專利名稱：一種廚余垃圾干濕聯(lián)產(chǎn)氫氣與甲烷的裝置與使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物能源技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種采用廚余垃圾干濕聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷的組
口O本發(fā)明還涉及利用上述組合裝置聯(lián)產(chǎn)氫氣與甲烷的方法。
背景技術(shù)：
廚余垃圾是家庭和飲食單位拋棄的剩飯菜的通稱，是我國(guó)生活垃圾的重要組成部分，而且隨著餐飲業(yè)的高速發(fā)展，產(chǎn)生量迅速增加。廚余垃圾主要成分包括米和面粉類食物殘余、蔬菜、動(dòng)植物油、肉骨等，化學(xué)組成以有機(jī)組分為主，同時(shí)含有一定量的鈣、鎂、鉀和鐵等微量元素。廚余垃圾的主要特點(diǎn)是水分含量大、易腐爛、營(yíng)養(yǎng)成分多，組成隨季節(jié)等因素 浮動(dòng)較大。其性狀和氣味都對(duì)環(huán)境衛(wèi)生造成惡劣影響，而且易滋生病原微生物、霉菌毒素等有害物質(zhì)。我國(guó)處理廚余垃圾傳統(tǒng)方法是直接喂豬，但未經(jīng)處理過的廚余垃圾中可能含有口蹄疫、豬瘟病菌等多種病原體和有害微生物，從而造成人畜之間的交叉?zhèn)魅?，存在食物鏈風(fēng)險(xiǎn)。近年來，氫氣作為高效、清潔、可再生的能源，受到人們的日益關(guān)注。生物制氫具有環(huán)境友好和能耗低等特點(diǎn)，能夠利用微生物將廚余垃圾中的有機(jī)質(zhì)在厭氧條件下分解為具有高附加值的氫氣能源，具有治污、環(huán)保和產(chǎn)能等多重優(yōu)越性。但是，理論上單純的生物制氫過程能源利用率僅為33. 5%，能源轉(zhuǎn)化率低下成為限制生物制氫產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的瓶頸。而在厭氧產(chǎn)氫的基礎(chǔ)上，將代謝過程產(chǎn)生的揮發(fā)酸和小分子醇類作為厭氧產(chǎn)甲烷的底物進(jìn)行再發(fā)酵，不僅可以實(shí)現(xiàn)氫氣和甲烷的聯(lián)產(chǎn)，還能夠顯著提高廢棄物的能源轉(zhuǎn)化效率。另一方面，將氫氣和甲烷氣按照一定比例混合后制備的氫烷燃?xì)?，其燃燒性能、熱值等均有顯著提高，且二次污染少，是具有高附加值的理想生物燃料。廚余垃圾油脂、蛋白等營(yíng)養(yǎng)成分含量高，能夠通過生物發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣與甲烷過程實(shí)現(xiàn)其無(wú)害化、資源化、減量化，但廚余垃圾含水率和含鹽量高，極易腐敗變質(zhì)，現(xiàn)有處理設(shè)施存在預(yù)處理要求高、啟動(dòng)緩慢、運(yùn)行不穩(wěn)定、產(chǎn)氣率低、能耗大等問題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)氫氣-甲烷聯(lián)產(chǎn)和混配利用的目的。因此，研發(fā)適合廚余垃圾處理和資源化利用，且在制備氫氣和甲烷的同時(shí)實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排，具有“低運(yùn)行、低成本、易操作”的成套裝置不僅是研究熱點(diǎn)，更是亟待解決的難點(diǎn)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種廚余垃圾干濕聯(lián)產(chǎn)氫氣與甲烷的組合裝置。本發(fā)明的又一目的在于提供一種涉及利用上述組合裝置聯(lián)產(chǎn)氫氣與甲烷的方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的廚余垃圾干濕聯(lián)產(chǎn)氫氣與甲烷的組合裝置，主要包括一濕熱預(yù)處理反應(yīng)器，連接一垃圾混勻輸送裝置，該垃圾混勻輸送裝置包括垃圾混合室和絞龍，絞龍一端與濕熱預(yù)處理反應(yīng)器出料口連接，另一端與耦合生物制氫反應(yīng)器進(jìn)料口相連；一分室耦合生物制氫反應(yīng)器，內(nèi)部為厭氧產(chǎn)氫室和厭氧產(chǎn)沼室，厭氧產(chǎn)氫室和厭氧產(chǎn)沼室之間設(shè)有厭氧產(chǎn)沼室單向可開啟閥門，厭氧產(chǎn)沼室的出料口連接固液分離器；一納米鍍膜陶瓷滾軸，貫穿分室耦合生物制氫反應(yīng)器，納米鍍膜陶瓷滾軸的出氣端連接至氫氣純化器；固液分離器分離出的液相物進(jìn)入膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器進(jìn)行厭氧產(chǎn)甲烷，固液分離器分離出的固相產(chǎn)物排出固液分離器；膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器的下部為反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)區(qū)內(nèi)填充有厭氧顆粒污泥；膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器的上部為沉淀區(qū)，沉淀區(qū)內(nèi)安裝有三相分離器；膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器的出氣口連接至甲烷純化器； 一管道式光生物反應(yīng)器，由微藻培養(yǎng)池、培養(yǎng)管道和安裝在培養(yǎng)管道內(nèi)部的光源組成，其中微藻培養(yǎng)池的池體由透光的有機(jī)玻璃制成，微藻培養(yǎng)池頂設(shè)有布水器；微藻培養(yǎng)池的進(jìn)氣口與氫氣純化器和甲烷純化器的廢氣出口相連，將純化后剩余的二氧化碳及硫化氫廢氣進(jìn)入管道式光生物反應(yīng)器；微藻培養(yǎng)池底部的出料口與培養(yǎng)管道串聯(lián)連接，培養(yǎng)管道的出料口與微藻培養(yǎng)池的進(jìn)料口連接；氫氣純化器和甲烷純化器的出氣口通過一混配閥連接至儲(chǔ)氣裝置，該儲(chǔ)氣裝置的儲(chǔ)氣室內(nèi)裝填儲(chǔ)氫和儲(chǔ)甲烷的儲(chǔ)氫分子篩與碳基、鎂基、鋯系或稀土系材料中的至少一種組合而成的復(fù)合材料。所述的組合裝置，其中，濕熱預(yù)處理反應(yīng)器安裝有溫度控制器和壓力表，濕熱預(yù)處理反應(yīng)器為內(nèi)膽與外殼兩層結(jié)構(gòu)，內(nèi)膽與外殼之間填充有導(dǎo)熱油。所述的組合裝置，其中，垃圾混勻輸送裝置包括垃圾混合室和絞龍，絞龍一端與濕熱預(yù)處理反應(yīng)器出料口連接，另一端與分室耦合生物制氫反應(yīng)器進(jìn)料口相連，共同固定于產(chǎn)氫反應(yīng)器支架上，以節(jié)省占地面積。所述的組合裝置，其中，分室耦合生物制氫反應(yīng)器為雙層滾筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁安裝有4~8組二棱柱型擋板。所述的組合裝置，其中，膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器內(nèi)的厭氧顆粒污泥填充量為反應(yīng)區(qū)有效容積的10-50%。所述的組合裝置，其中，管道式光生物反應(yīng)器的培養(yǎng)管道內(nèi)部安裝的光源為黃色熒光燈管。所述的組合裝置，其中，高吸附性能儲(chǔ)氣裝置的頂部為可開啟式密封蓋，蓋上安裝有壓力表和壓力調(diào)節(jié)器，且進(jìn)氣口和出氣口經(jīng)三通電磁閥與氣體循環(huán)系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)間歇式快速儲(chǔ)放氫。本發(fā)明提供的利用上述組合裝置聯(lián)產(chǎn)氫氣與甲烷的方法，其主要步驟為廚余垃圾破碎后裝填入濕熱預(yù)處理裝置中進(jìn)行預(yù)處理；預(yù)處理后的垃圾混合均勻后經(jīng)絞龍裝填入分室耦合生物制氫反應(yīng)器的好氧預(yù)處理室進(jìn)行腐解預(yù)處理，之后將物料經(jīng)單向可開啟閥門轉(zhuǎn)移至厭氧產(chǎn)氫室，并補(bǔ)加產(chǎn)氫菌劑以強(qiáng)化產(chǎn)氫；厭氧產(chǎn)氫后的液相代謝產(chǎn)物經(jīng)固液分離器分離后泵入膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器，在厭氧活性污泥產(chǎn)甲烷菌群的作用下生成甲烷氣；
厭氧產(chǎn)氫室生成的氫氣和膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器產(chǎn)生的甲烷氣分別通過氫氣純化器和甲烷純化器進(jìn)行純化與干燥，純化后的氫氣和甲烷經(jīng)混配閥進(jìn)行配比后進(jìn)入儲(chǔ)氣裝置；純化脫除的廢氣通入管道式光生物反應(yīng)器進(jìn)行處理，并通過循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)微藻培養(yǎng)池與培養(yǎng)管道中微藻培養(yǎng)物的循環(huán)流動(dòng)，管道式光反應(yīng)器內(nèi)部的光源為微藻培養(yǎng)提供光照，促進(jìn)微藻光合作用進(jìn)行廢氣處理。所述的方法，其中，微藻是指小球藻、鹽生杜氏藻、硅藻、藍(lán)藻中的一種或幾種。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(I)本發(fā)明分室耦合生物制氫反應(yīng)器內(nèi)部為雙反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)，中部由單向可開啟隔板分為預(yù)處理室和發(fā)酵產(chǎn)氫室，物料首先在預(yù)處理室進(jìn)行好氧預(yù)處理再進(jìn)入?yún)捬跏疫M(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氫，實(shí)現(xiàn)了厭氧反應(yīng)器的快速啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行。(2)本發(fā)明生物制氫反應(yīng)器內(nèi)壁設(shè)有4-8組三棱柱形擋板，使反應(yīng)器內(nèi)部無(wú)死角，避免發(fā)酵不均和雜菌生成，通過摔打和旋轉(zhuǎn)作用實(shí)現(xiàn)物料的充分混合，減少對(duì)菌絲體的破壞，保證發(fā)酵過程的微生物活性，有效提高發(fā)酵產(chǎn)氣量和能量轉(zhuǎn)化效率。(3)本發(fā)明生物制氫反應(yīng)器中心貫穿的滾筒軸通過納米陶瓷膜進(jìn)行微納米曝氣和生物氣收集，實(shí)現(xiàn)了好氧和厭氧發(fā)酵交替進(jìn)行。納米陶瓷鍍膜特有的孔徑特征和選擇性過濾特性，保證了氫氣的高效收集、熱量擴(kuò)散和均勻曝氣，且不易堵塞，無(wú)需清理。(4)本發(fā)明管道式光生物反應(yīng)器將培養(yǎng)微藻與固定二氧化碳廢氣作用相耦合，在微藻快速生長(zhǎng)過程中充分利用光合作用進(jìn)行二氧化碳，及少量硫化氫的生物固定，不僅獲得高濃度的小球藻產(chǎn)品，還實(shí)現(xiàn)了生物氣中二氧化碳、硫化氫的脫除，解決了廚余垃圾資源化過程中的二次污染問題。(5)本發(fā)明高吸附性能儲(chǔ)氣裝置使用分子篩儲(chǔ)氫材料和碳基等甲烷儲(chǔ)存材料，該類材料選擇性吸附能力強(qiáng)、表面活性高、使用壽命長(zhǎng)，儲(chǔ)氣裝置安全度高、操作簡(jiǎn)單、燃?xì)鈨?chǔ)存和釋放便捷，運(yùn)輸方便，實(shí)現(xiàn)了氫氣與甲烷的同時(shí)儲(chǔ)存，易于規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用。(6)本發(fā)明將廚余垃圾干式發(fā)酵產(chǎn)氫和濕式厭氧產(chǎn)甲烷相耦合，再利用管道式微藻光反應(yīng)器進(jìn)行廢氣脫除，在獲得高純度氫烷氣的同時(shí)，達(dá)到了碳減排與微藻培養(yǎng)的目的。(7)本發(fā)明將濕熱預(yù)處理、厭氧發(fā)酵、微藻固碳、物理化學(xué)吸附等多種技術(shù)相集成，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，具有安裝靈活、占地面積小、運(yùn)行費(fèi)用低、產(chǎn)氣量大等特點(diǎn)，生物氣的收集、純化和儲(chǔ)存方便，適于廚余垃圾的高值化利用。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖中標(biāo)記說明I濕熱預(yù)處理反應(yīng)器；2混合裝置；3絞龍；4分室耦合生物制氫反應(yīng)器；5膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器(EGSB反應(yīng)器)；6管道式光生物反應(yīng)器；7氣體純化器；8高吸附性能儲(chǔ)氫裝置；9壓力表；10內(nèi)膽；11外殼；12導(dǎo)熱油；13溫度控制器；14取樣口 ； 15好氧預(yù)處理室；16厭氧產(chǎn)氫室；17復(fù)合電極；18納米陶瓷鍍膜滾軸；19甲烷純化器；20固液分離器；21厭氧顆粒污泥；22反應(yīng)區(qū)；23三相分離器；24沉淀區(qū)；25貯水槽；26氫氣純化器；27培養(yǎng)池；28培養(yǎng)管道；29加熱套；30布水器；31底座；32重力升降裝置；33單向閥門；34擋板；35儲(chǔ)氣室；36儲(chǔ)氣復(fù)合材料；37壓力控制系統(tǒng)；38進(jìn)氣口 ；39出氣口 ；40三通電磁閥；41混配閥。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供的氫氣-甲烷聯(lián)產(chǎn)組合裝置，主要包括一濕熱預(yù)處理反應(yīng)器，包括高壓內(nèi)膽、防爆隔熱外殼、溫度控制器、壓力表，內(nèi)膽與外殼之間填充導(dǎo)熱油。廚余垃圾置于高壓內(nèi)膽中，填充量為有效容積的10-60%，溫度控制器控制預(yù)處理溫度為90-150°C，處理20-60分鐘。一垃圾混勻輸送裝置，包括垃圾混合室和絞龍，絞龍一端與濕熱預(yù)處理反應(yīng)器出料口連接，另一端與耦合生物制氫反應(yīng)器進(jìn)料口相連，共同固定于產(chǎn)氫反應(yīng)器支架上，以節(jié)省占地面積?！质荫詈仙镏茪浞磻?yīng)器，高徑比為I : 0.5-1 5的雙層滾筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁安裝有4-8組三棱柱型擋板。反應(yīng)器為雙反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)，中部由單向可開啟閥門分為預(yù)處理室和 發(fā)酵產(chǎn)氫室，兩室有效容積比為I : 1-1 5。納米陶瓷滾軸從反應(yīng)器中心貫穿，軸兩端通過法蘭固定于裝置支架上，本發(fā)明的納米陶瓷膜滾筒軸為不銹鋼材質(zhì)的中空網(wǎng)狀滾軸，夕卜層鍍有納米陶瓷膜用于生物氣的收集和曝氣。為方便進(jìn)出料，罐體一側(cè)設(shè)計(jì)為快開門結(jié)構(gòu)的進(jìn)料口，另一側(cè)設(shè)計(jì)為快速出料口。厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的富氫氣體經(jīng)管道輸送至氫氣純化器，固相和液相代謝產(chǎn)物經(jīng)出料口排入固液分離器。固液分離器分離出的液相代謝產(chǎn)物進(jìn)入膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器進(jìn)行厭氧產(chǎn)甲烷，固相產(chǎn)物用作綠色有機(jī)肥。一膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器(EGSB)，包括反應(yīng)區(qū)、沉淀區(qū)、三相分離器、顆粒污泥等。其中EGSB反應(yīng)器高徑比為5 1-20 1，內(nèi)部填充有厭氧顆粒污泥，顆粒污泥的填充量為反應(yīng)區(qū)有效容積的10-50%。發(fā)酵產(chǎn)氫的液相產(chǎn)物從EGSB反應(yīng)器底部進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，產(chǎn)生的沼氣和泥水混合液經(jīng)三相分離器分離，收集后的沼氣經(jīng)管道輸送至甲烷純化器，出水經(jīng)沉淀區(qū)出水口流入貯水槽，部分出水再次返回反應(yīng)器中與進(jìn)水混合，實(shí)現(xiàn)出水回流的目的，回流比為I : 1-10 I。—管道式光生物反應(yīng)器，由微藻培養(yǎng)池、培養(yǎng)管道、圓柱形光源等組成，其中微藻培養(yǎng)池的池體由透光的有機(jī)玻璃制成，罐體外部設(shè)有控溫加熱套，培養(yǎng)池頂設(shè)有布水器。培養(yǎng)池與氣體純化器的廢氣出口相連，生物氣經(jīng)純化器純化后剩余的二氧化碳及少量硫化氫等廢氣進(jìn)入管道式光生物反應(yīng)器，經(jīng)微藻光合作用進(jìn)行廢氣處理。微藻培養(yǎng)池中部設(shè)有進(jìn)氣口，底部設(shè)有出料口，該出料口通過循環(huán)泵與培養(yǎng)管道串聯(lián)連接，培養(yǎng)管道的出料口與培養(yǎng)池的進(jìn)料口連接。培養(yǎng)管道內(nèi)部為2-6只黃色熒光燈管，為微藻培養(yǎng)提供充足的光照。一高吸附性能儲(chǔ)氣裝置，高徑比為5 1-0.5 I的雙層圓柱形結(jié)構(gòu)，內(nèi)層儲(chǔ)氣室裝填有高性能儲(chǔ)氫和儲(chǔ)甲烷復(fù)合材料。儲(chǔ)氣室頂部為可開啟式密封蓋，蓋上安裝有壓力控制系統(tǒng)，包括壓力表和壓力調(diào)節(jié)器。儲(chǔ)氣室下部設(shè)計(jì)有進(jìn)氣口，與氣體純化裝置的燃?xì)獬隹谙噙B，上部設(shè)計(jì)有出氣口，且進(jìn)、出氣口經(jīng)三通電磁閥與循環(huán)通氣管道相連，可實(shí)現(xiàn)間歇式快速儲(chǔ)放氫。高吸附性能儲(chǔ)氣裝置內(nèi)部填充的高性能材料為儲(chǔ)氫分子篩與碳基、鎂基、鋯系和/或稀土系材料等組合的復(fù)合材料。高吸附性能儲(chǔ)氣裝置中，間歇式燃?xì)鈨?chǔ)放方式是調(diào)節(jié)三通電磁閥，使進(jìn)氣口與儲(chǔ)氫室相連，氫烷燃?xì)饨?jīng)進(jìn)氣口進(jìn)入儲(chǔ)氫室，此時(shí)關(guān)閉排氣口，使出氣口與循環(huán)通氣管道相連，氫氣在進(jìn)氣循環(huán)過程中被高吸附儲(chǔ)氣材料迅速吸收，未被吸收的燃?xì)饨?jīng)循環(huán)通氣管道返回進(jìn)氣口，與進(jìn)氣口燃?xì)饣旌虾笤俅芜M(jìn)入儲(chǔ)氫裝置儲(chǔ)存，直至儲(chǔ)氫裝置內(nèi)壓力達(dá)到
1-IOMPa時(shí)，關(guān)閉進(jìn)氣口，儲(chǔ)氫過程結(jié)束。使用氫烷燃?xì)鈺r(shí)，開啟出氣口，關(guān)閉循環(huán)通氣管道和進(jìn)氣口，使燃?xì)忉尫?，直至?chǔ)氣室壓力為O. 9-0. IMPa,停止使用，關(guān)閉出氣口，重復(fù)儲(chǔ)氣操作。管道式光生物反應(yīng)器中，微藻培養(yǎng)基經(jīng)80-120°C滅菌20-60min，冷卻至20_35°C后接種微藻培養(yǎng)物，進(jìn)入管道式光生物反應(yīng)器。生物氣經(jīng)純化后剩余的廢氣進(jìn)入培養(yǎng)池，與微藻培養(yǎng)物混合后經(jīng)循環(huán)泵通入培養(yǎng)管道進(jìn)行充分的光合作用后再返回培養(yǎng)池，實(shí)現(xiàn)廢氣處理。廢氣處理過程中控制體系pH在6. 0-7. 5之間，溫度通過循環(huán)水控制在20-35°C，處理
2-7天為一個(gè)周期。本發(fā)明的微藻是指自氧能力強(qiáng)、油脂含量高和蛋白質(zhì)含量高的綠藻，如小球藻、鹽 生杜氏藻等能源藻，但不僅限于綠藻，還可以為硅藻、藍(lán)藻等。廢氣處理后獲得的微藻可以作為生物柴油的原料進(jìn)行高值化利用，還可以作為飼料、肥料加以利用。EGSB反應(yīng)器與管道式光生物反應(yīng)器之間連接有燃?xì)饧兓?，純化器包括氫氣純化器和甲烷純化器兩部分，并通過混配閥進(jìn)行氫烷燃?xì)獾幕旌吓浔?；純化器?nèi)部還裝填有干燥劑，用于生物氣中水分的脫除。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地說明。本發(fā)明裝置包括濕熱預(yù)處理反應(yīng)器I、混合裝置2、絞龍3、分室耦合生物制氫反應(yīng)器4、EGSB反應(yīng)器5、管道式光生物反應(yīng)器6、氣體純化器7、高吸附性能儲(chǔ)氫裝置8等。廚余垃圾置于濕熱反應(yīng)器I的高壓內(nèi)膽10中，內(nèi)膽10與外殼11之間填充導(dǎo)熱油12，通過溫度控制器13控制處理溫度，壓力表9顯示處理壓力。預(yù)處理后的廚余垃圾經(jīng)混合裝置2攪拌均勻后通過絞龍3輸送至分室耦合生物制氫反應(yīng)器4。垃圾經(jīng)好氧腐解預(yù)處理后，通過調(diào)整裝置底座31的重力升降裝置32使物料從好氧預(yù)處理室15經(jīng)過單向閥門33進(jìn)入?yún)捬醍a(chǎn)氫室16產(chǎn)生富氫氣體。反應(yīng)器內(nèi)壁的三棱柱形擋板34設(shè)計(jì)，通過摔打和旋轉(zhuǎn)作用使物料充分混合，有效提高發(fā)酵產(chǎn)氣量和能量轉(zhuǎn)化效率。生物制氫過程中的溫度、PH值、溶解氧等控制參數(shù)通過分室內(nèi)的復(fù)合電極17進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)定，并將數(shù)據(jù)同步傳輸至控制面板進(jìn)行顯示。厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的富氫氣體經(jīng)納米陶瓷鍍膜滾軸18輸送至氫氣純化器26，固相和液相代謝產(chǎn)物經(jīng)出料口排入固液分離器20。固液分離器分離出的液相代謝產(chǎn)物進(jìn)入EGSB反應(yīng)器5進(jìn)行厭氧產(chǎn)甲烷。發(fā)酵產(chǎn)氫的液相產(chǎn)物從EGSB反應(yīng)器底部進(jìn)入填充有厭氧顆粒污泥21的反應(yīng)區(qū)22，產(chǎn)生的沼氣和泥水混合液經(jīng)三相分離器23分離，其中出水經(jīng)沉淀區(qū)24出水口流入貯水槽25，部分出水再次返回反應(yīng)器中與進(jìn)水混合，收集后的沼氣經(jīng)管道輸送至甲烷純化器
19。位于EGSB反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)22不同高度處設(shè)有取樣口 14，便于對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控。上述富氫和甲烷生物氣分別經(jīng)氣體純化器后通過混配閥41進(jìn)行混合配比后進(jìn)入高吸附性能儲(chǔ)氣裝置8，裝置內(nèi)層儲(chǔ)氣室35裝填有高性能儲(chǔ)氫和儲(chǔ)甲烷復(fù)合材料36。儲(chǔ)氣室35頂部安裝有壓力控制系統(tǒng)37，儲(chǔ)氣室下部設(shè)計(jì)有進(jìn)氣口 38，上部設(shè)計(jì)有出氣口 39，且進(jìn)、出氣口經(jīng)三通電磁閥40與氣體循環(huán)系統(tǒng)相連，可實(shí)現(xiàn)間歇式快速儲(chǔ)放氫。氣體純化器排出的剩余廢氣經(jīng)循環(huán)泵進(jìn)入管道式光生物反應(yīng)器6。管道式光生物反應(yīng)器6由微藻培養(yǎng)池27與培養(yǎng)管道28組成，培養(yǎng)池外部加熱套29控制培養(yǎng)溫度，頂部設(shè)有布水器30強(qiáng)化氣體與培養(yǎng)液的混合，培養(yǎng)池底部出料口通過循環(huán)泵與培養(yǎng)管道28串聯(lián)連接，培養(yǎng)管道的出料口與培養(yǎng)池的進(jìn)料口連接，實(shí)現(xiàn)廢氣脫除和微藻培養(yǎng)。本實(shí)施例中發(fā)明方法及裝置的實(shí)際運(yùn)行方式如下廚余垃圾破碎后裝填入濕熱預(yù)處理裝置中，填充量為有效容積的50%，溫度控制為120°C，處理30分鐘后冷卻。預(yù)處理后的垃圾混合均勻后經(jīng)絞龍裝填入分室耦合生物制氫反應(yīng)器的好氧室進(jìn)行腐解預(yù)處理，裝填量為有效容積的50 %，好氧預(yù)處理室和厭氧產(chǎn)氫室的容積比例為I : 2。腐解7天后將物料經(jīng)單向閥門轉(zhuǎn)移至厭氧產(chǎn)氫室，通過取樣口補(bǔ)加高效產(chǎn)氫菌劑以強(qiáng)化產(chǎn)氫，厭氧發(fā)酵周期為3天,生物氣中氫氣含量大于60%。厭氧產(chǎn)氫后液相代謝產(chǎn)物經(jīng)固液分離器分離后泵入EGSB反應(yīng)器，在厭氧活性污泥產(chǎn)甲烷菌群的作用下生成甲烷氣，該EGSB反應(yīng)器高徑比為8 1，運(yùn)行條件為回流比4 1，進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷為IOkgCOD/ (m3 ·(!)，水力上升流速O. 5m/h，溫度35± 1°C，處理后的廢水COD去除率達(dá)到90%以上，生物氣中甲烷含量大于80%。
產(chǎn)氫反應(yīng)器生成的富氫氣和EGSB反應(yīng)器產(chǎn)生的甲烷氣分別通過氣體純化器進(jìn)行純化和干燥，純化后的氫氣和甲烷經(jīng)混配閥進(jìn)行配比后進(jìn)入高吸附性能儲(chǔ)氣裝置，該裝置高徑比2 1，內(nèi)部填充有儲(chǔ)氫分子篩和活性炭填料，儲(chǔ)氫時(shí)裝置內(nèi)壓力應(yīng)不高于5MPa，放氫過程中室內(nèi)壓力應(yīng)不低于O. 5MPa。脫除的廢氣通入管道式光生物反應(yīng)器進(jìn)行處理，并通過循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)池與管道中微藻培養(yǎng)物的循環(huán)流動(dòng)，處理后的廢氣中二氧化碳脫除率達(dá)到85%以上，有效減少二次污染。培養(yǎng)池中微藻采用小球藻，接種量為培養(yǎng)體積的10%，調(diào)節(jié)初始PH為7. 5，通過加熱套控制培養(yǎng)溫度為35°C，管道式光反應(yīng)器內(nèi)部由兩只40w黃色熒光燈提供光照。本發(fā)明裝置占地面積小，不足3平米，并且移動(dòng)和安裝方便，厭氧室裝料后6小時(shí)內(nèi)即可產(chǎn)氫，還可同時(shí)去除生物氣中85 %以上的二氧化碳，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)能減排的目的。
權(quán)利要求
1.一種廚余垃圾干濕聯(lián)產(chǎn)氫氣與甲烷的組合裝置，主要包括 一濕熱預(yù)處理反應(yīng)器，連接一垃圾混勻輸送裝置，該垃圾混勻輸送裝置包括垃圾混合室和絞龍，絞龍一端與濕熱預(yù)處理反應(yīng)器出料口連接，另一端與耦合生物制氫反應(yīng)器進(jìn)料口相連； 一分室耦合生物制氫反應(yīng)器，內(nèi)部為厭氧產(chǎn)氫室和厭氧產(chǎn)沼室，厭氧產(chǎn)氫室和厭氧產(chǎn)沼室之間設(shè)有厭氧產(chǎn)沼室單向可開啟閥門，厭氧產(chǎn)沼室的出料口連接固液分離器； 一納米鍍膜陶瓷滾軸，貫穿分室耦合生物制氫反應(yīng)器，納米鍍膜陶瓷滾軸的出氣端連接至氫氣純化器； 固液分離器分離出的液相物進(jìn)入膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器進(jìn)行厭氧產(chǎn)甲烷，固液分離器分離出的固相產(chǎn)物排出固液分離器； 膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器的下部為反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)區(qū)內(nèi)填充有厭氧顆粒污泥；膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器的上部為沉淀區(qū)，沉淀區(qū)內(nèi)安裝有三相分離器； 膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器的出氣口連接至甲烷純化器； 一管道式光生物反應(yīng)器，由微藻培養(yǎng)池、培養(yǎng)管道和安裝在培養(yǎng)管道內(nèi)部的光源組成，其中微藻培養(yǎng)池的池體由透光的有機(jī)玻璃制成，微藻培養(yǎng)池頂設(shè)有布水器；微藻培養(yǎng)池的進(jìn)氣口與氫氣純化器和甲烷純化器的廢氣出口相連，將純化后剩余的二氧化碳及硫化氫廢氣進(jìn)入管道式光生物反應(yīng)器；微藻培養(yǎng)池底部的出料口與培養(yǎng)管道串聯(lián)連接，培養(yǎng)管道的出料口與微藻培養(yǎng)池的進(jìn)料口連接； 氫氣純化器和甲烷純化器的出氣口通過一混配閥連接至儲(chǔ)氣裝置，該儲(chǔ)氣裝置的儲(chǔ)氣室內(nèi)裝填儲(chǔ)氫和儲(chǔ)甲烷的儲(chǔ)氫分子篩與碳基、鎂基、鋯系或稀土系材料中的至少一種組合而成的復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的組合裝置，其中，濕熱預(yù)處理反應(yīng)器安裝有溫度控制器和壓力表，濕熱預(yù)處理反應(yīng)器為內(nèi)膽與外殼兩層結(jié)構(gòu)，內(nèi)膽與外殼之間填充有導(dǎo)熱油。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的組合裝置，其中，垃圾混勻輸送裝置包括垃圾混合室和絞龍，絞龍一端與濕熱預(yù)處理反應(yīng)器出料口連接，另一端與分室耦合生物制氫反應(yīng)器進(jìn)料口相連，共同固定于產(chǎn)氫反應(yīng)器支架上，以節(jié)省占地面積。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的組合裝置，其中，分室耦合生物制氫反應(yīng)器為雙層滾筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁安裝有4-8組三棱柱型擋板。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的組合裝置，其中，膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器內(nèi)的厭氧顆粒污泥填充量為反應(yīng)區(qū)有效容積的10-50%。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的組合裝置，其中，管道式光生物反應(yīng)器的培養(yǎng)管道內(nèi)部安裝的光源為黃色熒光燈管。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的組合裝置，其中，高吸附性能儲(chǔ)氣裝置的頂部為可開啟式密封蓋，蓋上安裝有壓力表和壓力調(diào)節(jié)器，且進(jìn)氣口和出氣口經(jīng)三通電磁閥與氣體循環(huán)系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)間歇式快速儲(chǔ)放氫。
8.一種利用權(quán)利要求I所述組合裝置聯(lián)產(chǎn)氫氣與甲烷的方法，其主要步驟為 廚余垃圾破碎后裝填入濕熱預(yù)處理裝置中進(jìn)行預(yù)處理； 預(yù)處理后的垃圾混合均勻后經(jīng)絞龍裝填入分室耦合生物制氫反應(yīng)器的好氧預(yù)處理室進(jìn)行腐解預(yù)處理，之后將物料經(jīng)單向可開啟閥門轉(zhuǎn)移至厭氧產(chǎn)氫室，并補(bǔ)加產(chǎn)氫菌劑以強(qiáng)化產(chǎn)氫； 厭氧產(chǎn)氫后的液相代謝產(chǎn)物經(jīng)固液分離器分離后泵入膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器，在厭氧活性污泥產(chǎn)甲烷菌群的作用下生成甲烷氣；厭氧產(chǎn)氫室生成的氫氣和膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器產(chǎn)生的甲烷氣分別通過氫氣純化器和甲烷純化器進(jìn)行純化與干燥，純化后的氫氣和甲烷經(jīng)混配閥進(jìn)行配比后進(jìn)入儲(chǔ)氣裝置；純化脫除的廢氣通入管道式光生物反應(yīng)器進(jìn)行處理，并通過循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)微藻培養(yǎng)池與培養(yǎng)管道中微藻培養(yǎng)物的循環(huán)流動(dòng)，管道式光反應(yīng)器內(nèi)部的光源為微藻培養(yǎng)提供光照，促進(jìn)微藻光合作用進(jìn)行廢氣處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，微藻是指小球藻、鹽生杜氏藻、硅藻、藍(lán)藻中的一種或幾種。
全文摘要
一種廚余垃圾干濕聯(lián)產(chǎn)氫氣與甲烷的組合裝置，包括濕熱預(yù)處理反應(yīng)器、垃圾混勻輸送裝置、分室耦合生物制氫反應(yīng)器、膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器、管道式光生物反應(yīng)器、高吸附性能儲(chǔ)氣裝置、氣體純化器等。廚余垃圾經(jīng)濕熱預(yù)處理后通過絞龍輸送至分室耦合生物反應(yīng)器進(jìn)行產(chǎn)氫，富氫氣體經(jīng)納米陶瓷鍍膜滾軸輸送至氫氣純化器，液相代謝產(chǎn)物進(jìn)入EGSB反應(yīng)器進(jìn)行厭氧產(chǎn)甲烷。經(jīng)氣體純化器后的氫氣和甲烷通過混配閥配比后進(jìn)入高吸附性能儲(chǔ)氣裝置，廢氣通入管道式光生物反應(yīng)器進(jìn)行脫除。本發(fā)明具有安裝靈活、占地面積小、運(yùn)行費(fèi)用低、產(chǎn)氣量大等特點(diǎn)，生物氣的收集、純化和儲(chǔ)存方便，適用于廚余垃圾的高值化利用。
文檔編號(hào)C12M1/34GK102864073SQ20121035577
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月21日
發(fā)明者賈璇, 席北斗, 祝超偉, 李鳴曉, 夏訓(xùn)峰, 張列宇, 趙國(guó)鵬 申請(qǐng)人:中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院