专利名称：一种有机废弃物联产氢气和电的方法及其装置的制作方法
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联产氢气和电的方法及其装置。
背景技术：
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弃物厌氧发酵制氢的能源回收效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。
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联产氢气和电的方法及其装置，提高有机废弃物的能源回收率，并实现有机废弃物的深度处理。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本发明方法中所需要的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C02，H2和(X)2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)微生物燃料电池产电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燃料电池的阳极室内，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燃料电池的阴极室，电子经阳极电极、外电路和负载传递到阴极室的阴极电极上，质子、电子以及外界的O2 在阴极电极的催化作用下生成水，至此形成回路，产生持续电流，从而实现有机酸产电；(4)清水回用或排放有机酸消耗殆尽的清水从微生物燃料电池的阳极室排出， 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燃料电池产电工艺结合， 实现有机废弃物更为彻底的能源化利用。本发明能够同时提供氢能和电能，无需改变系统条件。产氢和产电能够顺序同时进行，但分别在两个反应器中进行，由厌氧发酵产氢菌催化产氢，厌氧产电菌催化产电。从原料利用的角度来讲，是对原料进行梯级利用，原料首先在厌氧产氢反应器中被厌氧发酵产氢菌催化产氢，并伴随有机酸生成，含有机酸的废水随后进入微生物燃料电池，有机酸在厌氧产电菌的催化作用下产电。本发明的另一个优势还在于，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。本发明还提出了实现上述方法的装置，其结构为包括依次连通的进料装置、厌氧产氢反应器和微生物燃料电池，厌氧产氢反应器的出水口与微生物燃料电池阳极室的进水 □连通。针对有机废水和固体有机废弃物，两者的装置在具体设计上略有不同，进一步说明如下(1)针对有机废水的本发明装置，包括依次连通的进料泵、厌氧产氢反应器和微生物燃料电池，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燃料电池阳极室的进水口连通；微生物燃料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，阴极室设置有进气口和出水口，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、负载和阴极电极依次通过外电路连接。(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燃料电池，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燃料电池阳极室的进水口连通；微生物燃料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，阴极室设置有进气口和出水口；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、负载和阴极电极依次通过外电路连接。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、微生物燃料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，可选用如下之一塞流式反应器、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。所述的微生物燃料电池为现有技术的常规微生物燃料电池，优选为空气阴极微生物燃料电池。与现有技术相比，本发明通过联用厌氧发酵产氢和微生物燃料电池技术，提高能源回收率，扩大原料利用范围。与单纯厌氧发酵产氢技术相比，提高了有机质利用率和能源回收率，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；与单纯微生物燃料电池技术相比，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，通过本发明的应用，能够实现环境治理和清洁可再生能源开发的有效结合。
图1是本发明方法的工艺流程示意2是实施例中针对有机废水的实施装置示意3是实施例中针对固体有机废弃物的实施装置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-微生物燃料电池，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-阴极室进气口，62-阴极室出水口，63-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
具体实施例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实施装置如图2所示，其中系统构成包括依次连接的进料泵1、升流式厌氧反应器2和微生物燃料电池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气口 23与气体分离器3相连，升流式厌氧反应器的出水口 22与阳极室进水口 51相通。微生物燃料电池4为现有技术的常规微生物燃料电池，优选为空气阴极微生物燃料电池。微生物燃料电池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M和阴极电极 63，阳极电极M、额定功率为一瓦的小灯泡、阴极电极63依次通过外电路连接，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。上述各进水口、出水口、进气口、出气口、排泥口与升流式厌氧反应器、微生物燃料电池和气体分离器之间设置阀门。本实施例中，厌氧产氢反应器亦可选用塞流式反应器、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，均可取得同样技术效果。
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 内充队以驱除A ；将葡萄糖浓度为0. lmol/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、⑶2和乙酸、丙酸、丁酸等有机酸，其中吐和(X)2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，电子经阳极电极M、外电路和小灯泡传递到阴极电极63上，质子、电子以及来自于阴极室进气口 61的外界O2在阴极电极 63的催化作用下生成水，至此形成回路，产生持续电流，小灯泡发光；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 M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接的进料斗8、固体渗滤床厌氧反应器9、微生物燃料电池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，其中顶部布水器94经进水口 93和增压泵11、储水池10连通。固体渗滤床厌氧反应器底部有渗滤填料，其出气口 97与气体分离器3相连，出水口 95与微生物燃料电池4的阳极室进水口 51相通。微生物燃料电池4为现有技术的常规微生物燃料电池，优选为空气阴极微生物燃料电池。微生物燃料电池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M和阴极电极63，阳极电极M、额定功率为一瓦的小灯泡、 阴极电极63依次通过外电路连接，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。上述各进水口、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、微生物燃料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Icm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& ；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(X)2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，电子经阳极电极M、外电路和小灯泡传递到阴极电极63上，质子、电子以及来自于阴极室进气口 61的外界&在阴极电极63的催化作用下生成水，至此形成回路，产生持续电流，小灯泡发光；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，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。
权利要求
1.一种有机废弃物联产氢气和电的方法，其特征在于包括以下步骤(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C02，H2和(X)2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)微生物燃料电池产电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燃料电池的阳极室内，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燃料电池的阴极室，电子经阳极电极、外电路和负载传递到阴极室的阴极电极上，质子、电子以及外界的O2在阴极电极的催化作用下生成水，至此形成回路，产生持续电流，从而实现有机酸产电；(4)清水回用或排放。
2.如权利要求1所述的有机废弃物联产氢气和电的方法，其特征在于所述微生物燃料电池为空气阴极微生物燃料电池。
3.一种有机废弃物联产氢气和电的装置，其特征在于包括依次连通的进料装置、厌氧产氢反应器和微生物燃料电池，厌氧产氢反应器的出水口与微生物燃料电池阳极室的进水 □连通。
4.如权利要求3所述的有机废弃物联产氢气和电的装置，其特征在于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；微生物燃料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，阴极室设置有进气口和出水口，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、负载和阴极电极依次通过外电路连接。
5.如权利要求3所述的有机废弃物联产氢气和电的装置，其特征在于，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；微生物燃料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，阴极室设置有进气口和出水口 ；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、负载和阴极电极依次通过外电路连接。
6.如权利要求5所述的有机废弃物联产氢气和电的装置，其特征在于，所述顶部布水器与储水池及增压泵连通。
7.如权利要求3或4或5所述的有机废弃物联产氢气和电的装置，其特征在于，所述的微生物燃料电池为空气阴极微生物燃料电池。
全文摘要
本发明提供了一种有机废弃物联产氢气和电的方法及其装置。本发明方法包括以下步骤(1)菌种准备和原料预处理；(2)厌氧发酵产氢；(3)微生物燃料电池产电；(4)清水回用或排放。本发明装置包括依次连通的进料装置、厌氧产氢反应器和微生物燃料电池，厌氧产氢反应器的出水口与微生物燃料电池阳极室的进水口连通。本发明可提高有机废弃物的能源回收率，并实现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，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，通过本发明的应用，能够实现环境治理和清洁可再生能源开发的有效结合。
文档编号C12M1/107GK102277388SQ201110166598
公开日2011年12月14日 申请日期2011年6月20日 优先权日2011年6月20日
发明者孔晓英, 孙永明, 李 东, 李连华, 袁振宏 申请人:中国科学院广州能源研究所