專利名稱：一種可循環利用碳源的微生物發電方法
技術領域：
本發明涉及生物質發電技術，尤其是利用生物質沼氣進行發電方法。
背景技術：
隨著人們對能源需求的急劇擴張，非再生能源的逐步枯竭，能源供應日趨緊張，能 源問題已經上升為國家安全問題。生物質能源是一種來源于太陽能的可再生能源。它具 有資源豐富、含碳量低、環境污染少等諸多優點。因此，生物質能源的開發利用已越來越受 到世界各國政府及科研機構的重視，生物質發電技術也成為生物質能源利用研究中的熱點 和焦點。目前，生物質發電的技術開發主要集中在生物質燃燒發電、生物質氣化發電、沼氣 燃燒發電三個方面。生物質燃燒發電是利用生物質(如秸稈、木屑、可燃性垃圾等)與過 量的空氣在鍋爐中燃燒，再通過熱交換產生的高溫高壓蒸汽在燃氣輪機中膨脹做功發出電 能。該方法通常需要采用預先處理過的生物質，并且使用專門的生物質成型燃料燃燒設備， 方能達到發電所需的燃燒效率及熱效率。故該方法生產成本較高，且在燃燒生物質的過程 中還會排放出大量的二氧化碳等有害氣體。生物質氣化發電技術是先將生物質通過熱化學 轉化為氣體燃料，再將凈化后的氣體燃料直接送入鍋爐、內燃發電機、燃氣機的燃燒室中燃 燒來發電。由于氣化得到的生物質燃氣熱值和利用率低、加之氣化出來的燃氣含有一定的 雜質，包括灰分、焦炭和焦油等故還對其進行系統凈化，因此該方法整體效率較低。沼氣燃 燒發電是將沼氣用于發動機上，并裝有綜合發電裝置，以產生電能和熱能，是有效利用沼氣 的一種重要方式。沼氣發電在發達國家已受到廣泛重視和積極推廣。目前的沼氣發電技術 主要是以垃圾(如酒糟液、禽畜糞、城市污水、秸稈等等)填埋沼氣為燃料，通過內燃機進行 發電。雖然說沼氣燃料是一種相對更為清潔的燃料，但是沼氣中含有30_40%的0)2，而C02 一般不燃燒，也不支持燃燒，因此，沼氣在進入內燃機燃燒后仍會排放出大量的C02 ;再者， 沼氣所含的甲烷在燃燒過程中其本身也會產生一定量的(A。眾所周知，二氧化碳是導致溫 室效應的主要氣體。近年來由于二氧化碳的過度排放，已導致全球氣候變暖，冰川融化，海 平面升高，因此，許多國家都在積極致力于溫室氣體的減排工作，以期能夠有效地遏止溫室 效應。
發明內容
本發明的目的就是提供一種可循環利用碳源的微生物發電方法，以期能夠既充分
體現沼氣燃燒發電技術的優勢，又可有效防止二氧化碳的過度排放，同時還能解決現有沼
氣燃燒發電效率低、投資巨大、受自然條件、地理環境制約等諸多問題。 本發明的目的是這樣實現的 本發明方法包括以下步驟 a〉制造微生物富集產物將光能營養型微生物置于光照生物反應器中，加入液體 培養液，溫度控制在20-4(TC，放置36-72小時，通入二氧化碳氣體，當微生物干物質濃度大 于lg/L時，將漂浮在光照生物反應器上部的微生物富集產物輸出；
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b〉將微生物富集產物輸入沼氣發生器中，與沼氣發生器中的厭氧活性污泥作用， 生成沼氣、沼液；將沼液通入a>工序中的光照生物反應器中；沼氣輸入發電機組中的內燃 機中燃燒，發電機組輸出電能、熱能及二氧化碳氣體； c>將b>工序輸出的二氧化碳氣體，經溫度控制處理(將溫度控制在a>工序生物 反應所需溫度之內)，輸入a>工序中的光照生物反應器中。 本發明所說的光能營養型微生物可以選自藻類、藍細菌和光合細菌，其中優選藻 類或藍細菌中的任意一種或其混合微生物。這些微生物均可市售獲得，也可按照現有常規 技術以自然界采集、分離、提純、擴大培養的方式獲得。 本發明所述的藻類可以是甲藻，綠藻(如小球藻、衣藻、新月藻)，裸藻，硅藻(如顆 粒直鏈藻)中的任意一種，或不同藻的任意混合微生物；也可是藻類與藍細菌的任意混合 微生物。 本發明中的光照生物反應器，可充分吸收光能以及體外供給的二氧化碳，為光能 營養型微生物提供良好的繁殖生長條件。 a〉工序中的液體培養液，可以選用通常使用的一般無機培養液，如含有氮、磷、鉀 的無機培養液。本發明優選厭氧污泥浸出液，該培養液更有利于本發明微生物富集產物的 繁殖。 回用發電機組所產生的二氧化碳，可對其進行適當的冷卻降溫，以使其符合光照
生物反應的要求。如將二氧化碳高溫氣體換熱降溫后，一般控制在20-4(TC之間。 為了進一步提高本發明的循環利用水平，降低生產制造成本，本發明方法中還可
增加以下方面的措施 (1)本發明的光照生物反應器，最好是由數個反應器(如3個、6個或更多)串接 為一組。這樣一方面可充分保證有足夠量的微生物富集產物供給，另一方面也可充分消化 發電過程所產生的二氧化碳。 (2)本發明a〉工序中的光照生物反應器，最好通過管路串接有堆肥反應罐。由于 堆肥反應消耗氧氣產生二氧化碳，而光照生物反應則吸收二氧化碳放出氧氣，這樣二者正 好形成循環轉化鏈。堆肥反應所產生的二氧化碳即可通過管路輸送到光照生物反應器中， 為光照生物反應的啟動階段提供二氧化碳；同時光照生物反應所產生的氧氣亦可通過管路 輸送到堆肥反應罐中，以此促進堆肥的發酵反應。 (3)在a〉工序中光照生物反應器內設有熱交換裝置，b〉工序輸出的二氧化碳氣體 通過熱交換裝置進入光照生物反應器中。由于內燃機燃燒所輸出的二氧化碳氣體必然攜帶 著一定量的熱能，將其通過熱交換裝置進入光照生物反應器，既對二氧化碳氣體的溫度進 行了調控，又使其為光照生物反應器提供了生物反應所需的熱能。 (4)在沼氣發生裝置內設有熱交換裝置；b〉工序輸出的熱能通過熱交換裝置進入 中沼氣發生裝置，由此為沼氣生成提供所需熱能。 (5)在將漂浮在光照生物反應器上部的微生物富集產物濾除過多的水分后，將濃 縮體放入沼氣發生裝置，剩余的液體返回光照生物反應器中。 在實施本發明方法時所選用的設備包括有光照生物反應器、沼氣發生裝置、堆肥 反應罐以及發電機組。光照生物反應器為透光、密閉的玻璃(或有機玻璃)容器，其底部接 有進氣管道，上部接出氣管道和排微生物管道；沼氣發生裝置為普通市售的高溫、中溫、常
4溫沼氣發生裝置；堆肥反應罐為普通的堆肥反應罐，罐體上接有進氣管道和出氣管道；發 電機組為市售的沼氣燃料發電機組。 本發明的重要創新之處及有益效果表現在以下幾個方面 (1)本發明方法以光能營養型微生物作為沼氣發電的初始原料，其繁殖力旺盛，在 一次性加足微生物及培養液后，只需要在必要時適當補充微生物及營養液，即可源源不斷 地產出；所培養繁殖的微生物富集產物營養豐富、極易分解、含硫量小、容積產氣率高、發酵 原料利用率可達95%以上。 (2)本發明方法既不消耗非再生性資源，也不排出有害氣體。它通過循環利用的方 式，使工藝流程中所有的生成物皆可各盡其用。它為社會提供了一種真正的清潔能源。
(3)本發明方法制造成本低且不受任何環境和地理條件的限制，規模可大可小。
(4)發明方法投資小、技術管理要求相對較低，安全性高。 以下通過具體實施例以及本發明的工藝流程示意圖對本發明作進一步的說明，但
并不以任何形式限制本發明。
圖1是本發明的工藝流程示意圖。 實施例1 本實施例采用的設備包括有光照生物反應器、沼氣發生裝置、堆肥反應罐、熱交換 器以及發電機組。 本實施例的工藝流程如圖1所示，本實施例的3個光照生物反應器串接為一組。堆 肥反應罐所產生的二氧化碳氣體通過分流管道分別通入光照生物反應器1、光照生物反應 器2中，為光照生物反應的啟動提供所需要的二氧化碳氣體；光照生物反應器所產生的微 生物富集產物通過光照生物反應器的排微生物管道輸入沼氣發生裝置中，與沼氣發生裝置 中的厭氧發酵污泥反應生成沼氣。沼氣發生裝置將其產生的沼氣輸入發電機組中的內燃機 燃燒發電，其沼氣發酵過程中產生的沼液(溫度控制至適宜光照生物反應，如沼液溫度為 30-40°C)回輸到光照生物反應器中，為光照生物反應提供營養支持。內燃機燃燒發電所產 生的電能，為人類生活所用；其輸出的二氧化碳氣體回輸到光照生物反應器中，為光照生物 反應提供碳源；其輸出的熱能一部分通過沼氣發生裝置中所設置的熱交換器為沼氣發酵反 應提供所需熱能，另一部分隨同二氧化碳氣體進入光照生物反應器中的熱交換器，為光照 生物反應提供所需熱能；其他剩余的熱能可為人類生活提供其他服務。在光照生物反應過 程中產生的氧氣回輸到堆肥反應罐，為堆肥反應提供所需。 本實施例在制備微生物富集產物時，采用藍細菌。光照生物反應器放在日光溫 室內，溫室應保證有充足均勻的光照，溫室內溫度保持在25-3(TC左右；將藍細菌置于光照 生物反應器中，加入厭氧污泥浸出液(該液可從市場購得)中，水溫控制在35-4(TC，放置 36-40小時，通入堆肥反應罐所產生的二氧化碳氣體，經檢驗測定，當微生物干物質濃度大 于lg/L時，將漂浮在光照生物反應器上部的微生物富集產物輸出到沼氣發生裝置；
光照生物反應器30m3，沼氣發生裝置選擇有效容積12m3左右，高溫發酵污泥負荷 10-20公斤COD/m3左右，由此所產沼氣的甲烷純度為70%左右；發電機額定功率5千瓦、額 定電壓220伏，耗氣量O. 5-0. 7m3/千瓦時。 堆肥反應罐中按照常規的堆肥技術，放入牛糞、秸稈進行發酵反應，反應所生成的 二氧化碳氣體經常規的殺菌處理后輸入到光照生物反應器中。
當整個工程運轉起來后，隨著微生物富集產物的不斷產生與消耗，可按照常規技 術隨時檢測光照生物反應器中的生態環境，適當補入菌種及培養液，以保證光照生物反應 能夠不斷進行。 本實施例當沼氣產量為36-72m3時可發電60-120度。
實施例2 本實施例采用的設備包括有光照生物反應器、沼氣發生裝置、以及發電機組。其連 接方式及工藝過程可參考圖1。 本實施例在制備微生物富集產物時，采用藍細菌及藻類(甲藻，小球藻，巨藻)。按 照重量百分在厭氧污泥浸出液中加入0.5%的菌種，置于光照生物反應器中，同時1 : l的 體積比，加入適量的水，水溫控制在25-26t:，放置72小時，通入二氧化碳氣體。經檢驗測 定，當微生物干物質濃度大于lg/L時，將漂浮在光照生物反應器上部的微生物富集產物輸 出到沼氣發生裝置，生成沼氣、沼液；將沼液輸入光照生物反應器中，沼氣輸入發電機組中 的內燃機中燃燒，發電機組即輸出電能、熱能及二氧化碳氣體；再將該步輸出的二氧化碳氣 體傳輸到光照生物反應器。 光照生物反應器50m3，沼氣發生裝置選擇有效容積20m3左右，中溫發酵污泥負荷
15公斤COD/m3左右，由此所產沼氣的甲烷純度為65%左右。 發電機額定功率10千瓦、額定電壓220伏，耗氣量0. 5-0. 7m3/千瓦時。 在回用發電機組所產生的二氧化碳時，可對其進行適當的冷卻降溫，以使其符合
光照生物反應的的要求。 本實施例平均日產微生物富集產物干物質約240公斤以上，可連續生產。本實施 例可產沼氣約120m 可發電240度。
實施例3 本實施例采用的設備包括有光照生物反應器、沼氣發生裝置、以及發電機組。其連 接方式及工藝過程可參考圖1。 本實施例在制備微生物富集產物時，采用衣藻。將衣藻置于光照生物反應器中，加
入含氮磷鉀的培養液(含氮200mg/L，含磷40mg/L，含鉀180mg/L)，水溫控制在25_30°C ，放
置60小時，通入二氧化碳氣體，經檢驗測定，當微生物干物質濃度大于lg/L時，將漂浮在光
照生物反應器上部的微生物富集產物濾除過多的水分后，將濃縮體放入沼氣發生裝置，剩
余的液體返回光照生物反應器中，以進一步提高效率。生成沼氣、沼液后，將沼液通入光照
生物反應器中；沼氣通入發電機組中的內燃機中燃燒，輸出電能、熱能及二氧化碳氣體。再
將該步輸出的二氧化碳氣體換熱降溫后，控制其溫度在25-3(TC時后通到光照生物反應器。 光照生物反應器100m3，沼氣發生裝置選擇有效容積30m3左右，高溫發酵污泥負荷
30公斤COD/m3左右，由此所產產沼氣的甲烷純度為75%左右； 發電機定功率20千瓦、額定電壓220伏，耗氣量0. 5/m3千瓦時。 本實施例平均日產微生物富集產物干物質約480公斤以上，可連續生產。產沼氣
約240m 可發電480度。 實施例4 本實施例在制備微生物富集產物時，采用甲藻。方法及工藝參數均與實施例3相 同。
實施例5 本實施例在制備微生物富集產物時，采用裸藻。方法及工藝參數均與實施例2相 同。 實施例6 本實施例在制備微生物富集產物時，采用硅藻。方法及工藝參數均與實施例1相 同。 以上各實施例所采用的微生物均可通過市售獲得，也可按照現有常規技術以自然 界采集、分離、提純、擴大培養的方式獲得。
權利要求
一種可循環利用碳源的微生物發電方法，其特征在于它包括以下步驟a>制造微生物富集產物將光能營養型微生物置于光照生物反應器中，加入液體培養液，溫度控制在20-40℃，放置36-72小時，通入二氧化碳氣體，當微生物干物質濃度大于1g/L時，將漂浮在光照生物反應器上部的微生物富集產物輸出；b>將微生物富集產物輸入沼氣發生器中，與沼氣發生器中的厭氧活性污泥作用，生成沼氣、沼液；將沼液輸入a>工序中的光照生物反應器中；沼氣輸入發電機組中的內燃機中燃燒，發電機組輸出電能、熱能及二氧化碳氣體；c>將b>工序輸出的二氧化碳氣體，經溫度控制處理，輸入a>工序中的光照生物反應器中。
2. 根據權利要求l所述的可循環利用碳源的微生物發電方法，其特征在于a〉工序所說 的光照生物反應器，由數個反應器串接為一組。
3. 根據權利要求1或2所述的可循環利用碳源的微生物發電方法，其特征在于a>工序 所說的光照生物反應器，通過管路串接有堆肥反應裝置。
4. 根據權利要求1或2所述的可循環利用碳源的微生物發電方法，其特征在于在光照 生物反應器內設有熱交換裝置；b>工序輸出的二氧化碳氣體通過熱交換裝置進入光照生 物反應器中。
5. 根據權利要求1或2所述的可循環利用碳源的微生物發電方法，其特征在于在a>工 序中所說光能營養型微生物為藻類或藍細菌中的任意一種或其混合微生物。
6. 根據權利要求1或2所述的可循環利用碳源的微生物發電方法，其特征在于在a>工 序中所說液體培養液為厭氧污泥浸出液。
7. 根據權利要求1或2所述的可循環利用碳源的微生物發電方法，其特征在于在沼氣 發生裝置內設有熱交換裝置；b>工序輸出的熱能通過熱交換裝置進入中沼氣發生裝置。
8. 根據權利要求1或2所述的可循環利用碳源的微生物發電方法，其特征在于在將漂 浮在光照生物反應器上部的微生物富集產物濾除過多的水分后，將濃縮體放入沼氣發生裝 置，剩余的液體返回光照生物反應器中。
全文摘要
本發明公開了一種可循環利用碳源的微生物發電方法，包括以下步驟a)將光能營養型微生物置于光照生物反應器中，加入液體培養液，通入二氧化碳氣體，將漂浮在光照生物反應器上部的微生物富集產物輸出；b)將微生物富集產物輸入沼氣發生器中，生成的沼液輸入光照生物反應器中；生成的沼氣輸入發電機組中的內燃機中燃燒；c)將輸出的二氧化碳氣體，輸入光照生物反應器中。本發明方法以光能營養型微生物作為沼氣發電的初始原料，既不消耗非再生資源，也不排出有害氣體。它通過循環利用的方式，使工藝流程中所有的生成物皆可各盡其用。
文檔編號F02B43/10GK101749106SQ20081007997
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月8日 優先權日2008年12月8日
發明者劉愛平 申請人:劉愛平