应器9、微生物电解电池4，，固体渗滤床厌氧反应器设置有进料口91、出料口92、进水口93、顶部布水器94、出水口95、排泥口96和出气口97，其顶部布水器94通过管道连通增压泵11和储水池10。固体渗滤床厌氧反应器的出水口22与阳极室进水口51相通，固体渗滤床厌氧反应器的出气口97与气体分离器3相连。微生物电解电池4通过质子交换膜7分隔为阳极室5和阴极室6，阳极室5和阴极室6内分别设置有阳极电极54和阴极电极63，阳极电极54、外界电源、阴极电极62依次通过外电路连接，外界电源为0.2V的直流电源，其正极与微生物电解电池的阳极电极54相连，负极与微生物电解电池的阴极电极62相连，阳极室设置有进水口51、出水口52、出气口53，阴极室设置有进气口61和出水口62。各进水口、出水口、进气口、出气口、进料口、除料口、排泥口与固体渗滤床厌氧反应器、微生物电解电池和气体分离器之间设置阀门。
本实施例中发明装置的运行方法如下：
首先，从沼气池的厌氧活性污泥中分别筛选富集出厌氧发酵产氢菌和厌氧产电菌，将干物质含量为10％的果蔬垃圾破碎至粒径1cm以下与厌氧发酵产氢菌混合后置于固体渗滤床厌氧反应器9的渗滤填料之上，将厌氧产电菌置于阳极室5内，分别向固体渗滤床厌氧反应器9和阳极室5内充N2以驱除O2；控制固体渗滤床厌氧反应器9的pH值在4.5～6.5范围内；果蔬垃圾在厌氧发酵产氢菌的代谢作用下产生H2、CO2和乙酸、丙酸、丁酸等有机酸，其中H2和CO2从反应器顶部的出气口97排出，经过气体分离器3分离后获得较纯氢，H2的产率为15L/kg果蔬垃圾；储水池10中的水在增压泵11的作用下从进水口93进入固体渗滤床厌氧反应器9，并通过顶部布水器94对果蔬垃圾和厌氧发酵产氢菌的混合物进行喷淋，此时有机酸溶于水中并在重力作用下穿过渗滤填料和孔板形成渗滤液进入反应器下部，含有机酸的渗滤液从固体渗滤床厌氧反应器出水口95排出并在进料泵1的输送作用下从阳极室进水口51进入阳极室5，有机酸在厌氧产电菌的代谢作用下降解形成CO2、质子和电子，质子穿过质子交换膜7进入阴极室6，电子在外界电源的辅助下从阳极电极54经过外电路传递到阴极电极62上，在没有外界氧存在的条件下，质子、电子在阴极电极62的催化作用下生成H2并从阴极室出气口61排出，加上厌氧发酵产的氢，总产氢率为45L/kg果蔬垃圾；有机酸降解过程产生的CO2从阳极室排气口53排出，有机酸消耗殆尽的废水从阳极室出水口52排出至储水池10贮存；阴极室6积累的水定期从阴极室排水口62排出；为避免减少固体渗滤床厌氧反应器9下部的有效体积，定期从反应器底部的排泥口96清除污泥。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种有机废弃物两步生物制氢的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)菌种准备和原料预处理：从来自于沼气池、池塘、污水处理厂的厌氧活性污泥中筛选富集得到厌氧发酵产氢菌和厌氧产电菌；对有机废弃物进行除杂、破碎；
(2)厌氧发酵产氢：将预处理后的原料与厌氧发酵产氢菌混合后放置于厌氧产氢反应器内，控制反应器pH为4.5～6.5，水力停留时间为12～72小时，在厌氧条件下，有机废弃物在厌氧发酵产氢菌的代谢作用下生成有机酸、H2和CO2，H2和CO2混合气经气体分离后获得较纯氢，含有机酸的废水或渗滤液从厌氧产氢反应器中排出；
(3)微生物电解电池产氢：从厌氧产氢反应器中排出的含有机酸的废水或渗滤液与厌氧产电菌混合后通入微生物电解电池的阳极室内，在厌氧条件下，有机酸在厌氧产电菌的代谢作用下形成CO2、质子和电子，质子穿过质子交换膜进入微生物电解电池的阴极室，电子在外界电源的辅助下从阳极电极经过外电路传递到阴极室的阴极电极上，在厌氧条件下，质子和电子在阴极电极的催化作用下生成H2，从而实现有机酸产氢；
(4)清水回用或排放。
2.一种有机废弃物两步生物制氢的装置，其特征在于包括依次连接的进料装置、厌氧产氢反应器和微生物电解电池，厌氧产氢反应器的出水口与微生物电解电池阳极室的进水口连通。
3.如权利要求2所述的有机废弃物两步生物制氢的装置，其特征在于包括依次连接的进料泵、厌氧产氢反应器和微生物电解电池，厌氧产氢反应器设置有进水口、出水口、出气口和排泥口，厌氧产氢反应器的出气口与气体分离器连通，厌氧产氢反应器的出水口与微生物电解电池阳极室的进水口连通；微生物电解电池通过质子交换膜分隔为阳极室和阴极室，阳极室设置有进水口、出水口、出气口，阴极室设置有出气口，阳极室和阴极室内分别设置有阳极电极和阴极电极，阳极电极、外界电源和阴极电极依次通过外电路连接，外界电源为电压≥0.2V的直流电源，其正极与微生物电解电池的阳极相连，负极与微生物电解电池的阴极相连。
4.如权利要求2所述的有机废弃物两步生物制氢的装置，其特征在于包括依次连通的进料斗、厌氧产氢反应器和微生物电解电池，厌氧产氢反应器设置有进料口、出料口、顶部布水器、孔板、渗滤填料、出气口和排泥口，厌氧产氢反应器的出气口与气体分离器连通，厌氧产氢反应器的出水口与微生物电解电池阳极室的进水口连通；微生物电解电池通过质子交换膜分隔为阳极室和阴极室，阳极室设置有进水口、出水口、出气口，阴极室设置有出气口，阳极室和阴极室内分别设置有阳极电极和阴极电极，阳极电极、外界电源和阴极电极依次通过外电路连接，外界电源为电压≥0.2V的直流电源，其正极与微生物电解电池的阳极相连，负极与微生物电解电池的阴极相连。
5.如权利要求4所述的有机废弃物两步生物制氢的装置，其特征在于所述顶部布水器可与储水池及增压泵连通。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110166607.3A CN102286537B (zh) | 2011-06-20 | 2011-06-20 | 一种有机废弃物两步生物制氢的方法及其装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110166607.3A CN102286537B (zh) | 2011-06-20 | 2011-06-20 | 一种有机废弃物两步生物制氢的方法及其装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102286537A true CN102286537A (zh) | 2011-12-21 |
| CN102286537B CN102286537B (zh) | 2013-12-25 |
Family
ID=45333293
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201110166607.3A Active CN102286537B (zh) | 2011-06-20 | 2011-06-20 | 一种有机废弃物两步生物制氢的方法及其装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102286537B (zh) |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102864463A (zh) * | 2012-08-29 | 2013-01-09 | 杭州净洋环保科技有限公司 | 一种厨余垃圾的h2捕集系统 |
| WO2014005484A1 (zh) * | 2012-07-02 | 2014-01-09 | 同济大学 | 一种提高含蛋白质废水生物产氢的方法 |
| CN103523866A (zh) * | 2013-09-17 | 2014-01-22 | 吉林大学 | 一种降解有机质可回收其所含能量的生物阴极法 |
| CN104961240A (zh) * | 2015-05-26 | 2015-10-07 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种垃圾渗滤液的处理方法和微生物电解电池 |
| CN105601070A (zh) * | 2016-01-13 | 2016-05-25 | 长沙上意电子科技有限公司 | 有机废物厌氧消化-微生物电解耦合反应系统及其方法 |
| CN105671584A (zh) * | 2016-01-19 | 2016-06-15 | 辽宁大学 | 一种优化污泥发酵液微生物电解产氢效果的方法 |
| CN106430870A (zh) * | 2016-10-17 | 2017-02-22 | 尚川（北京）水务有限公司 | 一种强化剩余污泥资源化的系统及方法 |
| CN107827332A (zh) * | 2017-10-17 | 2018-03-23 | 河海大学 | 一种用于剩余污泥处理的厌氧折流板‑微生物电解池耦合反应器及其使用方法 |
| CN107840550A (zh) * | 2017-12-11 | 2018-03-27 | 中国恩菲工程技术有限公司 | 一种垃圾渗沥液的处理方法 |
| CN112680481A (zh) * | 2021-01-14 | 2021-04-20 | 北京工商大学 | 微生物电催化强化有机废弃物产甲烷的方法 |
| CN113149202A (zh) * | 2021-03-15 | 2021-07-23 | 中国恩菲工程技术有限公司 | 厌氧反应器 |
| CN113651492A (zh) * | 2021-08-12 | 2021-11-16 | 同济大学 | 一种农村户厕黑水原位资源化处理装置及方法 |
| CN114695934A (zh) * | 2022-04-07 | 2022-07-01 | 国网江苏电力设计咨询有限公司 | 利用可再生资源制氢及发电双模系统 |
| CN114918235A (zh) * | 2022-05-13 | 2022-08-19 | 桐乡恒易环保科技有限公司 | 一种餐厨垃圾无害化预处理装置 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100532531C (zh) * | 2006-03-20 | 2009-08-26 | 浙江大学 | 生物质及固体有机废弃物发酵法联产氢气和甲烷的装置 |
-
2011
- 2011-06-20 CN CN201110166607.3A patent/CN102286537B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100532531C (zh) * | 2006-03-20 | 2009-08-26 | 浙江大学 | 生物质及固体有机废弃物发酵法联产氢气和甲烷的装置 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| ELODIE LALAURETTE等: "Hydrogen production from cellulose in a two-stage process combining fermentation and electrohydrogenesis", 《INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY》 * |
| 郭坤等: "微生物电解电池制氢", 《化学进展》 * |
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014005484A1 (zh) * | 2012-07-02 | 2014-01-09 | 同济大学 | 一种提高含蛋白质废水生物产氢的方法 |
| US9732360B2 (en) | 2012-07-02 | 2017-08-15 | Tongji University | Method for improving production of bio-hydrogen from waste water containing protein |
| CN102864463A (zh) * | 2012-08-29 | 2013-01-09 | 杭州净洋环保科技有限公司 | 一种厨余垃圾的h2捕集系统 |
| CN103523866B (zh) * | 2013-09-17 | 2015-12-23 | 吉林大学 | 一种降解有机质回收其所含能量的生物阴极法 |
| CN103523866A (zh) * | 2013-09-17 | 2014-01-22 | 吉林大学 | 一种降解有机质可回收其所含能量的生物阴极法 |
| CN104961240A (zh) * | 2015-05-26 | 2015-10-07 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种垃圾渗滤液的处理方法和微生物电解电池 |
| CN105601070A (zh) * | 2016-01-13 | 2016-05-25 | 长沙上意电子科技有限公司 | 有机废物厌氧消化-微生物电解耦合反应系统及其方法 |
| CN105671584A (zh) * | 2016-01-19 | 2016-06-15 | 辽宁大学 | 一种优化污泥发酵液微生物电解产氢效果的方法 |
| CN106430870B (zh) * | 2016-10-17 | 2019-11-08 | 尚川（北京）水务有限公司 | 一种强化剩余污泥资源化的系统及方法 |
| CN106430870A (zh) * | 2016-10-17 | 2017-02-22 | 尚川（北京）水务有限公司 | 一种强化剩余污泥资源化的系统及方法 |
| CN107827332A (zh) * | 2017-10-17 | 2018-03-23 | 河海大学 | 一种用于剩余污泥处理的厌氧折流板‑微生物电解池耦合反应器及其使用方法 |
| CN107840550A (zh) * | 2017-12-11 | 2018-03-27 | 中国恩菲工程技术有限公司 | 一种垃圾渗沥液的处理方法 |
| CN107840550B (zh) * | 2017-12-11 | 2021-05-28 | 中国恩菲工程技术有限公司 | 一种垃圾渗沥液的处理方法 |
| CN112680481A (zh) * | 2021-01-14 | 2021-04-20 | 北京工商大学 | 微生物电催化强化有机废弃物产甲烷的方法 |
| CN113149202A (zh) * | 2021-03-15 | 2021-07-23 | 中国恩菲工程技术有限公司 | 厌氧反应器 |
| CN113651492A (zh) * | 2021-08-12 | 2021-11-16 | 同济大学 | 一种农村户厕黑水原位资源化处理装置及方法 |
| CN114695934A (zh) * | 2022-04-07 | 2022-07-01 | 国网江苏电力设计咨询有限公司 | 利用可再生资源制氢及发电双模系统 |
| CN114918235A (zh) * | 2022-05-13 | 2022-08-19 | 桐乡恒易环保科技有限公司 | 一种餐厨垃圾无害化预处理装置 |
| CN114918235B (zh) * | 2022-05-13 | 2024-03-22 | 桐乡恒易环保科技有限公司 | 一种餐厨垃圾无害化预处理装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102286537B (zh) | 2013-12-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102286537B (zh) | 一种有机废弃物两步生物制氢的方法及其装置 | |
| CN102277388B (zh) | 一种有机废弃物联产氢气和电的方法及其装置 | |
| EP2521768B1 (en) | Apparatus and preculture tank for biomethanation of biomass | |
| CN101565719B (zh) | 一种两相多级厌氧发酵有机固体废弃物生产沼气的方法 | |
| CN100532531C (zh) | 生物质及固体有机废弃物发酵法联产氢气和甲烷的装置 | |
| CN108048507B (zh) | 一种利用农作物秸秆产业化生产乙醇的方法 | |
| CN101585044A (zh) | 餐厨垃圾酸化水解处理方法 | |
| CN102080119A (zh) | 混合培养酵母和藻类生产油脂的方法 | |
| Ong et al. | Palm oil industrial wastes as a promising feedstock for biohydrogen production: A comprehensive review | |
| CN102503019A (zh) | 一种沼液回用实现沼液资源化的方法 | |
| CN102492506A (zh) | 有机废水脱除沼气中二氧化碳的方法及其装置 | |
| Jain et al. | Bio-hydrogen production through dark fermentation: an overview | |
| Radjaram et al. | Start up study of UASB reactor treating press mud for biohydrogen production | |
| WO2013069026A1 (en) | Self-sustainable zero influent and zero discharge waste to energy system and method for treating sugar industry effluent and distillery spent wash | |
| CN106282245B (zh) | 新型有机垃圾资源化回用方法及系统 | |
| CN106011177A (zh) | 以赤霉素菌渣与餐厨垃圾混合厌氧发酵产沼气的方法 | |
| CN102586336B (zh) | 生物甲烷两阶段转化产出的方法 | |
| CN117187031A (zh) | 一种厨余垃圾微生物降解处理装置 | |
| CN107488578B (zh) | 配有酶回收利用的同步糖化发酵产氢反应器及其实验方法 | |
| CN114378105B (zh) | 一种餐厨垃圾与纤维素生物质协同的多级处理系统及方法 | |
| CN109355314B (zh) | 一种利用厨余垃圾与污泥生产可燃气体的方法 | |
| CN202415327U (zh) | 一种木薯酒精废水高温中温厌氧处理系统 | |
| CN206828524U (zh) | 大型沼气工程发酵生产系统 | |
| Raizada et al. | Waste management and production of future fuels | |
| CN100532566C (zh) | 生物质及固体有机废弃物发酵和光合耦合产氢的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |