一種管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的方法及裝置，通過利用厭氧細(xì)菌具有較強(qiáng)的基質(zhì)降解能力，光合細(xì)菌具有較高的原料轉(zhuǎn)化率特點(diǎn)，將光合、厭氧細(xì)菌混合菌群在光發(fā)酵管路和暗發(fā)酵管路中循環(huán)培養(yǎng)，富集形成生物膜，按照明暗交替，連續(xù)循環(huán)的方式進(jìn)行生物制氫。經(jīng)過預(yù)處理的生物質(zhì)原料先由暗反應(yīng)區(qū)的厭氧細(xì)菌進(jìn)行降解和產(chǎn)氫，經(jīng)過厭氧細(xì)菌產(chǎn)氫后的發(fā)酵液經(jīng)過處理后，再進(jìn)入光反應(yīng)區(qū)由光合細(xì)菌進(jìn)一步利用和產(chǎn)氫，從而提高原料轉(zhuǎn)化率和氫氣產(chǎn)率，相對于單獨(dú)的厭氧細(xì)菌暗發(fā)酵制氫，混合發(fā)酵制氫具有更高的原料利用率，相對于單獨(dú)的光合細(xì)菌制氫，混合發(fā)酵制氫具有更好的原料利用范圍和更高的產(chǎn)氫效率從而顯著提高生物制氫的效率。
【專利說明】一種管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于可再生能源【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種適用于光合、厭氧細(xì)菌混合菌群利用生物質(zhì)原料的管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著世界經(jīng)濟(jì)的社會的快速發(fā)展，有限的化石能源已經(jīng)不能滿足世界各國對能源的需求，且化石能源會帶來日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，在各種可替代能源中，氫能因其可再生性、清潔性、存儲方便、應(yīng)用形式多樣等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種最為理想的清潔能源。目前工業(yè)化制氫主要通過電解水制氫和化石燃料重整制氫獲得，存在著制氫能源消耗大，制氫過程存在污染等缺點(diǎn)，不能滿足未來氫能生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的要求，生物制氫反應(yīng)條件溫和，在常溫、常壓和接近中性的溫和條件下進(jìn)行，而且生物制氫可利用工農(nóng)業(yè)廢棄物和各種工業(yè)污水為原料，能將能源生產(chǎn)與廢棄物利用、太陽能轉(zhuǎn)化、環(huán)境污染治理等結(jié)合，既實現(xiàn)了廢棄物資源化利用，又降低了制氫成本，成為當(dāng)今氫能生產(chǎn)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種管式多路循環(huán)明暗交替(光合、厭氧細(xì)菌混合)生物制氫的方法，旨在提高生物制氫效率，簡化生物制氫反應(yīng)器設(shè)計和運(yùn)行，為多菌種多菌群混合生物制氫提供科學(xué)參考和依據(jù)。
[0004]本發(fā)明的再一目的在于提供一種管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫裝置。
[0005]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的方法，包括以下步驟:
[0006](I)將光合細(xì)菌、厭氧細(xì)菌混合菌群在光反應(yīng)排管和暗反應(yīng)排管上循環(huán)連續(xù)培養(yǎng)，光合細(xì)菌在光發(fā)反應(yīng)排管上生長并形成光合細(xì)菌生物膜；厭氧細(xì)菌在暗反應(yīng)排管上生長并形成厭氧細(xì)菌生物膜；
[0007](2)將預(yù)處理后的產(chǎn)氫原材料在首先通過附著厭氧細(xì)菌生物膜的暗反應(yīng)排管后形成發(fā)酵液，收集該管路中產(chǎn)生的氫氣；
[0008](3)將發(fā)酵液進(jìn)行調(diào)節(jié)后，在光照條件下通過附著光合細(xì)菌生物膜的光反應(yīng)排管后形成廢棄液，收集該管路中產(chǎn)生的氫氣。
[0009]優(yōu)選地，在步驟(1)中，所述光反應(yīng)排管和暗反應(yīng)排管總體積比為4:1。
[0010]優(yōu)選地，在步驟(2)中，所述產(chǎn)氫原材料包括秸桿生物質(zhì)原料或有機(jī)廢水，其中，所述秸桿生物質(zhì)原料的預(yù)處理為:將秸桿粉碎至粒度范圍為50~500nm，并且加水混合為固液比10~60g/L后，用纖維素酶酶結(jié)處理至秸桿生物質(zhì)原料的還原糖含量為650~1250mg/L ；
[0011]所述有機(jī)廢水的預(yù)處理為:選擇或者用水調(diào)節(jié)有機(jī)廢水的透光率大于25%、COD含量為 3000 ~8000mg/L ；
[0012]所述產(chǎn)氫原材料在進(jìn)入到附著厭氧細(xì)菌生物膜的暗反應(yīng)排管的溫度為28~32、pH 值為 4.5 ~5.5，C\N 值為 10:1 ~20:1。
[0013]優(yōu)選地，在步驟(2 )中，在步驟(3 )中，所述發(fā)酵液進(jìn)行調(diào)節(jié)為:調(diào)節(jié)所述發(fā)酵液的溫度為28~32°C，pH值為6.5~7.5，C\N值為70:1~80:1。
[0014]優(yōu)選地，在步驟(3)中，所述光照條件為用黃色LED照明光纖提供光照，光照強(qiáng)度為 1000 ~4000LUX。
[0015]本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的裝置，包括暗反應(yīng)排管，光反應(yīng)排管，上罐體,下罐體,菌種罐,料液罐,炭氮調(diào)節(jié)罐,酸度調(diào)節(jié)罐,進(jìn)料泵,循環(huán)泵，恒流泵，以及光照管，其中，所述菌種罐的出液口設(shè)有閥門，所述菌種罐、料液罐與進(jìn)料泵的進(jìn)液口連接，所述進(jìn)料泵的出液口與下罐體連接，所述循環(huán)泵的攪拌葉片設(shè)于下罐體內(nèi)，所述下罐體與暗反應(yīng)排管的進(jìn)液端連接，所述暗反應(yīng)排管的出液端與上罐體連接，所述上罐體頂部設(shè)有排氣管，所述上罐體與恒流泵的出液端連接，所述恒流泵的進(jìn)液端分別與炭氮調(diào)節(jié)罐以及酸度調(diào)節(jié)罐連接，所述上罐體與光反應(yīng)排管的進(jìn)液端連接，所述光反應(yīng)排管上設(shè)有光照管。
[0016]優(yōu)選地，所述光反應(yīng)排管為透光玻璃制成，所述光反應(yīng)排管的數(shù)量為5根，且5根所述光反應(yīng)排管并列設(shè)置，所述暗反應(yīng)排管為有機(jī)玻璃制成，所述暗反應(yīng)排管的數(shù)量為3根，外層涂黑色涂層，且3根所述暗反應(yīng)排管并列設(shè)置；其中，3根所述暗反應(yīng)排管的管內(nèi)總面積與5根光反應(yīng)排管的管內(nèi)總體積之比為4:1。
[0017]優(yōu)選地，所述光照管為光照強(qiáng)度為1000~4000LUX的黃色LED照明光纖；
[0018]所述暗反應(yīng)排管和光反應(yīng)排管均放置菌體固定化材料，所述固定化材料由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%海藻酸鈉、2%Cacl2組 成，所述暗反應(yīng)排管和光反應(yīng)排管的管路兩端用網(wǎng)狀薄膜封□。
[0019]優(yōu)選地，所述光反應(yīng)排管的出液端設(shè)有下罐體上，所述下罐體上設(shè)有排液口，所述下罐體內(nèi)設(shè)有將下罐體內(nèi)部分為第一部分和第二部分的擋板，所述光反應(yīng)排管的出液端以及排液口位于第一部分；所述暗反應(yīng)排管的進(jìn)液口以及進(jìn)料泵的出液口位于下罐體的第二部分；所述循環(huán)泵的攪拌葉片分別設(shè)于下罐體的第一部分和第二部分中。
[0020]優(yōu)選地，所述光反應(yīng)排管和暗反應(yīng)排管上均纏繞電熱絲，所述電熱絲與溫度溫度調(diào)節(jié)裝置連接；
[0021]所述上罐體上設(shè)有觀察窗，且所述上罐體內(nèi)設(shè)有氣體流量、液體流量、溫度、pH檢測探頭；
[0022]所述光反應(yīng)排管與上罐體以及下罐體的連接處均采用可拆卸軟管連接；
[0023]所述暗反應(yīng)排管與上罐體以及下罐體的連接處均采用可拆卸軟管連接。
[0024]本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過利用厭氧細(xì)菌具有較強(qiáng)的基質(zhì)降解能力，光合細(xì)菌具有較高的原料轉(zhuǎn)化率特點(diǎn)，提供了一種用于光合、厭氧細(xì)菌管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的方法及裝置，在本發(fā)明中，經(jīng)過預(yù)處理的生物質(zhì)原料先由暗反應(yīng)區(qū)的厭氧細(xì)菌進(jìn)行降解和產(chǎn)氫，經(jīng)過厭氧細(xì)菌產(chǎn)氫后的發(fā)酵液經(jīng)過處理后，再進(jìn)入光反應(yīng)區(qū)由光合細(xì)菌進(jìn)一步利用和產(chǎn)氫，從而提高原料轉(zhuǎn)化率和氫氣產(chǎn)率，相對于單獨(dú)的厭氧細(xì)菌暗發(fā)酵制氫，混合發(fā)酵制氫具有更高的原料利用率，相對于單獨(dú)的光合細(xì)菌制氫，混合發(fā)酵制氫具有更好的原料利用范圍，從而顯著提高生物制氫的效率，降低生物質(zhì)生物制氫成本。【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的方法的步驟流程圖；
[0026]圖2是本發(fā)明管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的裝置的正面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖3是本發(fā)明管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的裝置的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0028]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。 [0029]一種管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的方法，如圖1所示，包括以下步驟:
[0030]S1、將光合細(xì)菌、厭氧細(xì)菌混合菌群在光反應(yīng)排管和暗反應(yīng)排管上循環(huán)連續(xù)培養(yǎng)，光合細(xì)菌在光發(fā)反應(yīng)排管上生長并形成光合細(xì)菌生物膜；厭氧細(xì)菌在暗反應(yīng)排管上生長并形成厭氧細(xì)菌生物膜。
[0031]在步驟SI中，從自然界中光照充裕、有機(jī)質(zhì)含量高的多處污泥中采取樣品，篩選、富集出含有光合細(xì)菌、厭氧細(xì)菌組成的混合產(chǎn)氫菌群，該混合產(chǎn)氫菌群均為能夠分解有機(jī)質(zhì)并產(chǎn)生氫氣的菌種。將得到的混合產(chǎn)氫菌群置于管路中分別進(jìn)行厭氧和光照條件循環(huán)連續(xù)培養(yǎng)，，光合細(xì)菌在光反應(yīng)排管上附著在固定化材料上生長完全后形成光合細(xì)菌生物膜；厭氧細(xì)菌在暗反應(yīng)排管上附著在固定化材料上，生長完全后形成厭氧細(xì)菌生物膜。
[0032]S2、將預(yù)處理后的產(chǎn)氫原材料首先通過附著厭氧細(xì)菌生物膜的暗反應(yīng)排管后形成發(fā)酵液，收集該管路中產(chǎn)生的氫氣。
[0033]在步驟S2中，所述產(chǎn)氫原材料包括秸桿生物質(zhì)原料或有機(jī)廢水，其中，所述秸桿生物質(zhì)原料的預(yù)處理為:將秸桿粉碎至粒度范圍為50~500nm，并且加水混合為固液比10~60g/L后，用纖維素酶酶結(jié)處理至稻桿生物質(zhì)原料的還原糖含量為650~1250mg/L ;所述有機(jī)廢水的預(yù)處理為:選擇或者用水調(diào)節(jié)有機(jī)廢水的透光率大于25%、COD含量為3000 ~8000mg/L。
[0034]在步驟S2中，產(chǎn)氫原材料在進(jìn)入暗反應(yīng)排管端的溫度為28~32°C、pH值為4.5~5.5，C\N 值為 10:1 ~20:1。
[0035]在產(chǎn)氫原材料通過暗反應(yīng)器排管時，厭氧細(xì)菌對產(chǎn)氫原材料進(jìn)行第一步分解，分解的程度通過控制產(chǎn)氫原材料在管路中滯留的時間進(jìn)行調(diào)節(jié)。分解過程中產(chǎn)生的氫氣通過排氣管進(jìn)行收集。
[0036]S3、將發(fā)酵液進(jìn)行調(diào)節(jié)后，在光照條件下通過光反應(yīng)排管光合細(xì)菌生物膜降解產(chǎn)氫后形成廢棄液，收集管路中產(chǎn)生的氫氣，產(chǎn)氫廢液集中處理后排放。
[0037]在步驟S3中，經(jīng)過暗反應(yīng)排管厭氧細(xì)菌處理后得到的發(fā)酵液主要成分為乙酸、丁酸等小分子的脂肪酸，此時，根據(jù)光合細(xì)菌的生物學(xué)特性，將發(fā)酵液進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)，具體為調(diào)節(jié)發(fā)酵液的溫度為28~32°C，pH值為6.5~7.5，C\N值為70:1~80:1。此外，光合細(xì)菌所需光照條件為通過光照強(qiáng)度為1000~4000Lux的黃色LED照明光纖提供。
[0038]在本發(fā)明實施例中，根據(jù)大量試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)暗反應(yīng)排管、光反應(yīng)排管總體積比為4:1時，產(chǎn)氫原材料經(jīng)過厭氧細(xì)菌和光合細(xì)菌處理后原料利用率最高，光反應(yīng)排管和暗反應(yīng)排管的管徑不同，留經(jīng)不同排管的料液流量、流速不同，實現(xiàn)產(chǎn)裝置的自攪拌；光反應(yīng)排管和暗反應(yīng)排管數(shù)量不同，實現(xiàn)料液在不同排管的多路循環(huán)流動，提高裝置的攪拌效果。
[0039]在本發(fā)明實施例中，由于光合、厭氧細(xì)菌的生長條件類似，直接從活性污泥中篩選出光合細(xì)菌、厭氧細(xì)菌組成的混合菌群進(jìn)行產(chǎn)氫，將不同營養(yǎng)類型和性能的光合細(xì)菌和厭氧細(xì)菌共存在一個系統(tǒng)中，構(gòu)建高效混合培養(yǎng)產(chǎn)氫體系，不僅提高原料轉(zhuǎn)化率和氫氣產(chǎn)率，簡化產(chǎn)氫過程，避免了聯(lián)合制氫存在的產(chǎn)氫發(fā)酵液處理等問題，相對于光合細(xì)菌、厭氧細(xì)菌分開進(jìn)行的聯(lián)合制氫而言，本發(fā)明具有更高的原料利用率，以及更好的可行性和更廣闊的發(fā)展前景。
[0040]如圖2和3所示，其中，圖2為本發(fā)明管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的裝置的正面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的裝置的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的裝置，包括暗反應(yīng)排管I,光反應(yīng)排管2，上罐體3，下罐體4，菌種罐5，料液罐6，炭氮調(diào)節(jié)罐7，酸度調(diào)節(jié)罐8，進(jìn)料泵9，循環(huán)泵10，恒流泵11以及光照管12，其中，所述菌種罐5的出液口設(shè)有閥門，所述菌種罐5、料液罐6與進(jìn)料泵9的進(jìn)液口連接，所述進(jìn)料泵9的出液口與下罐體4連接，所述循環(huán)泵10的攪拌葉片13設(shè)于下罐體4內(nèi)，所述下罐體4與暗反應(yīng)排管I的進(jìn)液端連接，所述暗反應(yīng)排管I的出液端與上罐體3連接，所述上罐體3頂部設(shè)有排氣管14，所述上罐體3與恒流泵11的出液端連接，所述恒流泵11的進(jìn)液端分別與炭氮調(diào)節(jié)罐7以及酸度調(diào)節(jié)罐8連接，所述上罐體3與光反應(yīng)排管2的進(jìn)液端連接，所述光反應(yīng)排管2上設(shè)有光照管12。
[0042]在本發(fā)明實施例的實際應(yīng)用過程中，菌種罐5用于儲藏含有光合細(xì)菌、厭氧細(xì)菌組成的混合菌群。料液罐6用于儲藏產(chǎn)氫原材料，產(chǎn)氫原材料包括秸桿生物質(zhì)原料或有機(jī)廢水，其中，產(chǎn)氫原材料在加入到料液罐6之前需要經(jīng)過預(yù)處理，秸桿生物質(zhì)原料的預(yù)處理為:將稻桿粉碎至粒度范圍為50~500nm,并且加水混合為固液比10~60g/L后,用纖維素酶酶結(jié)處理至秸桿生物質(zhì) 原料的還原糖含量為650~1250mg/L ;有機(jī)廢水的預(yù)處理為:選擇或者用水調(diào)節(jié)有機(jī)廢水的透光率大于25%、COD含量為3000~8000mg/L。炭氮調(diào)節(jié)罐7用于儲藏C源和N源，調(diào)節(jié)產(chǎn)氫原材料經(jīng)過厭氧細(xì)菌處理后產(chǎn)生的發(fā)酵液的C/N比值。酸度調(diào)節(jié)罐8用于儲藏弱酸，調(diào)節(jié)產(chǎn)氫原材料經(jīng)過厭氧細(xì)菌處理后產(chǎn)生的發(fā)酵pH值。
[0043]其中，進(jìn)料泵9啟動后，料液罐6中的產(chǎn)氫原材料以及菌種罐5中的光合細(xì)菌、厭氧細(xì)菌組成的混合菌群進(jìn)入到下罐體3中，循環(huán)泵10啟動，混合菌群和產(chǎn)氫原材料混合后分別進(jìn)入到暗反應(yīng)排管I以及光反應(yīng)排管2中，混合菌群中的厭氧細(xì)菌和光合細(xì)菌分別在暗反應(yīng)排管I以及光反應(yīng)排管2中生長、富集，在暗反應(yīng)排管I以及光反應(yīng)排管2附著生長厭氧細(xì)菌生物膜和光合細(xì)菌生物膜，當(dāng)排氣管14中的產(chǎn)氫量單位時間內(nèi)保持穩(wěn)定后，確定厭氧細(xì)菌生物膜和光合細(xì)菌生物膜生長完畢，此時，將菌種罐5出液口端的閥門關(guān)閉。料液罐6中的產(chǎn)氫原材料繼續(xù)由下罐體3進(jìn)入到暗反應(yīng)排管I并反應(yīng)形成發(fā)酵液流入到上罐體4中，通過控制恒流泵11工作使炭氮調(diào)節(jié)罐7，酸度調(diào)節(jié)罐8對上罐體4中的發(fā)酵液的pH值以及C\N值進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)光合細(xì)菌的生物學(xué)特性，在本發(fā)明中，發(fā)酵液調(diào)節(jié)pH值為4.5~
5.5，C\N值為10:1~20:1。經(jīng)過調(diào)節(jié)后的發(fā)酵液進(jìn)入到光反應(yīng)排管2中繼續(xù)被光合細(xì)菌分解產(chǎn)氫。在本發(fā)明實施例中，更具體的，光反應(yīng)排管2通過光照管照射為光合細(xì)菌提供光源，光照管為光照強(qiáng)度為1000~4000LUX的黃色LED照明光纖。發(fā)酵液經(jīng)過光反應(yīng)排管2后成為廢液，流入下罐體16,然后由排液管15排出。在暗反應(yīng)排管I和光反應(yīng)排管2的工作過程中產(chǎn)生的氫氣均進(jìn)入到上罐體4中并由排氣管14收集。[0044]在本發(fā)明實施例中，整體裝置能夠連續(xù)運(yùn)行，實現(xiàn)連續(xù)制氫。
[0045]在本發(fā)明實施例中，由于光合、厭氧細(xì)菌的生長條件類似，直接進(jìn)行產(chǎn)氫，將不同營養(yǎng)類型和性能的光合細(xì)菌和厭氧細(xì)菌共存在一個系統(tǒng)中，構(gòu)建高效混合培養(yǎng)產(chǎn)氫體系，能夠有效的簡化氫反應(yīng)器設(shè)計，避免反應(yīng)器設(shè)計復(fù)雜，調(diào)控困難等缺點(diǎn)。
[0046]此外，在本發(fā)明實施例中，利用混合菌群制氫，由于菌群之間存在著菌種的協(xié)調(diào)效應(yīng)，具有底物利用范圍廣，原料轉(zhuǎn)化率大，產(chǎn)氫穩(wěn)定等特點(diǎn)，更加適合規(guī)?；茪涞膶嶋H需要，有效的解決了目前利用純菌種實現(xiàn)規(guī)?；镏茪涿媾R產(chǎn)氫效率低，原料利用單一，菌種易污染等諸多困難。
[0047]在進(jìn)一步的實施過程中，為了保證產(chǎn)氫原材料能夠被完全充分的利用，在本發(fā)明實施例中，所述光反應(yīng)排管2為透光玻璃制成，所述光反應(yīng)排管2的數(shù)量為5根，且5根所述光反應(yīng)排管2并列設(shè)置，所述暗反應(yīng)排管I為有機(jī)玻璃制成，所述暗反應(yīng)排管I的數(shù)量為3根，外層涂黑色涂層，且3根所述暗反應(yīng)排管I并列設(shè)置；其中，3根所述暗反應(yīng)排管I的管內(nèi)總面積與5根光反應(yīng)排管2的管內(nèi)總體積之比為4:1。
[0048]所述暗反應(yīng)排管I和光反應(yīng)排管2均放置菌體固定化材料，所述固定化材料由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%海藻酸鈉、2%Cacl2組成，所述暗反應(yīng)排管I和光反應(yīng)排管3的管路兩端用網(wǎng)狀薄膜封口，防止固定化材料流失，將管路中的光合細(xì)菌和厭氧細(xì)菌固定，形成高密度生物膜。
[0049]在本發(fā)明實施例的實際應(yīng)用過程中，光反應(yīng)排管2的長度2m，管徑5cm，光反應(yīng)排管總體積16L，水利滯留時間HRT為32h。暗反應(yīng)排管I長度2m，管徑3cm，暗反應(yīng)器排管總體積4L，水利滯留時間HRT為8h。
[0050]光反應(yīng)排管2的光反應(yīng)區(qū)體積和暗反應(yīng)排管I的暗反應(yīng)區(qū)面積比為4:1，一方面是保證厭氧細(xì)菌產(chǎn)氫的最佳HRT為6~8h，光合細(xì)菌產(chǎn)氫的最佳HRT為30~36h，另外一方面是利用排管管徑的變化，料液流經(jīng)排管流速變化，加強(qiáng)料液的自攪拌作用，強(qiáng)化裝置流動性能，保證反應(yīng)充分進(jìn)行，提高反應(yīng)器制氫效率。
[0051]在進(jìn)一步的實施過程中，為了保證光反應(yīng)排管2中產(chǎn)生的氫氣不會從光反應(yīng)排管2的出液口端逃逸，以及保護(hù)光反應(yīng)排管2中的光反應(yīng)細(xì)菌生物膜不受外部細(xì)菌干擾，在本發(fā)明實施例中，所述光反應(yīng)排管2的出液端設(shè)有下罐體4上，所述下罐體4上設(shè)有排液口15，所述下罐體4內(nèi)設(shè)有將下罐體4內(nèi)部分為第一部分和第二部分的擋板16，所述光反應(yīng)排管2的出液端以及排液口 15位于第一部分，所述暗反應(yīng)排管I的進(jìn)液口以及進(jìn)料泵9的出液口位于下罐體的第二部分；所述循環(huán)泵10的攪拌葉片13分別設(shè)于下罐體4的第一部分和第二部分中。
[0052]在本發(fā)明實施例的實際應(yīng)用過程中，光反應(yīng)排管2的出液端的廢液不是直接從管道內(nèi)部往外部排放，而是進(jìn)入到下罐體4的第一部分后，再由排液口 15進(jìn)行排放，保證了反應(yīng)排管2中產(chǎn)生的氫氣不會從光反應(yīng)排管2的出液口端逃逸，以及保護(hù)光反應(yīng)排管2中的光反應(yīng)細(xì)菌生物膜不受外部細(xì)菌干擾。
[0053]在進(jìn)一步的實施過程中，為了更好的控制產(chǎn)氫原料的溫度，在本發(fā)明實施例中，所述光反應(yīng)排管2和暗反應(yīng)排管I上均纏繞電熱絲，所述電熱絲與溫度溫度調(diào)節(jié)裝置(圖中未示出)連接。
[0054]為了更便于觀察裝置運(yùn)行情況及產(chǎn)氫情況，在本發(fā)明實施例中，所述上罐體3上設(shè)有觀察窗(圖中未示出)，且所述上罐體3內(nèi)設(shè)有氣體流量、液體流量、溫度、pH檢測探頭，這些檢測探頭能夠隨時并把數(shù)據(jù)傳回電腦，方便工作人員進(jìn)行實時的數(shù)據(jù)顯示和監(jiān)控。
[0055]為了方便對排管進(jìn)行拆洗和清潔，在本發(fā)明實施例中，所述光反應(yīng)排管2與上罐體3以及下罐體4的連接處均采用可拆卸軟管連接；所述暗反應(yīng)排管I與上罐體3以及下罐體4的連接處均采用可拆卸軟管連接。
[0056]相比與現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0057](1)本發(fā)明的方法不僅提高原料轉(zhuǎn)化率和氫氣產(chǎn)率，簡化產(chǎn)氫過程，避免了聯(lián)合制氫存在的產(chǎn)氫發(fā)酵液處理等問題，相對于光合細(xì)菌、厭氧細(xì)菌分開進(jìn)行的聯(lián)合制氫而言，本發(fā)明具有更高的原料利用率，以及更好的可行性和更廣闊的發(fā)展前景。
[0058](2)本發(fā)明的裝置能夠直接進(jìn)行連續(xù)產(chǎn)氫，將不同營養(yǎng)類型和性能的光合細(xì)菌和厭氧細(xì)菌共存在一個系統(tǒng)中，構(gòu)建高效混合培養(yǎng)產(chǎn)氫體系，能夠有效的簡化氫反應(yīng)器設(shè)計，避免反應(yīng)器設(shè)計復(fù)雜，調(diào)控困難等缺點(diǎn)。
[0059](3)本發(fā)明的裝置能夠利用混合菌群制氫，由于菌群之間存在著菌種的協(xié)調(diào)效應(yīng)，具有底物利用范圍廣，原料轉(zhuǎn)化率大，產(chǎn)氫穩(wěn)定等特點(diǎn)，更加適合規(guī)?；茪涞膶嶋H需要，有效的解決了目前利用純菌種實現(xiàn)規(guī)?；镏茪涿媾R產(chǎn)氫效率低，原料利用單一，菌種易污染等諸多困難。
[0060]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的方法，其特征在于包括以下步驟: (1)將光合細(xì)菌、厭氧細(xì)菌混合菌群在光反應(yīng)排管和暗反應(yīng)排管上循環(huán)連續(xù)培養(yǎng)，光合細(xì)菌在光發(fā)反應(yīng)排管上生長并形成光合細(xì)菌生物膜；厭氧細(xì)菌在暗反應(yīng)排管上生長并形成厭氧細(xì)菌生物膜； (2)將預(yù)處理后的產(chǎn)氫原材料在首先通過附著厭氧細(xì)菌生物膜的暗反應(yīng)排管后形成發(fā)酵液，收集該管路中產(chǎn)生的氫氣； (3)將發(fā)酵液進(jìn)行調(diào)節(jié)后，在光照條件下通過附著光合細(xì)菌生物膜的光反應(yīng)排管后形成廢棄液，收集該管路中產(chǎn)生的氫氣。
2.如權(quán)利要求1所述的管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的方法，其特征在于，在步驟(O中，所述光反應(yīng)排管和暗反應(yīng)排管總體積比為4:1。
3.如權(quán)利要求2所述的管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的方法，其特征在于，在步驟(2)中，所述產(chǎn)氫原材料包括秸桿生物質(zhì)原料或有機(jī)廢水，其中，所述秸桿生物質(zhì)原料的預(yù)處理為:將秸桿粉碎至粒度范圍為50~500nm，并且加水混合為固液比10~60g/L后，用纖維素酶酶結(jié)處理至秸桿生物質(zhì)原料的還原糖含量為650~1250mg/L ； 所述有機(jī)廢水的預(yù)處理為:選擇或者用水調(diào)節(jié)有機(jī)廢水的透光率大于25%、COD含量為3000 ~8000mg/L ； 所述產(chǎn)氫原材料在進(jìn)入到附著厭氧細(xì)菌生物膜的暗反應(yīng)排管的溫度為28~32、pH值為 4.5 ~5.5，C\N 值為 10:1 ~20:1。
4.如權(quán)利要求2所述的管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的方法，其特征在于，在步驟(2)中，在步驟(3)中，所述發(fā)酵液進(jìn)行調(diào)節(jié)為:調(diào)節(jié)所述發(fā)酵液的溫度為28~32°C，pH值為 6.5 ~7.5，C\N 值為 70:1 ~80:1。
5.如權(quán)利要求4所述的管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的方法，其特征在于，在步驟(3)中，所述光照條件為用黃色LED照明光纖提供光照，光照強(qiáng)度為1000~4000LUX。
6.一種管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的裝置，其特征在于，包括暗反應(yīng)排管，光反應(yīng)排管，上罐體，下罐體，菌種罐，料液罐，炭氮調(diào)節(jié)罐，酸度調(diào)節(jié)罐，進(jìn)料泵，循環(huán)泵，恒流泵，以及光照管，其中，所述菌種罐的出液口設(shè)有閥門，所述菌種罐、料液罐與進(jìn)料泵的進(jìn)液口連接，所述進(jìn)料泵的出液口與下罐體連接，所述循環(huán)泵的攪拌葉片設(shè)于下罐體內(nèi)，所述下罐體與暗反應(yīng)排管的進(jìn)液端連接，所述暗反應(yīng)排管的出液端與上罐體連接，所述上罐體頂部設(shè)有排氣管，所述上罐體與恒流泵的出液端連接，所述恒流泵的進(jìn)液端分別與炭氮調(diào)節(jié)罐以及酸度調(diào)節(jié)罐連接，所述上罐體與光反應(yīng)排管的進(jìn)液端連接，所述光反應(yīng)排管上設(shè)有光照管。
7.如權(quán)利要求6所述的管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的裝置，其特征在于，所述光反應(yīng)排管為透光玻璃制成，所述光反應(yīng)排管的數(shù)量為5根，且5根所述光反應(yīng)排管并列設(shè)置，所述暗反應(yīng)排管為有機(jī)玻璃制成，所述暗反應(yīng)排管的數(shù)量為3根，外層涂黑色涂層，且3根所述暗反應(yīng)排管并列設(shè)置；其中，3根所述暗反應(yīng)排管的管內(nèi)總面積與5根光反應(yīng)排管的管內(nèi)總體積之比為4:1。
8.如權(quán)利要求7所述的管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的裝置，其特征在于，所述光照管為光照強(qiáng)度為1000~4000Lux的黃色LED照明光纖； 所述暗反應(yīng)排管和光反 應(yīng)排管均放置菌體固定化材料，所述固定化材料由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%海藻酸鈉、2%Cacl2組成，所述暗反應(yīng)排管和光反應(yīng)排管的管路兩端用網(wǎng)狀薄膜封口。
9.如權(quán)利要求8所述的管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的裝置，其特征在于，所述光反應(yīng)排管的出液端設(shè)有下罐體上，所述下罐體上設(shè)有排液口，所述下罐體內(nèi)設(shè)有將下罐體內(nèi)部分為第一部分和第二部分的擋板，所述光反應(yīng)排管的出液端以及排液口位于第一部分；所述暗反應(yīng)排管的進(jìn)液口以及進(jìn)料泵的出液口位于下罐體的第二部分；所述循環(huán)泵的攪拌葉片分別設(shè)于下罐體的第一部分和第二部分中。
10.如權(quán)利要求9所述的管式多路循環(huán)明暗交替生物制氫的裝置，其特征在于，所述光反應(yīng)排管和暗反應(yīng)排管上均纏繞電熱絲，所述電熱絲與溫度溫度調(diào)節(jié)裝置連接； 所述上罐體上設(shè)有觀察窗,且所述上罐體內(nèi)設(shè)有氣體流量、液體流量、溫度、pH檢測探頭; 所述光反應(yīng)排管與上罐體以及下罐體的連接處均采用可拆卸軟管連接； 所述暗反應(yīng)排管與上罐體以及下罐體的連接處均采用可拆卸軟管連接。
【文檔編號】C12M1/34GK103923946SQ201410143957
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】王毅, 張全國, 張川, 荊艷艷, 張志萍, 楊占鋒, 劉擁鑫 申請人:河南農(nóng)業(yè)大學(xué)