公布日：2022.04.12
申请日：2021.12.30
分类号：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
一种基于污泥发酵制氢供氢燃料电池发电的装置及方法，该装置包括污泥厌氧发酵模块、水洗模块、碱洗模块和吸附模块；其中，污泥厌氧发酵模块用于利用梭菌ClostridiumP21，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，其中，所述混合气仅含有98％纯度以上的氢气、二氧化碳和酸性气体；所述梭菌ClostridiumP21为杆状嗜碱性梭菌；其中，所述底物包括所述活性污泥；所述辅料包括磷酸盐复合液。因此，本发明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，且该高纯度的氢气经处理后给氢电燃料电池供电。
权利要求书
1.一种基于活性污泥发酵制氢供氢燃料电池的装置，所述活性污泥包括有机质、营养物质、微生物和水分；其特征在于，包括：污泥厌氧发酵模块，用于利用梭菌ClostridiumP21，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，其中，所述混合气仅含有98％纯度以上的氢气、二氧化碳和酸性气体；所述梭菌ClostridiumP21为杆状嗜碱性梭菌；其中，所述底物包括所述活性污泥；所述辅料包括磷酸盐复合液；水洗模块，接收所述混合气，并洗去所述混合气中的悬浮颗粒；碱洗模块，用于通过中和去除所述混合气中的二氧化碳和酸性气体；吸附模块，其通过活性炭吸附，去除所述混合气中的异味，并输出所述混合气给氢燃料电池模块供电。
2.根据权利要求1所述的基于活性污泥发酵制氢供氢燃料电池的装置，其特征在于，所述污泥厌氧发酵模块包括：发酵罐；上料模块，位于所述发酵罐的上端，用于定时定量间断地将包括底物和辅料的液体培养基以及所述梭菌ClostridiumP21母液放入所述发酵罐；其中，所述底物为用于发酵产氢的所述活性污泥中所包括的碳水化合物、蛋白质、脂肪、糖、油脂、酸和/或有机酸类物质，所述辅料还包括所述活性污泥中所包括的营养物质；所述营养物质为氮盐、磷盐和/或钾盐；去氧模块，用于将惰性气体或二氧化碳气体从发酵罐底部吹扫所述液体培养基以去除所述液体培养基中残存的氧气；温度控制模块，用于将所述液体培养基放入具有搅拌器的发酵罐中，设置发酵温度为50℃-80℃之间的一个温度；PH值控制模块，用于通过酸溶液和碱性溶液控制所述发酵罐在发酵周期内的pH值恒定为8-12中的一个值；残料输出模块，位于所述发酵罐的下部，用于将发酵残渣定时定量间断地从下料口输出。
3.根据权利要求1所述的基于活性污泥发酵制氢供氢燃料电池的装置，其特征在于，还包括预处理模块，用于在上料前去除所述活性污泥中的重金属和/或无机盐；其中，所述无机盐为硅氧化物、铁氧化物、铝氧化物、钙氧化物和/或盐。
4.一种基于活性污泥发酵制氢供氢燃料电池的方法，采用权利要求1-3任意一个所述的装置，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：定时定量间断地将包括底物和辅料的液体培养基以及所述梭菌ClostridiumP21母液放入所述发酵罐；利用梭菌ClostridiumP21，通过活性污泥发酵并设置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，且定时定量间断地将发酵残渣从下料口输出；其中，所述混合气仅含有98％纯度以上的氢气、二氧化碳和酸性气体；所述梭菌ClostridiumP21为杆状嗜碱性梭菌；所述底物为用于发酵产氢的所述活性污泥中所包括的碳水化合物、蛋白质、脂肪、糖、油脂、酸和/或有机酸类物质，所述辅料包括磷酸盐复合液和所述活性污泥中所包括的营养物质；所述营养物质为氮盐、磷盐和/或钾盐；步骤S2：接收所述混合气，并洗去所述混合气中的悬浮颗粒；步骤S3：通过中和去除所述混合气中的二氧化碳和酸性气体；步骤S4：通过活性炭吸附，去除所述混合气中的异味，并输出所述混合气给氢燃料电池模块供电。
5.根据权利要求4所述的活性污泥发酵制氢供电燃料电池的方法，其特征在于，所述活性污泥还包括重金属和/或无机盐，在执行步骤S1之前，还包括步骤S0用于去除重金属和/或无机盐；其中，所述无机盐为硅氧化物、铁氧化物、铝氧化物、钙氧化物和/或盐。
6.根据权利要求4所述的活性污泥发酵制氢供电燃料电池的方法，其特征在于，在步骤S1中：配置每升所述液体培养基包括50克的所述底料；配置每升所述液体培养基的所述磷酸盐复合液包含：1.4g磷酸二氢钾，1.1g磷酸氢二钾，2g硫酸铵，0.5g硫酸镁，10g酵母抽提物，10g吗啉乙磺酸，40mg氨三乙酸，20mg一水硫酸锰，16mg六水硫酸亚铁铵，4mg六水氯化钴，0.04mg七水硫酸锌，0.4mg二水氯化铜，0.4mg六水氯化镍，0.4mg钼酸钠，0.4mg硒酸钠，0.4mg钨酸钠，以及0.3g半胱氨酸；所述梭菌ClostridiumP21母液为10mL。
7.根据权利要求1所述的活性污泥发酵制氢供电燃料电池的方法，其特征在于，在步骤S1中，还包括对所述发酵罐采用惰性气体或二氧化碳进行吹扫。
8.根据权利要求4所述的活性污泥发酵制氢供电燃料电池的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述定时定量间断地上料和下料为每隔一预定的时间，将10％的底物和辅料的液体培养基以及所述梭菌ClostridiumP21母液放入所述发酵罐，以及同时将不大于10％的发酵残渣从下料口输出。
9.根据权利要求4所述的活性污泥发酵制氢供电燃料电池的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述pH值恒定调节通过所述酸溶液为浓度2M的盐酸溶液，以及所述碱性溶液为5M的氢氧化钠溶液。
10.根据权利要求4-9任意一个所述的活性污泥发酵制氢供电燃料电池的方法，其特征在于，所述发酵温度为60℃，所述pH值恒定为10.5。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于活性污泥发酵制氢供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，且该高纯度的氢气经处理后给氢燃料电池供电。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于活性污泥发酵制氢供氢燃料电池的装置，所述活性污泥包括有机质、营养物质、微生物和水分；其特征在于，包括：
污泥厌氧发酵模块，用于利用梭菌ClostridiumP21，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，其中，所述混合气仅含有98％纯度以上的氢气、二氧化碳和酸性气体；所述梭菌ClostridiumP21为杆状嗜碱性梭菌；其中，所述底物包括所述活性污泥；所述辅料包括磷酸盐复合液；
水洗模块，接收所述混合气，并洗去所述混合气中的悬浮颗粒；
碱洗模块，用于通过中和去除所述混合气中的二氧化碳和酸性气体；
吸附模块，其通过活性炭吸附，去除所述混合气中的异味，并输出所述混合气给氢燃料电池模块供电。
进一步地，所述污泥厌氧发酵模块包括：
发酵罐；
上料模块，位于所述发酵罐的上端，用于定时定量间断地将包括底物和辅料的液体培养基以及所述梭菌ClostridiumP21母液放入所述发酵罐；其中，所述底物为用于发酵产氢的所述活性污泥中所包括的碳水化合物、蛋白质、脂肪、糖、油脂、酸和/或有机酸类物质，所述辅料还包括所述活性污泥中所包括的营养物质；所述营养物质为氮盐、磷盐和/或钾盐；
去氧模块，用于将惰性气体或二氧化碳气体吹扫所述液体培养基以去除所述液体培养基中残存的氧气；
温度控制模块，用于将所述液体培养基放入具有搅拌器的发酵罐中，设置发酵温度为50℃-80℃之间的一个温度；
PH值控制模块，用于通过酸溶液和碱性溶液控制所述发酵罐在发酵周期内的pH值恒定为8-12中的一个值；
残料输出模块，位于所述发酵罐的下部，用于将发酵残渣定时定量间断地从下料口输出。
进一步地，所述的基于活性污泥发酵制氢供氢燃料电池的装置，其特还包括预处理模块，用于在上料前去除所述活性污泥中的重金属和/或无机盐；其中，所述无机盐为硅氧化物、铁氧化物、铝氧化物、钙氧化物和/或盐。
为实现上述目的，本发明的又一技术方案如下：
一种基于活性污泥发酵制氢供氢燃料电池的方法，采用上述的装置，其包括如下步骤：
步骤S1：定时定量间断地将包括底物和辅料的液体培养基以及所述梭菌ClostridiumP21母液放入所述发酵罐；利用梭菌ClostridiumP21，通过活性污泥发酵并设置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，且定时定量间断地将发酵残渣从下料口输出；其中，所述混合气仅含有98％纯度以上的氢气、二氧化碳和酸性气体；所述梭菌ClostridiumP21为杆状嗜碱性梭菌；所述底物为用于发酵产氢的所述活性污泥中所包括的碳水化合物、蛋白质、脂肪、糖、油脂、酸和/或有机酸类物质，所述辅料包括磷酸盐复合液和所述活性污泥中所包括的营养物质；所述营养物质为氮盐、磷盐和/或钾盐；
步骤S2：接收所述混合气，并洗去所述混合气中的悬浮颗粒；
步骤S3：通过中和去除所述混合气中的二氧化碳和酸性气体；
步骤S4：通过活性炭吸附，去除所述混合气中的异味，并输出所述混合气给氢燃料电池模块供电。
进一步地，所述活性污泥还包括重金属和/或无机盐，在执行步骤S1之前，还包括步骤S0用于去除重金属和/或无机盐；其中，所述无机盐为硅氧化物、铁氧化物、铝氧化物、钙氧化物和/或盐。
进一步地，在步骤S1中：
配置每升所述液体培养基包括50克的所述底料；
配置每升所述液体培养基的所述磷酸盐复合液包含：
1.4g磷酸二氢钾，1.1g磷酸氢二钾，2g硫酸铵，0.5g硫酸镁，10g酵母抽提物，10g吗啉乙磺酸，40mg氨三乙酸，20mg一水硫酸锰，16mg六水硫酸亚铁铵，4mg六水氯化钴，0.04mg七水硫酸锌，0.4mg二水氯化铜，0.4mg六水氯化镍，0.4mg钼酸钠，0.4mg硒酸钠，0.4mg钨酸钠，以及0.3g半胱氨酸；
所述梭菌ClostridiumP21母液为10mL。
进一步地，在步骤S1中，还包括对所述液体培养基采用惰性气体或二氧化碳进行吹扫，较佳地，惰性气体为高纯氮气。
进一步地，在步骤S1中，所述定时定量间断地上料和下料为每隔一预定的时间，将10％的底物和辅料的液体培养基以及所述梭菌ClostridiumP21母液放入所述发酵罐，以及同时将不大于10％的发酵残渣从下料口输出。
进一步地，在步骤S1中，所述pH值恒定调节通过所述酸溶液为浓度2M的盐酸溶液，以及所述碱性溶液为5M的氢氧化钠溶液。
进一步地，所述发酵温度为60℃，所述pH值恒定为10.5。
从上述技术方案可以看出，本发明的活性污泥发酵制氢供电燃料电池的方法，具有如下有益效果：
①.采用上述嗜碱性梭菌种(梭菌ClostridiumP21)，可以实现活性污泥发酵制氢供电燃料电池的可能性，且产率和能量转换效率高；
②.产出的氢气中仅含有二氧化碳，基本不含有硫化物、氮氧化物、一氧化碳和甲烷等杂气，使氢气提纯非常容易，很好地解决了氢燃料电池在工业应用中的安全性问题；
③.利用所述活性污泥(废物)制备高附加值的清洁能源，成本非常低，又为环保做出了贡献。
（发明人：胡鹏;丁大伟）