基本信息
- 項目名稱：
- 一體化除苔產(chǎn)氫系統(tǒng)開發(fā)
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本項目主要研究利用微生物厭氧發(fā)酵技術(shù)，以滸苔為底物制取氫氣。結(jié)合傳統(tǒng)CSTR和UASB兩種制氫反應(yīng)器，設(shè)計了新型的反應(yīng)器，應(yīng)用于具體的實驗。并且通過結(jié)合太陽能設(shè)備、閉式水循環(huán)系統(tǒng)、單片機自動控制系統(tǒng)來提高設(shè)備的自動化程度和產(chǎn)氫效率。模擬了一座總有效容積為400m3生物制氫基地，生產(chǎn)氫氣的成本為0.78~0.89元/m3，產(chǎn)氣年耗電量為32120千瓦時，基地年發(fā)電量為2070402.44千瓦時。該技術(shù)不僅處理了滸苔等破壞水體生態(tài)系統(tǒng)的典型藻類污染物，減少環(huán)境污染，而且產(chǎn)生了清潔能源，解決了環(huán)境污染和能源緊缺的雙重危機。
- 詳細介紹：
- 滸苔是一種蔓延速度極快的浮游生物，它的大規(guī)模繁殖對海洋生態(tài)環(huán)境造成了嚴重破壞，并造成了巨大的經(jīng)濟開銷，據(jù)統(tǒng)計全國每年處理海藻污染的費用高達三千多萬元。本設(shè)計以滸苔為底物，自主設(shè)計了厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，研發(fā)了一體化除苔產(chǎn)氫系統(tǒng)，利用厭氧發(fā)酵技術(shù)處理滸苔并產(chǎn)生新能源——氫氣。 滸苔處理過程主要分為預(yù)處理、厭氧發(fā)酵反應(yīng)、出水處理及氫能轉(zhuǎn)化三個步驟，詳細說明如下：（1）首先以滸苔為底物，用粉碎機粉碎，對其進行酸化預(yù)處理;隨后，根據(jù)負荷曲線，在配水箱對酸化后的滸苔進行濃度和PH的調(diào)節(jié)；(2)調(diào)節(jié)好的進水通過蠕動泵被送入一體化反應(yīng)器的上部--連續(xù)攪拌反應(yīng)器，進行初期反應(yīng)，并產(chǎn)生少量氫氣?？傔M水在上部反應(yīng)器內(nèi)停留一段時間后，通過上部出水沿溢出，靠自身的重力作用進入升流式反應(yīng)器的下部，反應(yīng)器由一個循環(huán)泵帶動整個升流式反應(yīng)器內(nèi)的污泥實現(xiàn)循環(huán)，整個反應(yīng)器的恒定溫度由恒溫箱和單片機自控裝置實現(xiàn)，被充分消化后的水從升流式反應(yīng)器上沿溢出進入曝氣池；（3）兩個反應(yīng)器產(chǎn)生的氫氣從導氣管首先進入濾氣瓶，去除雜質(zhì)氣體，除雜后的氣體進入流量計測出其產(chǎn)量，最終氫氣通過燃料電池轉(zhuǎn)化為電能。最后將厭氧反應(yīng)區(qū)出水進行好氧處理，使出水達標，并將出水再導回投藥箱，配成新的進水，以達到充分節(jié)約水資源的目的。 系統(tǒng)具有以下特點：1.選取極易造成海洋污染的滸苔作為底物，將厭氧發(fā)酵技術(shù)引入處理過程，開發(fā)了一套操作簡單的連續(xù)流產(chǎn)能模型，把藻類廢棄物中的多糖、纖維素等碳水化合物轉(zhuǎn)化為氫能，實現(xiàn)廢物利用。2.結(jié)合CSTR和UASB兩種反應(yīng)器的優(yōu)點，自主設(shè)計了一體化連續(xù)流反應(yīng)器，一方面具有CSRT反應(yīng)器物料混合均勻、運行穩(wěn)定的優(yōu)點， 另一方面具有UASB反應(yīng)器反應(yīng)濃度高，運行能力強的優(yōu)點，并且能夠?qū)Φ孜镞M行二次處理，最大程度的利用底物，提高產(chǎn)氫效率。3.該系統(tǒng)可以實現(xiàn)從進料—厭氧反應(yīng)—產(chǎn)生氫氣—電能轉(zhuǎn)化和出水回收的完整運行，并且維持系統(tǒng)運行的大部分能量來自太陽能，有效地減少了電能消耗；水循環(huán)采用閉式循環(huán)方式，完全回收系統(tǒng)排水，整個過程只需補充少量因蒸發(fā)引起的水損失即可保證系統(tǒng)連續(xù)有效運行，達到了節(jié)約水資源的效果。4.通過自行設(shè)計的單片機輔助控制系統(tǒng)運行，保證系統(tǒng)的反應(yīng)溫度穩(wěn)定，運行安全可靠。 通過實驗研究了容積負荷、堿度、pH值、ORP等參數(shù)對系統(tǒng)產(chǎn)氫能力的影響，獲得最佳的控制參數(shù)：當容積負荷為25～40kgCOD/(m3.d)；ORP為-450mV～-400mV；出水pH值為4～6；溫度為37±1 ℃；HRT為7h該反應(yīng)器的最大產(chǎn)氣能力為10.3L/(L反應(yīng)器*d)。 利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)運行進行模擬仿真，并利用分離相關(guān)權(quán)值法對關(guān)鍵性調(diào)控因子(pH、容積負荷、堿度、ORP)對反應(yīng)器運行效果的影響大小進行排序，結(jié)果為：容積負荷>pH值>ORP>堿度。通過模擬仿真確定主體工藝與各參數(shù)的匹配關(guān)系以及優(yōu)化組合方式，以此為確定工程菌的最佳發(fā)酵條件、最佳發(fā)酵類型、最大產(chǎn)氫能力等提供依據(jù)，最終提出調(diào)控策略。 此外，模擬了一座總有效容積為400m3生物制氫基地，年處理滸苔9172.45t。對以此為底物的生物制氫技術(shù)進行了經(jīng)濟分析：產(chǎn)氫量每年127.75~146萬m3。生產(chǎn)氫氣的成本為0.78~0.89元/m3，產(chǎn)氣年耗電量為32120千瓦時，與此相對應(yīng)的是基地年發(fā)電量為2070402.44千瓦時。我國海洋面積廣闊，滸苔容易獲得。按照如上基地如果用來發(fā)電，按照燃料電池80%轉(zhuǎn)換效率計算，每年可以發(fā)電207萬千瓦時，而每年的耗電量僅為3.2萬千瓦時。由此可見，本項目的經(jīng)濟效益是巨大的。在化石燃料價格上漲、能源短缺、環(huán)境問題日益突出的今天，如果形成產(chǎn)業(yè)的話，既可以有效地提高人民的生活水平，又可以有效地保護海洋生態(tài)環(huán)境。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 1. 作品設(shè)計、發(fā)明的目的 滸苔——一種綠藻，08年夏天,作為奧帆賽場地的青島爆發(fā)了滸苔大規(guī)模繁殖的事件，造成了極其惡劣的影響和嚴重的環(huán)境污染。然而常規(guī)的處理方法既不能從根本上解決問題，同時也是一種資源的浪費。我們自主設(shè)計并制作了一體化除苔產(chǎn)氫系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)從進料—厭氧反應(yīng)—產(chǎn)生氫氣—電能轉(zhuǎn)化和出水回收的完整運行，并且維持系統(tǒng)運行的大部分能量來自太陽能，采用閉式水循環(huán)方式，節(jié)約水資源。使整個系統(tǒng)達到處理海洋污染和高效產(chǎn)能的目的。 2. 基本思路 采用滸苔作為原材料，通過控制限制性生態(tài)因子的定量化組合，使一體化反應(yīng)器中厭氧發(fā)酵能夠達到最佳的反應(yīng)狀態(tài)，實現(xiàn)高效產(chǎn)氫。厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的氫氣經(jīng)過加壓裝置燃料電池轉(zhuǎn)變成電能。同時將剩余底物進行好氧處理以達到排放標準，實現(xiàn)節(jié)能降耗。 3. 創(chuàng)新點 1)選用滸苔為底物產(chǎn)氫；2)自主設(shè)計制作了一體化反應(yīng)器；3)具有一套完整的除苔產(chǎn)氫系統(tǒng) 4. 技術(shù)關(guān)鍵 1)設(shè)計、調(diào)試和優(yōu)化新型反應(yīng)器；2)滸苔的預(yù)處理方法，處理環(huán)境條件的確定；3)量化系統(tǒng)各生態(tài)因子的主次關(guān)系，制定合理的控制、實驗方案；4)實現(xiàn)單片機自控一體化。 5. 主要技術(shù)指標 1)樣機：將滸苔完全處理，同時高效產(chǎn)氫，產(chǎn)氫率大于5.15L/(L反應(yīng)器.d)；2)溫度、PH、ORP、COD等最佳控制參數(shù)，并利用MATLAB等相關(guān)仿真技術(shù)得到相應(yīng)的調(diào)控對策；3)系統(tǒng)模型：連續(xù)產(chǎn)氫；4)燃料電池發(fā)電：連續(xù)正常運轉(zhuǎn)。
科學性、先進性
- 作品的科學性、先進性： （一）主體發(fā)酵系統(tǒng) 本反應(yīng)器系統(tǒng)與現(xiàn)有反應(yīng)器相比特點如下：1）有兩個反應(yīng)區(qū)， CSTR反應(yīng)區(qū)位于UASB反應(yīng)區(qū)的上部，CSTR出水通過導管可進入UASB反應(yīng)區(qū)繼續(xù)發(fā)酵，提高了系統(tǒng)的耐沖擊性和效率[1-2]；2）實現(xiàn)了有機物預(yù)處理到高效產(chǎn)能的一體化；3）采用太陽能供熱裝置，節(jié)省了電能；4）整個系統(tǒng)采用閉式水循環(huán)設(shè)計，節(jié)約水資源。 （二）制氫底物 以往制氫研究，底物多為可溶性糖、淀粉及其有機廢水，以海洋藻類為原料的發(fā)酵產(chǎn)氫研究并不多見[3]。利用滸苔進行生物制氫的研究，尚未見文獻報道。 參考文獻： [1] 任南琪. 有機廢水發(fā)酵法生物制氫設(shè)備[P].中國: 92114474?1, 1992. [2] 馬東輝. 升流式厭氧污泥床UASB工藝概論. 科技信息2009/01. [3] 潘春梅，李卓，樊耀，金美方.海藻類生物質(zhì)廢棄物的發(fā)酵生物制氫研究[J].環(huán)境科學學報, 2009，32(2):1-4.
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2009年5月學校舉辦的“XX杯學生創(chuàng)新大賽”中獲得一等獎。
作品所處階段
- 試驗運行
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、 模型、 圖紙 、 現(xiàn)場演示 、圖片 、 錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 1.技術(shù)特點和優(yōu)勢 從底物來看，滸苔降解和利用的難度大，我們對它的生物處理與產(chǎn)能利用也證明了本技術(shù)的先進性，從整個系統(tǒng)來看，一體化除苔產(chǎn)氫系統(tǒng)可以實現(xiàn)從進料—厭氧反應(yīng)—產(chǎn)生氫氣—電能轉(zhuǎn)化和出水回收的完整穩(wěn)定運行，實現(xiàn)了高效連續(xù)流運行。 2. 適應(yīng)范圍 本系統(tǒng)雖以滸苔為試驗底物，但同樣對于其他類型藻類污染的處理具有很大的參考價值。若實際應(yīng)用于商業(yè)運作時，適用于藻類經(jīng)常爆發(fā)的沿海城市以及內(nèi)陸污染嚴重的湖泊江河。把海洋污染轉(zhuǎn)變成為有效氫能源的利用，所以有著廣闊的適用前景。 3. 市場分析及經(jīng)濟效益預(yù)測 對以滸苔為底物的生物制氫技術(shù)進行經(jīng)濟分析：模擬一座400m3的生物制氫基地，該基地一年可處理滸苔9172.45噸，產(chǎn)氫量每年可達127.75-146萬m3。而與此相對應(yīng)的是基地每年發(fā)電2070402.44千瓦時。由此可以看出，采用厭氧發(fā)酵制氫技術(shù)處理滸苔，不僅減少了環(huán)境污染，實現(xiàn)能量正輸出，而且產(chǎn)生了清潔能源，具有可觀的經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 1 發(fā)酵法生物制氫技術(shù)采用的底物 在發(fā)酵法生物制氫的諸多研究中，所用的底物大多局限在可溶性糖、淀粉及其相應(yīng)的有機廢水。XX教授領(lǐng)導的課題組開創(chuàng)了“有機廢水乙醇型發(fā)酵法生物制氫技術(shù)”[1]。XX大學XX教授利用自行設(shè)計的連續(xù)流攪拌槽式反應(yīng)器（CSTR）進行蜜糖發(fā)酵產(chǎn)氫研究，提出了乙醇型發(fā)酵產(chǎn)氫的理論[2]。 研究表明，有的微生物也可以利用富含纖維素和半纖維素等復雜大分子的生物質(zhì)作為發(fā)酵產(chǎn)氫的底物。以海洋藻類生物質(zhì)為底物的發(fā)酵產(chǎn)氫研究還很少見。國內(nèi)潘春梅等人在他們進行的海帶發(fā)酵產(chǎn)氫研究中，海帶最大產(chǎn)氫能力為104.40mL/g TVS，最大氫濃度為32.6%，且沒有檢測到甲烷氣體存在。液相中主要發(fā)酵末端產(chǎn)物為乙醇、乙酸和丁醇[3]。 2 厭氧發(fā)酵反應(yīng)器 目前較為成熟的厭氧生物制氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)有UASB（升流式反應(yīng)器）和CSTR（連續(xù)攪拌式反應(yīng)器）兩種。UASB對水質(zhì)和負荷突然變化較敏感，耐沖擊力稍差；CSTR能量消耗較高，出水底物濃度較高。 國內(nèi)外研究者對反應(yīng)器進行改進以提高發(fā)酵產(chǎn)氫能力，并研究其產(chǎn)氫特性。其中，帶攪拌器的CSTR反應(yīng)器在發(fā)酵產(chǎn)氫中應(yīng)用最多。2006年Hariklia N Gavala等進行了以葡萄糖為底物，厭氧消化污泥為產(chǎn)氫微生物的實驗。 3 厭氧產(chǎn)氫影響因素的研究 目前針對發(fā)酵產(chǎn)氫生態(tài)因子控制的研究，主要集中于對特定微生物產(chǎn)氫過程中溫度、COD濃度、pH、氧化還原電位(ORP)和金屬離子等的影響方面。為了研究各種因素的影響，很多學者做了大量的工作。如KUMAR等[4]證明了Enterobacter cloacae在36℃時具有最大的產(chǎn)氫速率。 參考文獻： [1] 任南琪，李建政.生物制氫技術(shù)[J]. 太陽能學報，2003(2)：4-5. [2] 任南琪，王寶貞，有機廢水處理生物制氫技術(shù)[J].中國環(huán)境科學,1994.14（6）：411-415. [3] 史仲平，潘豐.發(fā)酵過程解析、控制與檢測技術(shù)[M].北京:化學工業(yè)出版社，2005. [4] KUMAR N，DSA D. Enhancement of hydrogen production by Enterobactercloacae ⅡT-BT 08[J]. Process Biochem, 2000, 35: 589-593.
