专利名称：一种可循环利用碳源的微生物发电方法
技术领域：
本发明涉及生物质发电技术，尤其是利用生物质沼气进行发电方法。
背景技术：
随着人们对能源需求的急剧扩张，非再生能源的逐步枯竭，能源供应日趋紧张，能 源问题已经上升为国家安全问题。生物质能源是一种来源于太阳能的可再生能源。它具 有资源丰富、含碳量低、环境污染少等诸多优点。因此，生物质能源的开发利用已越来越受 到世界各国政府及科研机构的重视，生物质发电技术也成为生物质能源利用研究中的热点 和焦点。目前，生物质发电的技术开发主要集中在生物质燃烧发电、生物质气化发电、沼气 燃烧发电三个方面。生物质燃烧发电是利用生物质(如秸秆、木屑、可燃性垃圾等)与过 量的空气在锅炉中燃烧，再通过热交换产生的高温高压蒸汽在燃气轮机中膨胀做功发出电 能。该方法通常需要采用预先处理过的生物质，并且使用专门的生物质成型燃料燃烧设备， 方能达到发电所需的燃烧效率及热效率。故该方法生产成本较高，且在燃烧生物质的过程 中还会排放出大量的二氧化碳等有害气体。生物质气化发电技术是先将生物质通过热化学 转化为气体燃料，再将净化后的气体燃料直接送入锅炉、内燃发电机、燃气机的燃烧室中燃 烧来发电。由于气化得到的生物质燃气热值和利用率低、加之气化出来的燃气含有一定的 杂质，包括灰分、焦炭和焦油等故还对其进行系统净化，因此该方法整体效率较低。沼气燃 烧发电是将沼气用于发动机上，并装有综合发电装置，以产生电能和热能，是有效利用沼气 的一种重要方式。沼气发电在发达国家已受到广泛重视和积极推广。目前的沼气发电技术 主要是以垃圾(如酒糟液、禽畜粪、城市污水、秸秆等等)填埋沼气为燃料，通过内燃机进行 发电。虽然说沼气燃料是一种相对更为清洁的燃料，但是沼气中含有30_40%的0)2，而C02 一般不燃烧，也不支持燃烧，因此，沼气在进入内燃机燃烧后仍会排放出大量的C02 ;再者， 沼气所含的甲烷在燃烧过程中其本身也会产生一定量的(A。众所周知，二氧化碳是导致温 室效应的主要气体。近年来由于二氧化碳的过度排放，已导致全球气候变暖，冰川融化，海 平面升高，因此，许多国家都在积极致力于温室气体的减排工作，以期能够有效地遏止温室 效应。
发明内容
本发明的目的就是提供一种可循环利用碳源的微生物发电方法，以期能够既充分
体现沼气燃烧发电技术的优势，又可有效防止二氧化碳的过度排放，同时还能解决现有沼
气燃烧发电效率低、投资巨大、受自然条件、地理环境制约等诸多问题。 本发明的目的是这样实现的 本发明方法包括以下步骤 a〉制造微生物富集产物将光能营养型微生物置于光照生物反应器中，加入液体 培养液，温度控制在20-4(TC，放置36-72小时，通入二氧化碳气体，当微生物干物质浓度大 于lg/L时，将漂浮在光照生物反应器上部的微生物富集产物输出；
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b〉将微生物富集产物输入沼气发生器中，与沼气发生器中的厌氧活性污泥作用， 生成沼气、沼液；将沼液通入a>工序中的光照生物反应器中；沼气输入发电机组中的内燃 机中燃烧，发电机组输出电能、热能及二氧化碳气体； c>将b>工序输出的二氧化碳气体，经温度控制处理(将温度控制在a>工序生物 反应所需温度之内)，输入a>工序中的光照生物反应器中。 本发明所说的光能营养型微生物可以选自藻类、蓝细菌和光合细菌，其中优选藻 类或蓝细菌中的任意一种或其混合微生物。这些微生物均可市售获得，也可按照现有常规 技术以自然界采集、分离、提纯、扩大培养的方式获得。 本发明所述的藻类可以是甲藻，绿藻(如小球藻、衣藻、新月藻)，裸藻，硅藻(如颗 粒直链藻)中的任意一种，或不同藻的任意混合微生物；也可是藻类与蓝细菌的任意混合 微生物。 本发明中的光照生物反应器，可充分吸收光能以及体外供给的二氧化碳，为光能 营养型微生物提供良好的繁殖生长条件。 a〉工序中的液体培养液，可以选用通常使用的一般无机培养液，如含有氮、磷、钾 的无机培养液。本发明优选厌氧污泥浸出液，该培养液更有利于本发明微生物富集产物的 繁殖。 回用发电机组所产生的二氧化碳，可对其进行适当的冷却降温，以使其符合光照
生物反应的要求。如将二氧化碳高温气体换热降温后，一般控制在20-4(TC之间。 为了进一步提高本发明的循环利用水平，降低生产制造成本，本发明方法中还可
增加以下方面的措施 (1)本发明的光照生物反应器，最好是由数个反应器(如3个、6个或更多)串接 为一组。这样一方面可充分保证有足够量的微生物富集产物供给，另一方面也可充分消化 发电过程所产生的二氧化碳。 (2)本发明a〉工序中的光照生物反应器，最好通过管路串接有堆肥反应罐。由于 堆肥反应消耗氧气产生二氧化碳，而光照生物反应则吸收二氧化碳放出氧气，这样二者正 好形成循环转化链。堆肥反应所产生的二氧化碳即可通过管路输送到光照生物反应器中， 为光照生物反应的启动阶段提供二氧化碳；同时光照生物反应所产生的氧气亦可通过管路 输送到堆肥反应罐中，以此促进堆肥的发酵反应。 (3)在a〉工序中光照生物反应器内设有热交换装置，b〉工序输出的二氧化碳气体 通过热交换装置进入光照生物反应器中。由于内燃机燃烧所输出的二氧化碳气体必然携带 着一定量的热能，将其通过热交换装置进入光照生物反应器，既对二氧化碳气体的温度进 行了调控，又使其为光照生物反应器提供了生物反应所需的热能。 (4)在沼气发生装置内设有热交换装置；b〉工序输出的热能通过热交换装置进入 中沼气发生装置，由此为沼气生成提供所需热能。 (5)在将漂浮在光照生物反应器上部的微生物富集产物滤除过多的水分后，将浓 縮体放入沼气发生装置，剩余的液体返回光照生物反应器中。 在实施本发明方法时所选用的设备包括有光照生物反应器、沼气发生装置、堆肥 反应罐以及发电机组。光照生物反应器为透光、密闭的玻璃(或有机玻璃)容器，其底部接 有进气管道，上部接出气管道和排微生物管道；沼气发生装置为普通市售的高温、中温、常
4温沼气发生装置；堆肥反应罐为普通的堆肥反应罐，罐体上接有进气管道和出气管道；发 电机组为市售的沼气燃料发电机组。 本发明的重要创新之处及有益效果表现在以下几个方面 (1)本发明方法以光能营养型微生物作为沼气发电的初始原料，其繁殖力旺盛，在 一次性加足微生物及培养液后，只需要在必要时适当补充微生物及营养液，即可源源不断 地产出；所培养繁殖的微生物富集产物营养丰富、极易分解、含硫量小、容积产气率高、发酵 原料利用率可达95%以上。 (2)本发明方法既不消耗非再生性资源，也不排出有害气体。它通过循环利用的方 式，使工艺流程中所有的生成物皆可各尽其用。它为社会提供了一种真正的清洁能源。
(3)本发明方法制造成本低且不受任何环境和地理条件的限制，规模可大可小。
(4)发明方法投资小、技术管理要求相对较低，安全性高。 以下通过具体实施例以及本发明的工艺流程示意图对本发明作进一步的说明，但
并不以任何形式限制本发明。
图1是本发明的工艺流程示意图。 实施例1 本实施例采用的设备包括有光照生物反应器、沼气发生装置、堆肥反应罐、热交换 器以及发电机组。 本实施例的工艺流程如图1所示，本实施例的3个光照生物反应器串接为一组。堆 肥反应罐所产生的二氧化碳气体通过分流管道分别通入光照生物反应器1、光照生物反应 器2中，为光照生物反应的启动提供所需要的二氧化碳气体；光照生物反应器所产生的微 生物富集产物通过光照生物反应器的排微生物管道输入沼气发生装置中，与沼气发生装置 中的厌氧发酵污泥反应生成沼气。沼气发生装置将其产生的沼气输入发电机组中的内燃机 燃烧发电，其沼气发酵过程中产生的沼液(温度控制至适宜光照生物反应，如沼液温度为 30-40°C)回输到光照生物反应器中，为光照生物反应提供营养支持。内燃机燃烧发电所产 生的电能，为人类生活所用；其输出的二氧化碳气体回输到光照生物反应器中，为光照生物 反应提供碳源；其输出的热能一部分通过沼气发生装置中所设置的热交换器为沼气发酵反 应提供所需热能，另一部分随同二氧化碳气体进入光照生物反应器中的热交换器，为光照 生物反应提供所需热能；其他剩余的热能可为人类生活提供其他服务。在光照生物反应过 程中产生的氧气回输到堆肥反应罐，为堆肥反应提供所需。 本实施例在制备微生物富集产物时，采用蓝细菌。光照生物反应器放在日光温 室内，温室应保证有充足均匀的光照，温室内温度保持在25-3(TC左右；将蓝细菌置于光照 生物反应器中，加入厌氧污泥浸出液(该液可从市场购得)中，水温控制在35-4(TC，放置 36-40小时，通入堆肥反应罐所产生的二氧化碳气体，经检验测定，当微生物干物质浓度大 于lg/L时，将漂浮在光照生物反应器上部的微生物富集产物输出到沼气发生装置；
光照生物反应器30m3，沼气发生装置选择有效容积12m3左右，高温发酵污泥负荷 10-20公斤COD/m3左右，由此所产沼气的甲烷纯度为70%左右；发电机额定功率5千瓦、额 定电压220伏，耗气量O. 5-0. 7m3/千瓦时。 堆肥反应罐中按照常规的堆肥技术，放入牛粪、秸秆进行发酵反应，反应所生成的 二氧化碳气体经常规的杀菌处理后输入到光照生物反应器中。
当整个工程运转起来后，随着微生物富集产物的不断产生与消耗，可按照常规技 术随时检测光照生物反应器中的生态环境，适当补入菌种及培养液，以保证光照生物反应 能够不断进行。 本实施例当沼气产量为36-72m3时可发电60-120度。
实施例2 本实施例采用的设备包括有光照生物反应器、沼气发生装置、以及发电机组。其连 接方式及工艺过程可参考图1。 本实施例在制备微生物富集产物时，采用蓝细菌及藻类(甲藻，小球藻，巨藻)。按 照重量百分在厌氧污泥浸出液中加入0.5%的菌种，置于光照生物反应器中，同时1 : l的 体积比，加入适量的水，水温控制在25-26t:，放置72小时，通入二氧化碳气体。经检验测 定，当微生物干物质浓度大于lg/L时，将漂浮在光照生物反应器上部的微生物富集产物输 出到沼气发生装置，生成沼气、沼液；将沼液输入光照生物反应器中，沼气输入发电机组中 的内燃机中燃烧，发电机组即输出电能、热能及二氧化碳气体；再将该步输出的二氧化碳气 体传输到光照生物反应器。 光照生物反应器50m3，沼气发生装置选择有效容积20m3左右，中温发酵污泥负荷
15公斤COD/m3左右，由此所产沼气的甲烷纯度为65%左右。 发电机额定功率10千瓦、额定电压220伏，耗气量0. 5-0. 7m3/千瓦时。 在回用发电机组所产生的二氧化碳时，可对其进行适当的冷却降温，以使其符合
光照生物反应的的要求。 本实施例平均日产微生物富集产物干物质约240公斤以上，可连续生产。本实施 例可产沼气约120m 可发电240度。
实施例3 本实施例采用的设备包括有光照生物反应器、沼气发生装置、以及发电机组。其连 接方式及工艺过程可参考图1。 本实施例在制备微生物富集产物时，采用衣藻。将衣藻置于光照生物反应器中，加
入含氮磷钾的培养液(含氮200mg/L，含磷40mg/L，含钾180mg/L)，水温控制在25_30°C ，放
置60小时，通入二氧化碳气体，经检验测定，当微生物干物质浓度大于lg/L时，将漂浮在光
照生物反应器上部的微生物富集产物滤除过多的水分后，将浓縮体放入沼气发生装置，剩
余的液体返回光照生物反应器中，以进一步提高效率。生成沼气、沼液后，将沼液通入光照
生物反应器中；沼气通入发电机组中的内燃机中燃烧，输出电能、热能及二氧化碳气体。再
将该步输出的二氧化碳气体换热降温后，控制其温度在25-3(TC时后通到光照生物反应器。 光照生物反应器100m3，沼气发生装置选择有效容积30m3左右，高温发酵污泥负荷
30公斤COD/m3左右，由此所产产沼气的甲烷纯度为75%左右； 发电机定功率20千瓦、额定电压220伏，耗气量0. 5/m3千瓦时。 本实施例平均日产微生物富集产物干物质约480公斤以上，可连续生产。产沼气
约240m 可发电480度。 实施例4 本实施例在制备微生物富集产物时，采用甲藻。方法及工艺参数均与实施例3相 同。
实施例5 本实施例在制备微生物富集产物时，采用裸藻。方法及工艺参数均与实施例2相 同。 实施例6 本实施例在制备微生物富集产物时，采用硅藻。方法及工艺参数均与实施例1相 同。 以上各实施例所采用的微生物均可通过市售获得，也可按照现有常规技术以自然 界采集、分离、提纯、扩大培养的方式获得。
权利要求
一种可循环利用碳源的微生物发电方法，其特征在于它包括以下步骤a>制造微生物富集产物将光能营养型微生物置于光照生物反应器中，加入液体培养液，温度控制在20-40℃，放置36-72小时，通入二氧化碳气体，当微生物干物质浓度大于1g/L时，将漂浮在光照生物反应器上部的微生物富集产物输出；b>将微生物富集产物输入沼气发生器中，与沼气发生器中的厌氧活性污泥作用，生成沼气、沼液；将沼液输入a>工序中的光照生物反应器中；沼气输入发电机组中的内燃机中燃烧，发电机组输出电能、热能及二氧化碳气体；c>将b>工序输出的二氧化碳气体，经温度控制处理，输入a>工序中的光照生物反应器中。
2. 根据权利要求l所述的可循环利用碳源的微生物发电方法，其特征在于a〉工序所说 的光照生物反应器，由数个反应器串接为一组。
3. 根据权利要求1或2所述的可循环利用碳源的微生物发电方法，其特征在于a>工序 所说的光照生物反应器，通过管路串接有堆肥反应装置。
4. 根据权利要求1或2所述的可循环利用碳源的微生物发电方法，其特征在于在光照 生物反应器内设有热交换装置；b>工序输出的二氧化碳气体通过热交换装置进入光照生 物反应器中。
5. 根据权利要求1或2所述的可循环利用碳源的微生物发电方法，其特征在于在a>工 序中所说光能营养型微生物为藻类或蓝细菌中的任意一种或其混合微生物。
6. 根据权利要求1或2所述的可循环利用碳源的微生物发电方法，其特征在于在a>工 序中所说液体培养液为厌氧污泥浸出液。
7. 根据权利要求1或2所述的可循环利用碳源的微生物发电方法，其特征在于在沼气 发生装置内设有热交换装置；b>工序输出的热能通过热交换装置进入中沼气发生装置。
8. 根据权利要求1或2所述的可循环利用碳源的微生物发电方法，其特征在于在将漂 浮在光照生物反应器上部的微生物富集产物滤除过多的水分后，将浓縮体放入沼气发生装 置，剩余的液体返回光照生物反应器中。
全文摘要
本发明公开了一种可循环利用碳源的微生物发电方法，包括以下步骤a)将光能营养型微生物置于光照生物反应器中，加入液体培养液，通入二氧化碳气体，将漂浮在光照生物反应器上部的微生物富集产物输出；b)将微生物富集产物输入沼气发生器中，生成的沼液输入光照生物反应器中；生成的沼气输入发电机组中的内燃机中燃烧；c)将输出的二氧化碳气体，输入光照生物反应器中。本发明方法以光能营养型微生物作为沼气发电的初始原料，既不消耗非再生资源，也不排出有害气体。它通过循环利用的方式，使工艺流程中所有的生成物皆可各尽其用。
文档编号F02B43/10GK101749106SQ20081007997
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月8日 优先权日2008年12月8日
发明者刘爱平 申请人:刘爱平