[发明专利]一种有机废弃物联产氢气和电的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于有机废弃物处理和清洁能源开发领域，具体涉及一种有机废弃物联产氢气和电的方法及其装置。

技术背景

石化燃料的过渡开发和利用造成全球气候变暖、酸雨和生态环境破坏和退化已经是不争的事实，而且石化燃料也正面临耗竭的处境，因此基于环境和能源考虑，人类迫切需要一种没有污染的可再生能源。氢能是一种理想的清洁可再生替代燃料，它燃烧后只生成水，没有其它温室气体，可以通过燃料电池直接高效地转化为电能。结合环境问题来考虑，利用各种有机废弃物(有机废水和固体有机废弃物)进行生物制氢是近几年的一大研究热点，并被认为是最有可能率先实现商业化应用生物制氢技术。与光合发酵制氢相比，暗发酵制氢具有以下几个方面的优越性：(1)具有较高的产氢速率，为光合产氢速率的100倍；(2)不需要光源，对原料的透明度没有要求；(3)可以实现昼夜持续稳定产氢，且反应器设计、操作及运行管理简便。

然而，生化机理决定了有机废弃物厌氧发酵制氢的能源回收效率和有机质利用率较低，因为有机质厌氧发酵产氢的同时，伴随乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等有机酸副产物的生成，且上述副产物在同样条件下不能进一步转化为氢气，而是积累在有机废水中，一方面不能完全回收蕴藏在有机质中的能量，且有机酸的积累会对厌氧发酵产氢造成反馈抑制，另外，有机酸的存在会形成二次污染，无法实现有机废弃物的深度处理。

中国专利200910011663.2公开了一种利用生物燃料电池反应器产氢并发电转换的方法，但是其方法产氢或发电在同一个生物燃料电池反应器中进行，产氢、发电不能同时进行，两者只能二选其一。并需要通过通过质子形成微生物或酶、微量电源的加载、进料参数和pH的控制来实现体系产氢和发电的转换。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种有机废弃物联产氢气和电的方法及其装置，提高有机废弃物的能源回收率，并实现有机废弃物的深度处理。

本发明中有机废弃物联产氢气和电的方法，包括以下步骤：

(1)菌种准备和原料预处理：从来自于沼气池、池塘、污水处理厂的厌氧活性污泥中筛选富集得到本发明方法中所需要的厌氧发酵产氢菌和厌氧产电菌；对有机废弃物进行除杂、破碎；

(2)厌氧发酵产氢：将预处理后的原料与厌氧发酵产氢菌混合后放置于厌氧产氢反应器内，控制反应器pH为4.5～6.5，水力停留时间为12～72小时，在厌氧条件下，有机废弃物在厌氧发酵产氢菌的代谢作用下生成有机酸、H₂和CO₂，H₂和CO₂混合气经气体分离后获得较纯氢，含有机酸的废水或渗滤液从厌氧产氢反应器中排出；

(3)微生物燃料电池产电：从厌氧产氢反应器中排出的含有机酸的废水或渗滤液与厌氧产电菌混合后通入微生物燃料电池的阳极室内，在厌氧条件下，有机酸在厌氧产电菌的代谢作用下形成CO₂、质子和电子，质子穿过质子交换膜进入微生物燃料电池的阴极室，电子经阳极电极、外电路和负载传递到阴极室的阴极电极上，质子、电子以及外界的O₂在阴极电极的催化作用下生成水，至此形成回路，产生持续电流，从而实现有机酸产电；

(4)清水回用或排放：有机酸消耗殆尽的清水从微生物燃料电池的阳极室排出，其中一部分作为工艺用水返回至原料预处理或厌氧发酵产氢工段，其余清水向外排放或进行达标处理。

所述的有机废弃物包括有机废水和固体有机废弃物，有机废水优选为含糖类、淀粉类有机废水，固体有机废弃物优选为含糖类、淀粉类和纤维素类固体有机废弃物。

本发明的创新之处在于，将厌氧发酵产氢工艺和微生物燃料电池产电工艺结合，实现有机废弃物更为彻底的能源化利用。本发明能够同时提供氢能和电能，无需改变系统条件。产氢和产电能够顺序同时进行，但分别在两个反应器中进行，由厌氧发酵产氢菌催化产氢，厌氧产电菌催化产电。从原料利用的角度来讲，是对原料进行梯级利用，原料首先在厌氧产氢反应器中被厌氧发酵产氢菌催化产氢，并伴随有机酸生成，含有机酸的废水随后进入微生物燃料电池，有机酸在厌氧产电菌的催化作用下产电。本发明的另一个优势还在于，当处理固体有机废弃物时，无需酵母源微生物参与的液化步骤。

本发明还提出了实现上述方法的装置，其结构为：包括依次连通的进料装置、厌氧产氢反应器和微生物燃料电池，厌氧产氢反应器的出水口与微生物燃料电池阳极室的进水口连通。