本發(fā)明涉及生物制氫技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種綜合利用秸稈和淤泥制備氫氣的方法。
背景技術(shù)：
我國(guó)每年產(chǎn)生大量的植物質(zhì)及其廢棄物，其中農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量就在6億噸以上，約折合3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，這是一個(gè)巨大的能源儲(chǔ)備。每年農(nóng)村在收獲季節(jié)都大量焚燒秸稈，既浪費(fèi)了寶貴而有限的資源，又嚴(yán)重污染了環(huán)境。加強(qiáng)廢棄資源回收利用和環(huán)境保護(hù)，有利于促進(jìn)生態(tài)平衡，也是我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要。因此，對(duì)植物質(zhì)廢棄物的資源化利用技術(shù)的開發(fā)具有十分重要的意義。
氫氣作為一種重要的化工原料，在石油化工、電子工業(yè)和中小電廠等許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。氫氣也是一種重要的清潔能源，在航空航天工業(yè)中是一種重要的燃料。氫氣是能實(shí)現(xiàn)污染零排放的清潔能源，因此在未來的電動(dòng)汽車、公共交通工具和氫能發(fā)電中將具有重要的用途。氫氣的燃燒值高，是汽油的3倍，酒精的3.9倍；清潔無污染，燃燒過程中只產(chǎn)生水，不產(chǎn)生溫室氣體二氧化碳和其它對(duì)人體有害的物質(zhì)。
現(xiàn)有技術(shù)中，氫氣的制備包括物理化學(xué)方法和生物技術(shù)方法兩大類。物理化學(xué)方法制備氫氣技術(shù)成熟，是現(xiàn)行主要的氫氣制備方法，但其能耗高，成本昂貴。與物理化學(xué)方法相比，生物方法制取氫氣具有高效、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)等諸多優(yōu)點(diǎn)而倍受世界各國(guó)和眾多國(guó)際組織的高度重視。
中國(guó)發(fā)明專利cn200410065683.5公開了一種高效利用植物質(zhì)廢棄物制備氫氣的方法，該方法利用瘤胃微生物對(duì)植物質(zhì)廢棄物進(jìn)行降解，雖然成本低，效果好，但是耗時(shí)過長(zhǎng)，為了縮短反應(yīng)時(shí)間，有必要對(duì)其做進(jìn)一步研究。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
基于背景技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種綜合利用秸稈和淤泥制備氫氣的方法。
一種綜合利用秸稈和淤泥制備氫氣的方法，具體步驟如下：
a、破碎植物質(zhì)：將農(nóng)作物秸稈粉碎，得到秸稈顆粒，將秸稈顆粒與淤泥以質(zhì)量比1：（2-5）的比例進(jìn)行混合，得到底物；
b、馴化瘤胃微生物：從反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)取出瘤胃微生物接種到發(fā)酵罐中進(jìn)行馴化，接種量為發(fā)酵罐反應(yīng)體積的6-10％，該發(fā)酵罐中盛有秸稈顆粒和礦物質(zhì)緩沖液，并加入暗細(xì)菌和纖維素酶；
c、啟動(dòng)厭氧消化反應(yīng)器：將馴化后的瘤胃微生物接種到厭氧消化反應(yīng)器，通入5-10倍于反應(yīng)器體積的惰性氣體去除殘余的氧氣，維持反應(yīng)區(qū)溫度50-60℃，ph為5.0-5.5，攪拌速率為180-200轉(zhuǎn)/分鐘，底物經(jīng)佩芬緩沖液稀釋后的濃度為100-120g/l；當(dāng)反應(yīng)區(qū)內(nèi)微生物濃度達(dá)到2.0g/l以上并保持穩(wěn)定運(yùn)行2周，則厭氧消化反應(yīng)器啟動(dòng)完成；
d、植物質(zhì)的水解酸化并收集含氫氣氣體：達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的厭氧消化反應(yīng)器，根據(jù)底物添加速率的不同相應(yīng)調(diào)整緩沖液稀釋的秸稈濃度，底物的添加速率變動(dòng)范圍為80-120g/l/d，水力停留時(shí)間為6-10小時(shí)，底物停留時(shí)間為16-24小時(shí)，攪拌速率維持在150-200轉(zhuǎn)/分鐘，反應(yīng)區(qū)ph范圍為5.0-5.5；收集產(chǎn)生的含氫氣氣體，該氣體中氫氣含量達(dá)到10-30％，經(jīng)過簡(jiǎn)單純化處理得到純氫氣。
優(yōu)選的，所述的步驟a中，所述的秸稈顆粒的粒徑為1-3mm。
優(yōu)選的，所述的瘤胃微生物馴化的條件是：秸稈添加速率為20-40g/l/d，水力停留時(shí)間8-12小時(shí)，ph為5.0-5.5，溫度為45-50℃，攪拌速率120-150轉(zhuǎn)/分鐘，秸稈在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間8-12小時(shí)。
優(yōu)選的，所述的步驟b中，暗細(xì)菌的接種量為3-5%，纖維素酶的加入量為秸稈質(zhì)量的0.002-0.005%。
優(yōu)選的，所述的步驟d中處理結(jié)束后的底物為富含有機(jī)質(zhì)的淤泥，非常有利于植物的吸收，可以用于植物肥料。
本方案相比于傳統(tǒng)方案的有益之處在于：本發(fā)明在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，將秸稈和污泥按照1：（2-5）的比例進(jìn)行混合，然后在馴化瘤胃微生物階段不但使用了瘤胃微生物，同時(shí)還加入了暗細(xì)菌和纖維素酶，加快秸稈的降解速度，從而加快了整個(gè)反應(yīng)過程中秸稈的添加速度和處理速度，加快了制取氫氣的效率，尤其是降解效率達(dá)到85％以上，制取結(jié)束以后，污泥富含植物可吸收的有機(jī)質(zhì)，可以作為良好的肥料。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1：
一種綜合利用秸稈和淤泥制備氫氣的方法，具體步驟如下：
a、破碎植物質(zhì)：將農(nóng)作物秸稈粉碎，得到秸稈顆粒；所述的步驟a中，所述的秸稈顆粒的粒徑為1-3mm；
b、馴化瘤胃微生物：從反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)取出瘤胃微生物接種到發(fā)酵罐中進(jìn)行馴化，接種量為發(fā)酵罐反應(yīng)體積的6-10％，該發(fā)酵罐中盛有秸稈顆粒和礦物質(zhì)緩沖液，并加入暗細(xì)菌和纖維素酶；暗細(xì)菌的接種量為3-5%，纖維素酶的加入量為秸稈質(zhì)量的0.002-0.005%；
所述的瘤胃微生物馴化的條件是：秸稈添加速率為20-40g/l/d，水力停留時(shí)間8-12小時(shí)，ph為5.0-5.5，溫度為45-50℃，攪拌速率120-150轉(zhuǎn)/分鐘，秸稈在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間8-12小時(shí)；
c、啟動(dòng)厭氧消化反應(yīng)器：將馴化后的瘤胃微生物接種到厭氧消化反應(yīng)器，通入5-10倍于反應(yīng)器體積的惰性氣體去除殘余的氧氣，維持反應(yīng)區(qū)溫度50-60℃，ph為5.0-5.5，攪拌速率為180-200轉(zhuǎn)/分鐘，底物經(jīng)佩芬緩沖液稀釋后的濃度為100-120g/l；當(dāng)反應(yīng)區(qū)內(nèi)微生物濃度達(dá)到2.0g/l以上并保持穩(wěn)定運(yùn)行2周，則厭氧消化反應(yīng)器啟動(dòng)完成；
d、植物質(zhì)的水解酸化并收集含氫氣氣體：達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的厭氧消化反應(yīng)器，根據(jù)底物添加速率的不同相應(yīng)調(diào)整緩沖液稀釋的底物濃度，底物的添加速率變動(dòng)范圍為80-120g/l/d，水力停留時(shí)間為6-10小時(shí)，底物停留時(shí)間為8-12小時(shí)，攪拌速率維持在150-200轉(zhuǎn)/分鐘，反應(yīng)區(qū)ph范圍為5.0-5.5；收集產(chǎn)生的含氫氣氣體，該氣體中氫氣含量達(dá)到10-30％，經(jīng)過簡(jiǎn)單純化處理得到純氫氣。
步驟d中處理結(jié)束后的底物可以用于植物肥料。
實(shí)施例2
一種綜合利用秸稈和淤泥制備氫氣的方法，具體步驟如下：
a、破碎植物質(zhì)：將農(nóng)作物秸稈粉碎，得到秸稈顆粒；所述的步驟a中，所述的秸稈顆粒的粒徑為1-3mm；
b、馴化瘤胃微生物：從反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)取出瘤胃微生物接種到發(fā)酵罐中進(jìn)行馴化，接種量為發(fā)酵罐反應(yīng)體積的6-10％，該發(fā)酵罐中盛有秸稈顆粒和礦物質(zhì)緩沖液，并加入暗細(xì)菌和纖維素酶；暗細(xì)菌的接種量為3-5%，纖維素酶的加入量為秸稈質(zhì)量的0.002-0.005%；
所述的瘤胃微生物馴化的條件是：秸稈添加速率為20-40g/l/d，水力停留時(shí)間8-12小時(shí)，ph為5.0-5.5，溫度為45-50℃，攪拌速率120-150轉(zhuǎn)/分鐘，秸稈在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間8-12小時(shí)；
c、啟動(dòng)厭氧消化反應(yīng)器：將馴化后的瘤胃微生物接種到厭氧消化反應(yīng)器，通入5-10倍于反應(yīng)器體積的惰性氣體去除殘余的氧氣，維持反應(yīng)區(qū)溫度50-60℃，ph為5.0-5.5，攪拌速率為180-200轉(zhuǎn)/分鐘，底物經(jīng)佩芬緩沖液稀釋后的濃度為100-120g/l；當(dāng)反應(yīng)區(qū)內(nèi)微生物濃度達(dá)到2.0g/l以上并保持穩(wěn)定運(yùn)行2周，則厭氧消化反應(yīng)器啟動(dòng)完成；
d、植物質(zhì)的水解酸化并收集含氫氣氣體：達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的厭氧消化反應(yīng)器，根據(jù)底物添加速率的不同相應(yīng)調(diào)整緩沖液稀釋的底物濃度，底物的添加速率變動(dòng)范圍為80-120g/l/d，水力停留時(shí)間為6-10小時(shí)，底物停留時(shí)間為8-12小時(shí)，攪拌速率維持在150-200轉(zhuǎn)/分鐘，反應(yīng)區(qū)ph范圍為5.0-5.5；收集產(chǎn)生的含氫氣氣體，該氣體中氫氣含量達(dá)到10-30％，經(jīng)過簡(jiǎn)單純化處理得到純氫氣。
步驟d中處理結(jié)束后的底物可以用于植物肥料。
實(shí)施例3
一種綜合利用底物和淤泥制備氫氣的方法，具體步驟如下：
a、破碎植物質(zhì)：將農(nóng)作物底物粉碎，得到秸稈顆粒；所述的步驟a中，所述的秸稈顆粒的粒徑為1-3mm；
b、馴化瘤胃微生物：從反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)取出瘤胃微生物接種到發(fā)酵罐中進(jìn)行馴化，接種量為發(fā)酵罐反應(yīng)體積的6-10％，該發(fā)酵罐中盛有秸稈顆粒和礦物質(zhì)緩沖液，并加入暗細(xì)菌和纖維素酶；暗細(xì)菌的接種量為3-5%，纖維素酶的加入量為秸稈質(zhì)量的0.002-0.005%；
所述的瘤胃微生物馴化的條件是：秸稈添加速率為20-40g/l/d，水力停留時(shí)間8-12小時(shí)，ph為5.0-5.5，溫度為45-50℃，攪拌速率120-150轉(zhuǎn)/分鐘，秸稈在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間8-12小時(shí)；
c、啟動(dòng)厭氧消化反應(yīng)器：將馴化后的瘤胃微生物接種到厭氧消化反應(yīng)器，通入5-10倍于反應(yīng)器體積的惰性氣體去除殘余的氧氣，維持反應(yīng)區(qū)溫度50-60℃，ph為5.0-5.5，攪拌速率為180-200轉(zhuǎn)/分鐘，底物經(jīng)佩芬緩沖液稀釋后的濃度為100-120g/l；當(dāng)反應(yīng)區(qū)內(nèi)微生物濃度達(dá)到2.0g/l以上并保持穩(wěn)定運(yùn)行2周，則厭氧消化反應(yīng)器啟動(dòng)完成；
d、植物質(zhì)的水解酸化并收集含氫氣氣體：達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的厭氧消化反應(yīng)器，根據(jù)底物添加速率的不同相應(yīng)調(diào)整緩沖液稀釋的底物濃度，底物的添加速率變動(dòng)范圍為80-120g/l/d，水力停留時(shí)間為6-10小時(shí)，底物停留時(shí)間為8-12小時(shí)，攪拌速率維持在150-200轉(zhuǎn)/分鐘，反應(yīng)區(qū)ph范圍為5.0-5.5；收集產(chǎn)生的含氫氣氣體，該氣體中氫氣含量達(dá)到10-30％，經(jīng)過簡(jiǎn)單純化處理得到純氫氣。
步驟d中處理結(jié)束后的底物可以用于植物肥料。
對(duì)比實(shí)施例1
將實(shí)施例1中的淤泥去除，其余制備條件不變。
實(shí)施例1-3的方法，達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)反應(yīng)區(qū)微生物濃度達(dá)到8-15g/l。氫氣產(chǎn)生效率達(dá)到120-140ml/g降解秸稈，產(chǎn)酸效率達(dá)到0.5-0.6g有機(jī)酸/g秸稈，降解效率達(dá)到85.5-87.2％，該方法比對(duì)比實(shí)施例1的方法，降解效率提高了3-5%，可能是由于淤泥中含有甲烷菌等其他微生物，這些微生物可以與其它微生物共同作用，提升秸稈的降解效率。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。