公布日：2022.04.12
申請日：2021.12.30
分類號：C12N1/20(2006.01)I;C12P3/00(2006.01)I;C12M1/107(2006.01)I;C12M1/00(2006.01)I;C12M1/02(2006.01)I;C12M1/38(2006.01)I;C12M1/36(2006.01)I;H01M8/
0612(2016.01)I;C02F11/04(2006.01)I;C12R1/145(2006.01)N
摘要
一種基于污泥發(fā)酵制氫供氫燃料電池發(fā)電的裝置及方法，該裝置包括污泥厭氧發(fā)酵模塊、水洗模塊、堿洗模塊和吸附模塊；其中，污泥厭氧發(fā)酵模塊用于利用梭菌ClostridiumP21，通過底物和輔料的液體培養(yǎng)基發(fā)酵并設置pH值恒定為大于7以及發(fā)酵溫度為大于40℃，產(chǎn)出含有氫氣的混合氣，其中，所述混合氣僅含有98％純度以上的氫氣、二氧化碳和酸性氣體；所述梭菌ClostridiumP21為桿狀嗜堿性梭菌；其中，所述底物包括所述活性污泥；所述輔料包括磷酸鹽復合液。因此，本發(fā)明可以在高溫及高堿性條件下發(fā)酵活性污泥以生產(chǎn)純度超過98％氫氣，且該高純度的氫氣經(jīng)處理后給氫電燃料電池供電。
權利要求書
1.一種基于活性污泥發(fā)酵制氫供氫燃料電池的裝置，所述活性污泥包括有機質、營養(yǎng)物質、微生物和水分；其特征在于，包括：污泥厭氧發(fā)酵模塊，用于利用梭菌ClostridiumP21，通過底物和輔料的液體培養(yǎng)基發(fā)酵并設置pH值恒定為大于7以及發(fā)酵溫度為大于40℃，產(chǎn)出含有氫氣的混合氣，其中，所述混合氣僅含有98％純度以上的氫氣、二氧化碳和酸性氣體；所述梭菌ClostridiumP21為桿狀嗜堿性梭菌；其中，所述底物包括所述活性污泥；所述輔料包括磷酸鹽復合液；水洗模塊，接收所述混合氣，并洗去所述混合氣中的懸浮顆粒；堿洗模塊，用于通過中和去除所述混合氣中的二氧化碳和酸性氣體；吸附模塊，其通過活性炭吸附，去除所述混合氣中的異味，并輸出所述混合氣給氫燃料電池模塊供電。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于活性污泥發(fā)酵制氫供氫燃料電池的裝置，其特征在于，所述污泥厭氧發(fā)酵模塊包括：發(fā)酵罐；上料模塊，位于所述發(fā)酵罐的上端，用于定時定量間斷地將包括底物和輔料的液體培養(yǎng)基以及所述梭菌ClostridiumP21母液放入所述發(fā)酵罐；其中，所述底物為用于發(fā)酵產(chǎn)氫的所述活性污泥中所包括的碳水化合物、蛋白質、脂肪、糖、油脂、酸和/或有機酸類物質，所述輔料還包括所述活性污泥中所包括的營養(yǎng)物質；所述營養(yǎng)物質為氮鹽、磷鹽和/或鉀鹽；去氧模塊，用于將惰性氣體或二氧化碳氣體從發(fā)酵罐底部吹掃所述液體培養(yǎng)基以去除所述液體培養(yǎng)基中殘存的氧氣；溫度控制模塊，用于將所述液體培養(yǎng)基放入具有攪拌器的發(fā)酵罐中，設置發(fā)酵溫度為50℃-80℃之間的一個溫度；PH值控制模塊，用于通過酸溶液和堿性溶液控制所述發(fā)酵罐在發(fā)酵周期內的pH值恒定為8-12中的一個值；殘料輸出模塊，位于所述發(fā)酵罐的下部，用于將發(fā)酵殘渣定時定量間斷地從下料口輸出。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于活性污泥發(fā)酵制氫供氫燃料電池的裝置，其特征在于，還包括預處理模塊，用于在上料前去除所述活性污泥中的重金屬和/或無機鹽；其中，所述無機鹽為硅氧化物、鐵氧化物、鋁氧化物、鈣氧化物和/或鹽。
4.一種基于活性污泥發(fā)酵制氫供氫燃料電池的方法，采用權利要求1-3任意一個所述的裝置，其特征在于，包括如下步驟：步驟S1：定時定量間斷地將包括底物和輔料的液體培養(yǎng)基以及所述梭菌ClostridiumP21母液放入所述發(fā)酵罐；利用梭菌ClostridiumP21，通過活性污泥發(fā)酵并設置pH值恒定為大于7以及發(fā)酵溫度為大于40℃，產(chǎn)出含有氫氣的混合氣，且定時定量間斷地將發(fā)酵殘渣從下料口輸出；其中，所述混合氣僅含有98％純度以上的氫氣、二氧化碳和酸性氣體；所述梭菌ClostridiumP21為桿狀嗜堿性梭菌；所述底物為用于發(fā)酵產(chǎn)氫的所述活性污泥中所包括的碳水化合物、蛋白質、脂肪、糖、油脂、酸和/或有機酸類物質，所述輔料包括磷酸鹽復合液和所述活性污泥中所包括的營養(yǎng)物質；所述營養(yǎng)物質為氮鹽、磷鹽和/或鉀鹽；步驟S2：接收所述混合氣，并洗去所述混合氣中的懸浮顆粒；步驟S3：通過中和去除所述混合氣中的二氧化碳和酸性氣體；步驟S4：通過活性炭吸附，去除所述混合氣中的異味，并輸出所述混合氣給氫燃料電池模塊供電。
5.根據(jù)權利要求4所述的活性污泥發(fā)酵制氫供電燃料電池的方法，其特征在于，所述活性污泥還包括重金屬和/或無機鹽，在執(zhí)行步驟S1之前，還包括步驟S0用于去除重金屬和/或無機鹽；其中，所述無機鹽為硅氧化物、鐵氧化物、鋁氧化物、鈣氧化物和/或鹽。
6.根據(jù)權利要求4所述的活性污泥發(fā)酵制氫供電燃料電池的方法，其特征在于，在步驟S1中：配置每升所述液體培養(yǎng)基包括50克的所述底料；配置每升所述液體培養(yǎng)基的所述磷酸鹽復合液包含：1.4g磷酸二氫鉀，1.1g磷酸氫二鉀，2g硫酸銨，0.5g硫酸鎂，10g酵母抽提物，10g嗎啉乙磺酸，40mg氨三乙酸，20mg一水硫酸錳，16mg六水硫酸亞鐵銨，4mg六水氯化鈷，0.04mg七水硫酸鋅，0.4mg二水氯化銅，0.4mg六水氯化鎳，0.4mg鉬酸鈉，0.4mg硒酸鈉，0.4mg鎢酸鈉，以及0.3g半胱氨酸；所述梭菌ClostridiumP21母液為10mL。
7.根據(jù)權利要求1所述的活性污泥發(fā)酵制氫供電燃料電池的方法，其特征在于，在步驟S1中，還包括對所述發(fā)酵罐采用惰性氣體或二氧化碳進行吹掃。
8.根據(jù)權利要求4所述的活性污泥發(fā)酵制氫供電燃料電池的方法，其特征在于，在步驟S1中，所述定時定量間斷地上料和下料為每隔一預定的時間，將10％的底物和輔料的液體培養(yǎng)基以及所述梭菌ClostridiumP21母液放入所述發(fā)酵罐，以及同時將不大于10％的發(fā)酵殘渣從下料口輸出。
9.根據(jù)權利要求4所述的活性污泥發(fā)酵制氫供電燃料電池的方法，其特征在于，在步驟S1中，所述pH值恒定調節(jié)通過所述酸溶液為濃度2M的鹽酸溶液，以及所述堿性溶液為5M的氫氧化鈉溶液。
10.根據(jù)權利要求4-9任意一個所述的活性污泥發(fā)酵制氫供電燃料電池的方法，其特征在于，所述發(fā)酵溫度為60℃，所述pH值恒定為10.5。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于活性污泥發(fā)酵制氫供氫燃料電池的裝置及方法，其可以在高溫及高堿性條件下發(fā)酵活性污泥以生產(chǎn)純度超過98％氫氣，且該高純度的氫氣經(jīng)處理后給氫燃料電池供電。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：
一種基于活性污泥發(fā)酵制氫供氫燃料電池的裝置，所述活性污泥包括有機質、營養(yǎng)物質、微生物和水分；其特征在于，包括：
污泥厭氧發(fā)酵模塊，用于利用梭菌ClostridiumP21，通過底物和輔料的液體培養(yǎng)基發(fā)酵并設置pH值恒定為大于7以及發(fā)酵溫度為大于40℃，產(chǎn)出含有氫氣的混合氣，其中，所述混合氣僅含有98％純度以上的氫氣、二氧化碳和酸性氣體；所述梭菌ClostridiumP21為桿狀嗜堿性梭菌；其中，所述底物包括所述活性污泥；所述輔料包括磷酸鹽復合液；
水洗模塊，接收所述混合氣，并洗去所述混合氣中的懸浮顆粒；
堿洗模塊，用于通過中和去除所述混合氣中的二氧化碳和酸性氣體；
吸附模塊，其通過活性炭吸附，去除所述混合氣中的異味，并輸出所述混合氣給氫燃料電池模塊供電。
進一步地，所述污泥厭氧發(fā)酵模塊包括：
發(fā)酵罐；
上料模塊，位于所述發(fā)酵罐的上端，用于定時定量間斷地將包括底物和輔料的液體培養(yǎng)基以及所述梭菌ClostridiumP21母液放入所述發(fā)酵罐；其中，所述底物為用于發(fā)酵產(chǎn)氫的所述活性污泥中所包括的碳水化合物、蛋白質、脂肪、糖、油脂、酸和/或有機酸類物質，所述輔料還包括所述活性污泥中所包括的營養(yǎng)物質；所述營養(yǎng)物質為氮鹽、磷鹽和/或鉀鹽；
去氧模塊，用于將惰性氣體或二氧化碳氣體吹掃所述液體培養(yǎng)基以去除所述液體培養(yǎng)基中殘存的氧氣；
溫度控制模塊，用于將所述液體培養(yǎng)基放入具有攪拌器的發(fā)酵罐中，設置發(fā)酵溫度為50℃-80℃之間的一個溫度；
PH值控制模塊，用于通過酸溶液和堿性溶液控制所述發(fā)酵罐在發(fā)酵周期內的pH值恒定為8-12中的一個值；
殘料輸出模塊，位于所述發(fā)酵罐的下部，用于將發(fā)酵殘渣定時定量間斷地從下料口輸出。
進一步地，所述的基于活性污泥發(fā)酵制氫供氫燃料電池的裝置，其特還包括預處理模塊，用于在上料前去除所述活性污泥中的重金屬和/或無機鹽；其中，所述無機鹽為硅氧化物、鐵氧化物、鋁氧化物、鈣氧化物和/或鹽。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的又一技術方案如下：
一種基于活性污泥發(fā)酵制氫供氫燃料電池的方法，采用上述的裝置，其包括如下步驟：
步驟S1：定時定量間斷地將包括底物和輔料的液體培養(yǎng)基以及所述梭菌ClostridiumP21母液放入所述發(fā)酵罐；利用梭菌ClostridiumP21，通過活性污泥發(fā)酵并設置pH值恒定為大于7以及發(fā)酵溫度為大于40℃，產(chǎn)出含有氫氣的混合氣，且定時定量間斷地將發(fā)酵殘渣從下料口輸出；其中，所述混合氣僅含有98％純度以上的氫氣、二氧化碳和酸性氣體；所述梭菌ClostridiumP21為桿狀嗜堿性梭菌；所述底物為用于發(fā)酵產(chǎn)氫的所述活性污泥中所包括的碳水化合物、蛋白質、脂肪、糖、油脂、酸和/或有機酸類物質，所述輔料包括磷酸鹽復合液和所述活性污泥中所包括的營養(yǎng)物質；所述營養(yǎng)物質為氮鹽、磷鹽和/或鉀鹽；
步驟S2：接收所述混合氣，并洗去所述混合氣中的懸浮顆粒；
步驟S3：通過中和去除所述混合氣中的二氧化碳和酸性氣體；
步驟S4：通過活性炭吸附，去除所述混合氣中的異味，并輸出所述混合氣給氫燃料電池模塊供電。
進一步地，所述活性污泥還包括重金屬和/或無機鹽，在執(zhí)行步驟S1之前，還包括步驟S0用于去除重金屬和/或無機鹽；其中，所述無機鹽為硅氧化物、鐵氧化物、鋁氧化物、鈣氧化物和/或鹽。
進一步地，在步驟S1中：
配置每升所述液體培養(yǎng)基包括50克的所述底料；
配置每升所述液體培養(yǎng)基的所述磷酸鹽復合液包含：
1.4g磷酸二氫鉀，1.1g磷酸氫二鉀，2g硫酸銨，0.5g硫酸鎂，10g酵母抽提物，10g嗎啉乙磺酸，40mg氨三乙酸，20mg一水硫酸錳，16mg六水硫酸亞鐵銨，4mg六水氯化鈷，0.04mg七水硫酸鋅，0.4mg二水氯化銅，0.4mg六水氯化鎳，0.4mg鉬酸鈉，0.4mg硒酸鈉，0.4mg鎢酸鈉，以及0.3g半胱氨酸；
所述梭菌ClostridiumP21母液為10mL。
進一步地，在步驟S1中，還包括對所述液體培養(yǎng)基采用惰性氣體或二氧化碳進行吹掃，較佳地，惰性氣體為高純氮氣。
進一步地，在步驟S1中，所述定時定量間斷地上料和下料為每隔一預定的時間，將10％的底物和輔料的液體培養(yǎng)基以及所述梭菌ClostridiumP21母液放入所述發(fā)酵罐，以及同時將不大于10％的發(fā)酵殘渣從下料口輸出。
進一步地，在步驟S1中，所述pH值恒定調節(jié)通過所述酸溶液為濃度2M的鹽酸溶液，以及所述堿性溶液為5M的氫氧化鈉溶液。
進一步地，所述發(fā)酵溫度為60℃，所述pH值恒定為10.5。
從上述技術方案可以看出，本發(fā)明的活性污泥發(fā)酵制氫供電燃料電池的方法，具有如下有益效果：
①.采用上述嗜堿性梭菌種(梭菌ClostridiumP21)，可以實現(xiàn)活性污泥發(fā)酵制氫供電燃料電池的可能性，且產(chǎn)率和能量轉換效率高；
②.產(chǎn)出的氫氣中僅含有二氧化碳，基本不含有硫化物、氮氧化物、一氧化碳和甲烷等雜氣，使氫氣提純非常容易，很好地解決了氫燃料電池在工業(yè)應用中的安全性問題；
③.利用所述活性污泥(廢物)制備高附加值的清潔能源，成本非常低，又為環(huán)保做出了貢獻。
（發(fā)明人：胡鵬;丁大偉）
