[发明专利]一种基于污泥发酵制氢供氢燃料电池的装置及方法

说明书

一种基于固定化细胞进行污泥发酵制氢耦合氢燃料电池的装置及方法，该装置包括配置模块、污泥厌氧发酵模块、水洗模块、碱洗模块和吸附模块；其中，配置模块用于将所述梭菌Clostridium P21与吸附填料结合形成固定化细胞颗粒；污泥厌氧发酵模块用于利用梭菌Clostridium P21，其通过底物和辅料的液体培养基发酵并设置pH值恒定为大于7以及发酵温度为大于40℃，产出含有氢气的混合气，并在将发酵残渣定时定量间断地输出时，将吸附有梭菌Clostridium P21的固定化细胞颗粒留在发酵罐中；其中，混合气仅含有98％纯度以上的氢气、二氧化碳和酸性气体，底物包括活性污泥，辅料包括磷酸盐复合液。因此，本在发酵系统中添加填料以固定发酵细胞，从而增加系统菌种利用的效率，进而增加氢气的产量和发电的效率。

技术领域

本发明涉及生物发酵制氢技术领域，尤其涉及一种基于污泥发酵制氢供电燃料电池的装置及方法。

背景技术

氢能目前可以作为燃料电池的原料用于氢燃料电池驱动的汽车上，也可以添加在现有的天然气管道进入千家万户作为燃料使用，氢能有着广阔的应用前景。

氢能及氢燃料电池技术有望大规模应用在汽车、便携式发电和固定发电站等领域，也是航空航天飞行器、船舶推进系统的重要技术备选方案，但也面临生产成本(电解质和催化剂等基础材料)、结构紧凑性、耐久性及寿命等因素的挑战。并且，氢燃料电池对所用的氢气纯度有极高的要求，PPM级别的一氧化碳和二氧化硫等杂质就可能导致氢燃料电池催化剂中毒，使之寿命大大减少，甚至直接就损坏燃料电池核心模块。

因此，业界尝试探索用生物制氢来制作氢燃料电池的研究，生物制氢通过微生物发酵分解各种有机物而产生氢，有机物的来源十分广泛，包括糖类、秸秆、变质粮食、城市和工厂排放的有机废物(活性污泥)和废水等。

活性污泥是污水处理过程中产生的固态、半固态有机废弃物，污泥主要成分无机盐、有机质、营养物质、微生物、重金属和水分等。目前，污泥无机盐、重金属和水分的处理方式主要包括卫生填埋、土地利用、焚烧及制备建筑材料等。据统计，污泥的处理费用可占到污水处理总费用的50％，污泥的处理处置不仅能耗高，而且，随着处理水量增加其排放量也越来越大。

本领域技术人员清楚，污泥中含有大量的可生物降解的有机质如蛋白质和碳水化合物，这些有机质经处理可转化为生物燃料(甲烷和氢气等)和生物化学品(乙酸和乙醇等)来同步实现污泥处理和资源回收两种功效。利用微生物分解有机物制氢具有无可比拟的优越性。

污泥发酵可以采取半连续的发酵罐系统，即每隔一段时间需要从发酵罐移走部分已处理过的污泥残液，并同时添加一定量的新污泥以保持总的发酵体积不变。然而，在上述工艺过程中，一个严重的问题是微生物发酵菌种是混和在污泥发酵液中的，随着污泥残液的移出。例如，在生物处理废水的工艺中，微生物发酵菌种通常是在液体中以悬浮态存在，微生物发酵菌种容易随着连续或半连续系统的下料过程从发酵罐中流失。这些微生物发酵菌种的流失，不仅造成浪费，导致发酵产氢以及燃料电池发电效率的下降，也导致了后续后处理过程中微生物发酵菌种和发酵液分离的问题，增加了生物发酵产氢系统的运营成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于固定化细胞进行污泥发酵制氢耦合氢燃料电池的装置及方法，其可以在高温及高碱性条件下发酵活性污泥以生产纯度超过98％氢气，该高纯度的氢气经处理后给氢燃料电池供电，且在发酵过程中，使用固定化细胞技术，使得发酵所用的梭菌Clostridium P21在间歇式放料的过程中不随污泥残液离开，而保持在发酵罐中，从而增加了系统发酵产氢和燃料电池发电的效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于固定化细胞进行污泥发酵制氢耦合氢燃料电池的装置，所述活性污泥包括有机质、营养物质、微生物和水分；其包括：