專利名稱：一種藻渣與畜禽糞便耦合厭氧發(fā)酵制氫的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物能源技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種厭氧發(fā)酵制備清潔氫氣的新工藝，更具體地涉及一種采用藻渣和畜禽糞便耦合厭氧發(fā)酵制備氫氣的綠色方法。
背景技術(shù)：
全球不可再生能源的日益枯竭和環(huán)境污染問題，對人類的生存和可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴重威脅，開發(fā)具有高附加值的清潔能源已成為研究熱點。氫氣作為高效、清潔、可再生的能源，受到人們的日益關(guān)注。多種制氫方法中，生物制氫因其對環(huán)境友好和能耗低等特點引起研究者的重視，其中微生物可利用有機廢棄物等生物質(zhì)在厭 氧條件下制備氫氣，具有治污、環(huán)保和產(chǎn)能等多重優(yōu)越性，開發(fā)前景廣闊。隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖排放的有機廢棄物產(chǎn)量急劇增長，僅2007年全國畜禽糞便排放量就超過40億噸，是工業(yè)有機污染物的4. I倍，預(yù)計2015年將達到60億噸，但相關(guān)處理處置技術(shù)與配套設(shè)施卻相對滯后，80%以上的規(guī)?；B(yǎng)殖場沒有足夠配套處理設(shè)施消納其產(chǎn)生的糞便，大量畜禽糞便任意排放，污染物通過農(nóng)田地表徑流、農(nóng)田排水和地下滲漏進入就近水體，造成水環(huán)境污染，嚴重影響了村鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境與人居環(huán)境質(zhì)量。微藻是最低等的光合作用有機體，具有光合作用效率高、生長周期短和產(chǎn)量高等特點，可以利用污水中的氮、磷等污染物和吸收重金屬達到環(huán)境治理的目的，近年來國內(nèi)外研究者通過優(yōu)化培養(yǎng)和基因改造獲得高脂肪含量的微藻，利用有機溶劑抽提和酯交換反應(yīng)將藻脂轉(zhuǎn)化成液態(tài)碳氫化合物，即“生物柴油”。然而，隨著微藻生物柴油技術(shù)的研究與推廣，經(jīng)過水污染治理和油脂抽提后剩余的大量藻渣，隨意丟棄或存放勢必造成嚴重的環(huán)境污染問題，藻渣資源的高值化綜合利用成為微藻生物柴油產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用過程中亟待解決的關(guān)鍵問題。厭氧發(fā)酵制氫過程具有比產(chǎn)氫速率高、不受光照時間限制、可利用底物范圍廣、工藝簡單等優(yōu)點，在生物制氫中更具有發(fā)展?jié)摿?。由于藻渣富含蛋白質(zhì)、糖類和多種活性物質(zhì)能夠有效補充畜禽糞便厭氧發(fā)酵過程中的碳素損失，平衡發(fā)酵體系碳氮比，有效促進發(fā)酵產(chǎn)氫過程。因此，研發(fā)一種利用藻渣與畜禽糞便耦合厭氧發(fā)酵制取氫氣的方法，使兩者優(yōu)勢互補，從而保證厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫反應(yīng)器的穩(wěn)定運行，不僅能夠減輕畜禽糞便、藻渣排放導(dǎo)致的環(huán)境污染，解決農(nóng)業(yè)廢棄物的處置問題，還可通過有機廢棄物的高值化生產(chǎn)綠色生物能源，在一定程度上減少對化石燃料的依賴，優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)，促進社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種藻渣與畜禽糞便耦合厭氧發(fā)酵制氫的方法，以改進公知技術(shù)中存在的缺陷。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的藻渣與畜禽糞便耦合厭氧發(fā)酵制備氫氣的方法，以藻渣和畜禽糞便為底物置于微波中處理至底物未炭化狀態(tài)，冷卻后加入無機酸使底物pH值為2-5進行酸化，并將酸化后的底物洗滌至pH值為6-7后烘干；按質(zhì)量比藻渣畜禽糞便為I : 1-10 I混合后接入質(zhì)量比10-30%馴化后的活性污泥，于30-50°C，pH為5-7在
厭氧環(huán)境進行發(fā)酵產(chǎn)氫。所述的方法，其中，藻渣是指微藻油脂抽提后剩余的藻渣；微藻是指小球藻、鹽生杜氏藻和柵藻中的一種或幾種；畜禽糞便是指豬糞、牛糞、羊糞、馬糞、雞糞和鴨糞中的一種或幾種。所述的方法，其中，微藻油脂抽提取干燥藻粉以乙醚-石油醚為提取劑，體積比1:1-5: 1，溫度20-50°C的條件下提取1-5小時，經(jīng)離心收集藻體 后80-110°C烘干。所述的方法，其中，底物的酸化處理所采用的無機酸為鹽酸、硫酸和磷酸中的一種或幾種。所述的方法，其中，活性污泥的馴化是采用加熱、酸化、堿化、微波或曝氣方法進行馴化，其中加熱法是將活性污泥在80-10(TC加熱；酸化法是采用鹽酸將活性污泥pH調(diào)至2-5后靜置一段時間，并添加營養(yǎng)液進行厭氧活性污泥的馴化，以培養(yǎng)富集產(chǎn)氫菌并去除產(chǎn)甲烷菌；堿化法是采用氫氧化鈉將活性污泥pH調(diào)至9-11后靜置一段時間，并添加營養(yǎng)液進行厭氧活性污泥的馴化，以培養(yǎng)富集產(chǎn)氫菌并去除產(chǎn)甲烷菌；曝氣法是向活性污泥中通入空氣,持續(xù)一段時間；微波法是將活性污泥置于微波中處理至活性污泥未炭化狀態(tài)，然后冷卻。所述的方法，其中，微波功率為200-600W。所述的方法，其中，營養(yǎng)液組成按IOOOml去離子水計NaC15_10g，MgSO4 IW2Q0. 5-2. 0g, Na2HPO4 12H20 0. 5-2. 0g, NH4Cl 0. 5-2. 0g, CaCl2O. 01-0. 05g, EDTA_2Na0. 01-0. 05g，營養(yǎng)液初始 pH 為 6. 5-8. 0。所述的方法，其中，厭氧環(huán)境是在攪拌下通入氮氣或氬氣排除培養(yǎng)體系中的空氣。所述的方法，其中，培養(yǎng)體系采用的是厭氧發(fā)酵罐。所述的方法，其中，采用氣相-質(zhì)譜聯(lián)用色譜儀測定厭氧發(fā)酵后氣相和液相產(chǎn)物組成，采用濕式氣體流量計測定產(chǎn)氣量。本發(fā)明的優(yōu)點在于(I)本發(fā)明利用微波與酸化復(fù)合預(yù)處理厭氧發(fā)酵底物，可以有效提高氫氣產(chǎn)量，縮短產(chǎn)氫反應(yīng)器的啟動時間。(2)通過厭氧活性污泥的篩選和馴化，提高了產(chǎn)氫菌群活性，增加了生物氣中氫氣
含量和純度，增大氫氣產(chǎn)量。(3)本發(fā)明利用生物柴油制備后剩余的藻渣和畜禽養(yǎng)殖排放的糞便作為發(fā)酵底物，節(jié)約成本，減少固體廢棄物對環(huán)境的危害，實現(xiàn)了有機廢棄物高值化利用。(4)藻渣與畜禽糞便耦合厭氧發(fā)酵后得到具有高附加值、清潔的生物能源-氫氣，不會對環(huán)境造成二次污染。氫氣生物能源可以替代化石能源，緩解能源危機。(5)本發(fā)明易于操作及控制，設(shè)備簡單，反應(yīng)條件溫和，能耗少。


圖I為藻渣與畜禽糞便耦合生物制氫工藝流程圖；圖2為厭氧發(fā)酵氣相產(chǎn)物色譜圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供的藻渣與畜禽糞便耦合厭氧發(fā)酵制備氫氣的方法，是將生物柴油制備后剩余藻渣與畜禽糞便優(yōu)勢互補，采用微波與酸化復(fù)合預(yù)處理，通過厭氧發(fā)酵方式制備清潔能源氫氣。該方法反應(yīng)條件溫和，能耗低，效率高，可以在降解有機物的同時產(chǎn)生氫氣，保證厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過程的微生物代謝平衡，有效解決了厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效率低，產(chǎn)氫過程不穩(wěn)定等問題。本發(fā)明適用于微藻油脂抽提后剩余的藻渣，以及畜禽養(yǎng)殖排放的動物糞便以氫能形式回收固體有機質(zhì)中所含生物質(zhì)能源。
本發(fā)明所用的藻渣為微藻油脂抽提后剩余藻體，取干燥藻粉以乙醚-石油醚為提取劑，體積比I : 1-5 1，溫度20-50°C的條件下提取1-5小時，經(jīng)離心收集藻體后80-110°C 烘干。本發(fā)明提供的藻渣與畜禽糞便耦合厭氧發(fā)酵制備氫氣的主要技術(shù)路線在于I)微波與酸化復(fù)合預(yù)處理首先將藻渣、畜禽糞便等底物置于微波發(fā)生器中處理，為掌握微波處理的時間，以避免底物炭化，微波功率調(diào)為200-600 。微波處理后的底物取出冷卻至室溫加入無機酸(包括鹽酸、硫酸或磷酸的一種或幾種)調(diào)節(jié)PH為2-5，酸化處理8-24h，洗滌至pH值為6-7，烘干備用。其中的藻渣不多種高含脂量的微藻，如小球藻、鹽生杜氏藻和柵藻等。進一步的，本發(fā)明所用的畜禽糞便為多種動物糞便，包括豬糞、牛糞、羊糞、馬糞、雞糞和鴨糞等。2)活性污泥篩選和馴化本發(fā)明的活性污泥菌源取自厭氧沼氣池，其厭氧活性污泥菌群結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有較高的產(chǎn)甲烷菌，不利于厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫，需要進行活性污泥菌源的篩選和馴化，去除活性污泥中大多數(shù)產(chǎn)甲烷菌，提高活性污泥的活性和產(chǎn)氫能力?；钚晕勰嗟鸟Z化培養(yǎng)可以采用加熱、酸、堿、微波、曝氣等方法，其中加熱法是將活性污泥加熱至80-100°C。曝氣法是向活性污泥中通入空氣，持續(xù)一段時間(具體時間視活性污泥的量而定，可以是1-3天)。微波法是將污泥微波加熱后冷卻。酸化法是采用鹽酸將活性污泥PH調(diào)至2-5后靜置一段時間(可以是10-24小時)，并添加營養(yǎng)液進行厭氧活性污泥的馴化，以培養(yǎng)富集產(chǎn)氫菌并去除產(chǎn)甲烷菌。堿化法是采用氫氧化鈉將活性污泥PH調(diào)至9-11后靜置一段時間(可以是10-24小時)，并添加營養(yǎng)液進行厭氧活性污泥的馴化，以培養(yǎng)富集產(chǎn)氫菌并去除產(chǎn)甲烷菌?；钚晕勰囫Z化所用的營養(yǎng)液組成為(IOOOmL去離子水中)NaCl 5_10g，MgSO4 7H20 0. 5-2. 0g, Na2HPO4 12H20 0. 5-2. 0g, NH4ClO. 5-2. 0g,CaCl2 0.01-0. 05g, EDTA-2Na 0. 01-0. 05g，緩沖溶液 5-lOmL，此配制的營養(yǎng)液初始 pH 為
6. 5 8. O。3)厭氧發(fā)酵制氫的方法將微波-酸化復(fù)合處理后的藻渣和畜禽糞便按比例混合后加入?yún)捬醢l(fā)酵罐中，質(zhì)量比為I : 1-10 I。接入馴化后的活性污泥，一般接種量為10-30% (質(zhì)量比)，采用外部加熱套控制發(fā)酵溫度為30-50°C，pH為5-7，通入氮氣或氬氣排除培養(yǎng)體系中的空氣，保證厭氧環(huán)境進行發(fā)酵產(chǎn)氫，連續(xù)產(chǎn)氫7-15d后，終止反應(yīng)，采用氣相-質(zhì)譜聯(lián)用色譜儀測定氣相和液相產(chǎn)物組成，濕式氣體流量計測定產(chǎn)氣量。
本發(fā)明的原理在于畜禽糞便含有粗蛋白、脂肪和較高的有機氮，有機氮的分解產(chǎn)物具有較強的緩沖能力，可以緩和厭氧發(fā)酵過程中揮發(fā)性脂肪酸所造成的PH下降。藻渣富含糖類、蛋白質(zhì)、氨基酸和酶類等多種活性物質(zhì)能夠有效提高產(chǎn)氫微生物活性和生物量，補充畜禽糞便厭氧發(fā)酵過程中的營養(yǎng)損失，平衡厭氧發(fā)酵體系的碳氮比，有利于厭氧發(fā)酵產(chǎn)氧反應(yīng)的聞效穩(wěn)定運行。為能進一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點及功效，列舉實施例并結(jié)合附圖進行詳細說明。實施例I
I、底物預(yù)處理取干燥藻粉以乙醚-石油醚為提取劑，乙醚和石油醚的體積比為I : 1，溫度30°C的條件下提取4h，經(jīng)離心收集藻體后105°C烘干備用。分別將藻渣和豬糞置于微波發(fā)生器中200w處理30min (處理時間控制在藻渣和豬糞尚未被炭化的狀態(tài))，取出后冷卻至室溫。采用5mol/L鹽酸將底物pH值調(diào)節(jié)至3，酸化處理24h后，洗滌至pH至6。2、活性污泥篩選與馴化將取自豬糞厭氧沼氣池中的活性污泥過50目篩，去除大塊顆粒物，通過酸化預(yù)處理去除大多數(shù)產(chǎn)甲烷菌，進行產(chǎn)氫菌的篩選和富集。取200g活性污泥置于500mL三角瓶中，于100°C水浴中加熱15min后，采用lmol/L鹽酸將污泥pH調(diào)節(jié)至3. 0，在37°C條件下置于搖床，轉(zhuǎn)速150rpm,酸化24h。將酸化后的活性污泥用氫氧化鈉調(diào)至pH為6. 0,添加IOOmL營養(yǎng)液后進行厭氧活性污泥的馴化培養(yǎng)，馴化時間為5天，富集產(chǎn)氫菌，提高污泥活性和產(chǎn)氫能力。污泥馴化所用培養(yǎng)基組成為(1000ml去離子水中)NaC15g，MgSO4 IW2Q 0. 5g，Na2HPO4 12H201. 0g, NH4Cl I. 0g, CaCl2 0. Olg, EDTA_2Na 0. Olg，檸檬酸緩沖溶液 10mL，此配制的營養(yǎng)液初始pH為7. 5。3、藻渣與畜禽糞便耦合厭氧發(fā)酵制氫將微波-酸化復(fù)合預(yù)處理后的藻渣和畜禽糞便按2 I比例混合后投加入10升厭氧發(fā)酵罐中，接入馴化后的活性污泥，接種量為10% (質(zhì)量比)，采用外部加熱套控制發(fā)酵溫度為35°C，pH為6. 0，攪拌速度120rpm，通入氮氣2min排除發(fā)酵罐中空氣，保證厭氧環(huán)境進行發(fā)酵產(chǎn)氫，連續(xù)產(chǎn)氫7d后，終止反應(yīng)。實施例2采用具有自養(yǎng)和異養(yǎng)雙重生長能力的原核小球藻，首先在異養(yǎng)培養(yǎng)條件下獲得高濃度藻液，藻液濃度達到40g/L后經(jīng)離心、冷凍干燥獲得小球藻藻粉。取干燥藻粉經(jīng)超聲波破壁后以乙醚-石油醚(體積比為2 I)為提取劑，在溫度35°C的條件下提取4h，離心收集藻體后105°C烘干備用。分別將小球藻殘渣和豬糞(質(zhì)量比2 I)置于微波發(fā)生器中600w處理IOmin (不能使藻洛和豬糞被炭化),再采用5mol/L鹽酸將底物pH值調(diào)節(jié)至3,酸化處理24h后，洗滌至pH 6。向預(yù)處理后的小球藻殘渣和豬糞混合底物中接入馴化后的活性污泥，接種量為底物質(zhì)量的10%，向裝置中通入高純氮氣2min以排除空氣，控制厭氧發(fā)酵溫度35°C，調(diào)節(jié)pH值為6. 0，連續(xù)產(chǎn)氫7d。采用SP-6890型氣相色譜法測定發(fā)酵氣相產(chǎn)物組成和濃度，氣相色譜條件為柱長4m，擔體為13X分子篩，T⑶熱導(dǎo)池檢測器，高純氬氣作載氣，流速為40mL/min，柱溫120°C，熱導(dǎo)池和進樣器溫度為150°C，進樣量lmL，以峰面積定量，校正歸一法計算氣體含量。生物氣各成分測定的色譜圖參見圖2。本發(fā)明在有機廢棄物高值化利用的同時實現(xiàn)了減排產(chǎn)能的目標，并將可再生資源利用、污染治理和制氫聯(lián)合進行，具有重要的環(huán)境 效益和廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種藻渣與畜禽糞便耦合厭氧發(fā)酵制備氫氣的方法，以藻渣和畜禽糞便為底物置于微波中處理至底物未炭化狀態(tài)，冷卻后加入無機酸使底物PH值為2-5進行酸化，并將酸化后的底物洗滌至PH值為6-7后烘干； 按質(zhì)量比藻渣畜禽糞便為I : 1-10 I混合后接入質(zhì)量比10-30%馴化后的活性污泥，于30-50°C，pH為5-7在厭氧環(huán)境進行發(fā)酵產(chǎn)氫。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，藻渣是指微藻油脂抽提后剩余的藻渣；微藻是指小球藻、鹽生杜氏藻和柵藻中的一種或幾種；畜禽糞便是指豬糞、牛糞、羊糞、馬糞、雞糞和鴨糞中的一種或幾種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，微藻油脂抽提取干燥藻粉以乙醚-石油醚為提取齊U，體積比I : 1-5 1，溫度20-50°C的條件下提取1-5小時，經(jīng)離心收集藻體后80-110°C烘干。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，底物的酸化處理所采用的無機酸為鹽酸、硫酸和磷酸中的一種或幾種。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，活性污泥的馴化是采用加熱、酸化、堿化、微波或曝氣方法進行馴化，其中 加熱法是將活性污泥在80-10(TC加熱； 酸化法是采用鹽酸將活性污泥PH調(diào)至2-5后靜置一段時間，并添加營養(yǎng)液進行厭氧活性污泥的馴化，以培養(yǎng)富集產(chǎn)氫菌并去除產(chǎn)甲烷菌； 堿化法是采用氫氧化鈉將活性污泥PH調(diào)至9-11后靜置一段時間，并添加營養(yǎng)液進行厭氧活性污泥的馴化，以培養(yǎng)富集產(chǎn)氫菌并去除產(chǎn)甲烷菌； 曝氣法是向活性污泥中通入空氣，持續(xù)一段時間； 微波法是將活性污泥置于微波中處理至活性污泥未炭化狀態(tài)，然后冷卻。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或5所述的方法，其中，微波功率為200-600W。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，營養(yǎng)液組成按IOOOmL去離子水計NaCl5-10g,MgSO4 7H20 0. 5-2. 0g, Na2HPO4 12H20 0. 5-2. Og, NH4Cl 0. 5-2. Og, CaCl2 0. 01-0. 05g,EDTA-2Na 0. 01-0. 05g,營養(yǎng)液初始 pH 為 6. 5-8. 0。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，厭氧環(huán)境是在攪拌下通入氮氣或氬氣排除培養(yǎng)體系中的空氣。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，培養(yǎng)體系采用的是厭氧發(fā)酵罐。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，采用氣相-質(zhì)譜聯(lián)用色譜儀測定厭氧發(fā)酵后氣相和液相產(chǎn)物組成，采用濕式氣體流量計測定產(chǎn)氣量。
全文摘要
一種藻渣與畜禽糞便耦合厭氧發(fā)酵制備氫氣的方法，以藻渣和畜禽糞便為底物置于微波中處理，冷卻后加入無機酸使底物pH值為2-5進行酸化，并將酸化后的底物洗滌至pH值為6-7后烘干；按質(zhì)量比藻渣∶畜禽糞便為1∶1-10∶1混合后接入質(zhì)量比10-30％馴化后的活性污泥，于30-50℃，pH為5-7在厭氧環(huán)境進行發(fā)酵產(chǎn)氫。本發(fā)明將生物柴油制備后剩余藻渣與畜禽糞便優(yōu)勢互補，反應(yīng)條件溫和，能耗低，產(chǎn)氫量大，延遲時間短，有效解決了厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效率低，產(chǎn)氫過程不穩(wěn)定等問題，在有機廢棄物高值化利用的同時實現(xiàn)了減排產(chǎn)能的目標，并將可再生資源利用、污染治理和制氫聯(lián)合進行，具有重要的環(huán)境效益和廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號C12P3/00GK102766661SQ20121023083
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月4日
發(fā)明者夏訓峰, 席北斗, 張列宇, 李曉光, 賈璇, 趙穎, 郭麗崗 申請人:中國環(huán)境科學研究院