專利名稱：生物質及固體有機廢棄物發酵法聯產氫氣和甲烷的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種化工生產裝置，更具體地說，本發明涉及一種利用生物質及固體有機廢棄物發酵法聯產氫氣和甲烷的裝置。
背景技術：
由于氫氣具有很高的能量密度，燃燒產物是水，并且沒有污染性，故是一種理想的清潔能源，21世紀人類將迎來“氫能經濟”。常規制氫方法主要是從天然氣、石油、煤等化石燃料中提取或通過電解水法制取，需要消耗大量的化石燃料以及能量，并且產生大量污染。目前國際上許多國家投入巨資研究的生物制氫是一項利用微生物的生理代謝作用分解有機物從而產生氫氣的生物工程技術，它是一種符合可持續發展戰略的可再生能源。目前在生物制氫研究方面主要分為光合法和發酵法兩大類，其中發酵法具有產氫菌種生長速率快、產氫能力高、反應無需光源、發酵底料來源廣等優點，所以更容易實現連續產氫和工業化生產。
目前許多城市都產生了大量的工業和生活垃圾，造成嚴重的環境污染。據1999年統計，我國造紙業、紡織業、食品、飲料和煙草業產生的固體廢棄物歷年累計堆積量已達到654萬噸，占地面積142萬多平方米，年產量達到80萬噸左右。2000年我國有近700個城市的生活垃圾歷年堆存量達到60多億噸，占地面積5億多平方米，垃圾年產量達到1.5億噸左右，并且每年以8-10％的速率增長。目前全國已有200多座城市陷入了垃圾包圍城市的嚴重局面，如何對城市固體廢棄物進行減量化、無害化和資源化利用成為我國經濟社會可持續發展的迫切需求。我國一般城市生活垃圾中有機成分占30-55％，水分占40-60％，灰土占10-50％，熱值普遍低于4000kJ/kg。近年來隨著經濟發展，其構成在總體上呈現出含水率降低而紙類、織物、木材和塑料等有機成分增加的特點。目前許多城市實現了垃圾分揀回收，許多糧食、蔬菜、肉類加工廠及銷售市場等每天都會對大量廢棄食物進行規模化收集處理，而各類賓館、飯店、食堂以及居民樓等一般也都有專門的廚余垃圾收集箱，將這些可降解的有機廢棄物集中處理，無疑為其大規模資源化利用創造了有利條件。傳統的城市垃圾填埋場可以在微生物作用下產生大量沼氣，活躍的填埋場產生的沼氣中90％以上為甲烷和CO2，但是甲烷用于燃燒時仍會產生溫室氣體CO2，造成一定的大氣污染。利用生物質及固體有機廢棄物以微生物發酵法制氫對發展清潔高效的可再生能源和減少環境污染具有重要意義。
對于城鄉量大面廣的生物質及固體有機廢棄物而言，它們主要是由三大類復雜大分子即不溶解的碳水化合物、蛋白質和類脂物組成的，其厭氧消化產氫過程可分為水解、酸化和產氫產乙酸三個階段。由于固體有機廢棄物降解產氫過程的復雜性，其發酵制氫存在三大難點(1)產氫的能源轉化率低，如畜糞發酵產氫的能源轉化率僅為產甲烷的40％；(2)副產物有機酸累積抑制生物降解進程，如美國城市生活垃圾發酵過程中有機脂肪酸濃度累積到13000-20000mg/L時酸化反應就會停止，而此時固體有機物的氣化率尚不到4％；(3)對厭氧活性污泥而言，需要尋找能有效抑制產甲烷菌同時激活產氫菌的方法。
目前國內已申請公開的專利中，有報道利用厭氧活性污泥(中國專利申請92114474.1)進行有機廢水發酵法制氫，由于厭氧活性污泥未經過任何處理，主要用pH值來控制，而厭氧活性污泥中含有大量的產甲烷菌、鹽酸鹽還原細菌等厭氧細菌，這些細菌可利用氫氣而生存，因此氫氣的總量和回收產生了一定的影響；而一種生物制氫發酵液(中國專利申請00105462.7)制備方法，其水解制備培養液需要1～4個月，同時制備發酵液亦需1～4個月，所需準備時間較長。上述已公開的相關專利都只是通過發酵法得到H2作為目標產物，而單純產氫的能源轉化率低下是目前存在的一大難題。
發明內容
本發明的主要目的在于克服現有技術中的不足，提供一種利用生物質及固體有機廢棄物發酵法聯產氫氣和甲烷的裝置，以顯著提高能源轉化效率。
為了解決上述技術問題，本發明是通過以下技術方案實現的本發明提供了一種生物質及固體有機廢棄物發酵法聯產氫氣和甲烷的裝置，包括水解和酸化反應器1、有機酸產氫反應器3和產甲烷反應器6，水解和酸化反應器1底部、物料泵2、有機酸產氫反應器3底部、有機酸產氫反應器3頂部、物料泵5和產甲烷反應器6底部依次連接；物料泵2出口與水解和酸化反應器1頂部相連，物料泵4出口與有機酸產氫反應器3底部相連；有機酸產氫反應器3和產甲烷反應器6均為上流式反應器，內部分別設置填料床。
作為一種改進，所述有機酸產氫反應器3和產甲烷反應器6內部設置的填料床是玻璃珠填料床，填料床上下分別設置多孔板。
作為一種改進，所述水解和酸化反應器1上安裝有溫度計和酸度計。
作為一種改進，一個物料泵9連接水解和酸化反應器1的物料入口，物料入口延伸至反應器內部并連接一個給料器7。
作為一種改進，所述有機酸產氫反應器3上安裝有溫度計和酸度計。
作為一種改進，所述產甲烷反應器6上安裝有溫度計和酸度計。
作為一種改進，一個物料泵8連接水解和酸化反應器1頂部和有機酸產氫反應器3頂部。
作為一種改進，所述反應器頂部均設置有氣體排放口，氣體排放口分別設置流量計。
與現有技術相比，本發明的有益效果是本發明提供的裝置利用生物質及固體有機廢棄物制取氫氣，既可以控制環境污染，又產生了新型潔凈能源，大大降低了制氫的成本。本發明裝置可以收集發酵產氫過程殘余的小分子有機酸液，接種甲烷八疊球菌后繼續發酵產甲烷，從而實現氫氣和甲烷的聯產工藝。聯產的能源轉化率理論值可高達89.0％，遠高于單純產氫的能源轉化率理論值33.5％。通過實驗得到聯產的實際能源轉化率可高達51.2％左右，遠高于單純發酵產氫的實際能源轉化率19.3％左右。故采用該聯產工藝可使能源轉化率和基質利用率都獲得突破性提高。
本發明提供的裝置運行管理簡單，成本低廉，易于維護，性能可靠穩定。該設備適用于各類生物質及固體有機廢棄物的微生物發酵工藝，既可高效處理廢棄物，減少其對環境的嚴重污染，又可聯產高濃度的氫氣和甲烷氣體，能夠實現廢棄物的資源化利用，從而變廢為寶。
本發明提供的裝置具有很高的發酵聯產氫氣和甲烷氣體的能力，非常適合城市垃圾填埋場、農村生物質廢棄物處理中心、以及各類糧食、食品、蔬菜、瓜果和肉類加工廠等進行應用推廣，具有良好的經濟和社會效益。
圖1是本發明裝置流程圖具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
本實施例中裝置包括水解和酸化反應器1、有機酸產氫反應器3和產甲烷反應器6，水解和酸化反應器1底部、物料泵2、有機酸產氫反應器3底部、有機酸產氫反應器3頂部、物料泵5和產甲烷反應器6底部依次連接；物料泵2出口與水解和酸化反應器1頂部相連，物料泵4出口與有機酸產氫反應器3底部相連。三個反應器上均安裝有溫度計和酸度計。反應器頂部均設置有氣體排放口，氣體排放口分別設置流量計。
一個物料泵9連接水解和酸化反應器1的物料入口，物料入口延伸至反應器內部并連接一個給料器7。一個物料泵8連接水解和酸化反應器1頂部和物料泵4入口。
有機酸產氫反應器3和產甲烷反應器6均為上流式反應器，內部分別設置玻璃珠填料床，填料床上下分別設置多孔板。
反應器、泵之間均設置閥門，便于調整工藝操作。
本實施例中裝置的運行過程如下啟動時，將加熱預處理的厭氧活性污泥與培養基底料用物料泵9輸送到水解和酸化反應器1頂部物料入口，并且通過給料器7送入填有生物質及固體有機廢棄物的反應床中。在該反應床中三類復雜大分子有機質即不溶解碳水化合物、蛋白質和類脂物等首先在胞外酶的作用下發生水解和酸化過程，然后在產酸菌作用下酸化成液相的丙酮酸、短鏈脂肪酸以及氣相的少量H2、CO2等。利用溫度計控制固體物料床的溫度在37℃左右以適于菌株代謝，從床層頂部及時抽取并且收集發酵氣體，以防止氫氣分壓力太高會對酸化過程造成抑制作用。通過物料泵2將降解得到的有機酸液進行再循環，提高菌株在酸液中的利用率以提高產氫率。
由于有機酸鹽累積會對酸化反應進程產生抑制作用，因此將水解、酸化過程與酸液產氫過程相分離，采用水解和酸化反應器1底部安裝的酸度計檢測有機酸濃度，并定期將水解和酸化反應器1內積存的有機酸液通過物料泵2送到有機酸產氫反應器3中，使得水解和酸化反應器1內的有機酸還遠未達到臨界濃度時即被排出，保證了固體物料酸化過程的正常進行。
在有機酸產氫反應器3中，有機酸液在其所攜帶的產氫菌株的代謝作用下，進行產氫產乙酸反應。采用的上流式填料床不僅可以延長酸液底料和菌株的反應時間，而且可以有效防止菌株隨廢液排污流失。在有機酸產氫反應器3頂部得到大量高濃度的氫氣，而出口的有機酸液可通過物料泵4再循環到有機酸產氫反應器3的底部入口，或者通過物料泵8再循環到水解和酸化反應器1的頂部入口。
為實現高的能源轉化率，將有機酸產氫反應器3中經過發酵產氫過程殘余的富含乙酸的小分子有機酸液轉移到產甲烷反應器6中，同時由物料泵5送入嗜乙酸甲烷八疊球菌，以殘余的小分子有機酸作為底物繼續完成產甲烷的過程。將產甲烷反應器6出口的終端殘余液在該床自身進行再循環，以提高有機酸液及產甲烷菌的利用率，并增加反應時間以提高甲烷產量。從而實現了氫氣和甲烷的聯產工藝，使系統的能源轉化率和基質利用率都獲得突破性提高。
最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發明的具體實施例子。顯然，本發明不限于以上實施例子，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發明公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種生物質及固體有機廢棄物發酵法聯產氫氣和甲烷的裝置，包括水解和酸化反應器(1)、有機酸產氫反應器(3)和產甲烷反應器(6)，水解和酸化反應器(1)底部、物料泵(2)、有機酸產氫反應器(3)底部、有機酸產氫反應器(3)頂部、物料泵(5)和產甲烷反應器(6)底部依次連接；物料泵(2)出口與水解和酸化反應器(1)頂部相連，物料泵(4)出口與有機酸產氫反應器(3)底部相連；有機酸產氫反應器(3)和產甲烷反應器(6)均為上流式反應器，內部分別設置填料床。
2.根據權利要求1所述聯產氫氣和甲烷的裝置，其特征在于，所述有機酸產氫反應器(3)和產甲烷反應器(6)內部設置的填料床是玻璃珠填料床，填料床上下分別設置多孔板。
3.根據權利要求1所述聯產氫氣和甲烷的裝置，其特征在于，所述水解和酸化反應器(1)上安裝有溫度計和酸度計。
4.根據權利要求1所述聯產氫氣和甲烷的裝置，其特征在于，一個物料泵(9)連接水解和酸化反應器(1)的物料入口，物料入口延伸至反應器內部并連接一個給料器(7)。
5.根據權利要求1所述聯產氫氣和甲烷的裝置，其特征在于，所述有機酸產氫反應器(3)上安裝有溫度計和酸度計。
6.根據權利要求1所述聯產氫氣和甲烷的裝置，其特征在于，所述產甲烷反應器(6)上安裝有溫度計和酸度計。
7.根據權利要求1所述聯產氫氣和甲烷的裝置，其特征在于，一個物料泵(8)連接水解和酸化反應器(1)頂部和有機酸產氫反應器(3)頂部。
8.根據權利要求1所述聯產氫氣和甲烷的裝置，其特征在于，所述反應器頂部均設置有氣體排放口，氣體排放口分別設置流量計。
全文摘要
本發明涉及一種化工生產裝置，旨在提供一種利用生物質及固體有機廢棄物發酵法聯產氫氣和甲烷的裝置。本發明提供的裝置，包括水解和酸化反應器、有機酸產氫反應器和產甲烷反應器，水解和酸化反應器底部、物料泵、有機酸產氫反應器底部、有機酸產氫反應器頂部、物料泵和產甲烷反應器底部依次連接；物料泵出口與水解和酸化反應器頂部相連，物料泵出口與有機酸產氫反應器底部相連；有機酸產氫反應器和產甲烷反應器均為上流式反應器，內部分別設置填料床。本裝置既可以控制環境污染，又產生了新型潔凈能源，實現氫氣和甲烷的聯產，使整個系統的能源轉化率和基質利用率都獲得突破性提高，理論上能源轉換率可由單純發酵產氫的33.5％大幅度提高到89.0％。
文檔編號C12P3/00GK1858197SQ20061004990
公開日2006年11月8日 申請日期2006年3月20日 優先權日2006年3月20日
發明者周俊虎, 岑可法, 程軍, 劉建忠, 楊衛娟, 王智化, 黃鎮宇, 周志軍 申請人:浙江大學