基本信息
- 项目名称：
- 一体化除苔产氢系统开发
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目主要研究利用微生物厌氧发酵技术，以浒苔为底物制取氢气。结合传统CSTR和UASB两种制氢反应器，设计了新型的反应器，应用于具体的实验。并且通过结合太阳能设备、闭式水循环系统、单片机自动控制系统来提高设备的自动化程度和产氢效率。模拟了一座总有效容积为400m3生物制氢基地，生产氢气的成本为0.78~0.89元/m3，产气年耗电量为32120千瓦时，基地年发电量为2070402.44千瓦时。该技术不仅处理了浒苔等破坏水体生态系统的典型藻类污染物，减少环境污染，而且产生了清洁能源，解决了环境污染和能源紧缺的双重危机。
- 详细介绍：
- 浒苔是一种蔓延速度极快的浮游生物，它的大规模繁殖对海洋生态环境造成了严重破坏，并造成了巨大的经济开销，据统计全国每年处理海藻污染的费用高达三千多万元。本设计以浒苔为底物，自主设计了厌氧发酵反应器，研发了一体化除苔产氢系统，利用厌氧发酵技术处理浒苔并产生新能源——氢气。 浒苔处理过程主要分为预处理、厌氧发酵反应、出水处理及氢能转化三个步骤，详细说明如下：（1）首先以浒苔为底物，用粉碎机粉碎，对其进行酸化预处理;随后，根据负荷曲线，在配水箱对酸化后的浒苔进行浓度和PH的调节；(2)调节好的进水通过蠕动泵被送入一体化反应器的上部--连续搅拌反应器，进行初期反应，并产生少量氢气。总进水在上部反应器内停留一段时间后，通过上部出水沿溢出，靠自身的重力作用进入升流式反应器的下部，反应器由一个循环泵带动整个升流式反应器内的污泥实现循环，整个反应器的恒定温度由恒温箱和单片机自控装置实现，被充分消化后的水从升流式反应器上沿溢出进入曝气池；（3）两个反应器产生的氢气从导气管首先进入滤气瓶，去除杂质气体，除杂后的气体进入流量计测出其产量，最终氢气通过燃料电池转化为电能。最后将厌氧反应区出水进行好氧处理，使出水达标，并将出水再导回投药箱，配成新的进水，以达到充分节约水资源的目的。 系统具有以下特点：1.选取极易造成海洋污染的浒苔作为底物，将厌氧发酵技术引入处理过程，开发了一套操作简单的连续流产能模型，把藻类废弃物中的多糖、纤维素等碳水化合物转化为氢能，实现废物利用。2.结合CSTR和UASB两种反应器的优点，自主设计了一体化连续流反应器，一方面具有CSRT反应器物料混合均匀、运行稳定的优点， 另一方面具有UASB反应器反应浓度高，运行能力强的优点，并且能够对底物进行二次处理，最大程度的利用底物，提高产氢效率。3.该系统可以实现从进料—厌氧反应—产生氢气—电能转化和出水回收的完整运行，并且维持系统运行的大部分能量来自太阳能，有效地减少了电能消耗；水循环采用闭式循环方式，完全回收系统排水，整个过程只需补充少量因蒸发引起的水损失即可保证系统连续有效运行，达到了节约水资源的效果。4.通过自行设计的单片机辅助控制系统运行，保证系统的反应温度稳定，运行安全可靠。 通过实验研究了容积负荷、碱度、pH值、ORP等参数对系统产氢能力的影响，获得最佳的控制参数：当容积负荷为25～40kgCOD/(m3.d)；ORP为-450mV～-400mV；出水pH值为4～6；温度为37±1 ℃；HRT为7h该反应器的最大产气能力为10.3L/(L反应器*d)。 利用BP神经网络对系统运行进行模拟仿真，并利用分离相关权值法对关键性调控因子(pH、容积负荷、碱度、ORP)对反应器运行效果的影响大小进行排序，结果为：容积负荷>pH值>ORP>碱度。通过模拟仿真确定主体工艺与各参数的匹配关系以及优化组合方式，以此为确定工程菌的最佳发酵条件、最佳发酵类型、最大产氢能力等提供依据，最终提出调控策略。 此外，模拟了一座总有效容积为400m3生物制氢基地，年处理浒苔9172.45t。对以此为底物的生物制氢技术进行了经济分析：产氢量每年127.75~146万m3。生产氢气的成本为0.78~0.89元/m3，产气年耗电量为32120千瓦时，与此相对应的是基地年发电量为2070402.44千瓦时。我国海洋面积广阔，浒苔容易获得。按照如上基地如果用来发电，按照燃料电池80%转换效率计算，每年可以发电207万千瓦时，而每年的耗电量仅为3.2万千瓦时。由此可见，本项目的经济效益是巨大的。在化石燃料价格上涨、能源短缺、环境问题日益突出的今天，如果形成产业的话，既可以有效地提高人民的生活水平，又可以有效地保护海洋生态环境。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1. 作品设计、发明的目的 浒苔——一种绿藻，08年夏天,作为奥帆赛场地的青岛爆发了浒苔大规模繁殖的事件，造成了极其恶劣的影响和严重的环境污染。然而常规的处理方法既不能从根本上解决问题，同时也是一种资源的浪费。我们自主设计并制作了一体化除苔产氢系统。该系统可以实现从进料—厌氧反应—产生氢气—电能转化和出水回收的完整运行，并且维持系统运行的大部分能量来自太阳能，采用闭式水循环方式，节约水资源。使整个系统达到处理海洋污染和高效产能的目的。 2. 基本思路 采用浒苔作为原材料，通过控制限制性生态因子的定量化组合，使一体化反应器中厌氧发酵能够达到最佳的反应状态，实现高效产氢。厌氧发酵产生的氢气经过加压装置燃料电池转变成电能。同时将剩余底物进行好氧处理以达到排放标准，实现节能降耗。 3. 创新点 1)选用浒苔为底物产氢；2)自主设计制作了一体化反应器；3)具有一套完整的除苔产氢系统 4. 技术关键 1)设计、调试和优化新型反应器；2)浒苔的预处理方法，处理环境条件的确定；3)量化系统各生态因子的主次关系，制定合理的控制、实验方案；4)实现单片机自控一体化。 5. 主要技术指标 1)样机：将浒苔完全处理，同时高效产氢，产氢率大于5.15L/(L反应器.d)；2)温度、PH、ORP、COD等最佳控制参数，并利用MATLAB等相关仿真技术得到相应的调控对策；3)系统模型：连续产氢；4)燃料电池发电：连续正常运转。
科学性、先进性
- 作品的科学性、先进性： （一）主体发酵系统 本反应器系统与现有反应器相比特点如下：1）有两个反应区， CSTR反应区位于UASB反应区的上部，CSTR出水通过导管可进入UASB反应区继续发酵，提高了系统的耐冲击性和效率[1-2]；2）实现了有机物预处理到高效产能的一体化；3）采用太阳能供热装置，节省了电能；4）整个系统采用闭式水循环设计，节约水资源。 （二）制氢底物 以往制氢研究，底物多为可溶性糖、淀粉及其有机废水，以海洋藻类为原料的发酵产氢研究并不多见[3]。利用浒苔进行生物制氢的研究，尚未见文献报道。 参考文献： [1] 任南琪. 有机废水发酵法生物制氢设备[P].中国: 92114474•1, 1992. [2] 马东辉. 升流式厌氧污泥床UASB工艺概论. 科技信息2009/01. [3] 潘春梅，李卓，樊耀，金美方.海藻类生物质废弃物的发酵生物制氢研究[J].环境科学学报, 2009，32(2):1-4.
获奖情况及鉴定结果
- 2009年5月学校举办的“XX杯学生创新大赛”中获得一等奖。
作品所处阶段
- 试验运行
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、 模型、 图纸 、 现场演示 、图片 、 录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.技术特点和优势 从底物来看，浒苔降解和利用的难度大，我们对它的生物处理与产能利用也证明了本技术的先进性，从整个系统来看，一体化除苔产氢系统可以实现从进料—厌氧反应—产生氢气—电能转化和出水回收的完整稳定运行，实现了高效连续流运行。 2. 适应范围 本系统虽以浒苔为试验底物，但同样对于其他类型藻类污染的处理具有很大的参考价值。若实际应用于商业运作时，适用于藻类经常爆发的沿海城市以及内陆污染严重的湖泊江河。把海洋污染转变成为有效氢能源的利用，所以有着广阔的适用前景。 3. 市场分析及经济效益预测 对以浒苔为底物的生物制氢技术进行经济分析：模拟一座400m3的生物制氢基地，该基地一年可处理浒苔9172.45吨，产氢量每年可达127.75-146万m3。而与此相对应的是基地每年发电2070402.44千瓦时。由此可以看出，采用厌氧发酵制氢技术处理浒苔，不仅减少了环境污染，实现能量正输出，而且产生了清洁能源，具有可观的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 1 发酵法生物制氢技术采用的底物 在发酵法生物制氢的诸多研究中，所用的底物大多局限在可溶性糖、淀粉及其相应的有机废水。XX教授领导的课题组开创了“有机废水乙醇型发酵法生物制氢技术”[1]。XX大学XX教授利用自行设计的连续流搅拌槽式反应器（CSTR）进行蜜糖发酵产氢研究，提出了乙醇型发酵产氢的理论[2]。 研究表明，有的微生物也可以利用富含纤维素和半纤维素等复杂大分子的生物质作为发酵产氢的底物。以海洋藻类生物质为底物的发酵产氢研究还很少见。国内潘春梅等人在他们进行的海带发酵产氢研究中，海带最大产氢能力为104.40mL/g TVS，最大氢浓度为32.6%，且没有检测到甲烷气体存在。液相中主要发酵末端产物为乙醇、乙酸和丁醇[3]。 2 厌氧发酵反应器 目前较为成熟的厌氧生物制氢反应器结构有UASB（升流式反应器）和CSTR（连续搅拌式反应器）两种。UASB对水质和负荷突然变化较敏感，耐冲击力稍差；CSTR能量消耗较高，出水底物浓度较高。 国内外研究者对反应器进行改进以提高发酵产氢能力，并研究其产氢特性。其中，带搅拌器的CSTR反应器在发酵产氢中应用最多。2006年Hariklia N Gavala等进行了以葡萄糖为底物，厌氧消化污泥为产氢微生物的实验。 3 厌氧产氢影响因素的研究 目前针对发酵产氢生态因子控制的研究，主要集中于对特定微生物产氢过程中温度、COD浓度、pH、氧化还原电位(ORP)和金属离子等的影响方面。为了研究各种因素的影响，很多学者做了大量的工作。如KUMAR等[4]证明了Enterobacter cloacae在36℃时具有最大的产氢速率。 参考文献： [1] 任南琪，李建政.生物制氢技术[J]. 太阳能学报，2003(2)：4-5. [2] 任南琪，王宝贞，有机废水处理生物制氢技术[J].中国环境科学,1994.14（6）：411-415. [3] 史仲平，潘丰.发酵过程解析、控制与检测技术[M].北京:化学工业出版社，2005. [4] KUMAR N，DSA D. Enhancement of hydrogen production by Enterobactercloacae ⅡT-BT 08[J]. Process Biochem, 2000, 35: 589-593.
